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溫度對(duì)甜菜堿短鏈氟碳表面活性劑表面張力、鋪展、發(fā)泡性能影響(一)
來(lái)源:日用化學(xué)工業(yè) 瀏覽 314 次 發(fā)布時(shí)間:2025-03-20
摘要
基于三種接枝不同親水基團(tuán)的甜菜堿短鏈氟碳表面活性劑(C4F9SO2NH(CH2)3N+(CH3)2CH2COO-,C4-Ac;C4F9SO2NH(CH2)3N+(CH3)2CH2CH2SO3-,C4-sa;C4F9SO2NH(CH2)3N+(CH3)2CH2CH2PO(OH)O-,C4-pa),研究了不同溫度(0~40℃)對(duì)表面活性劑的表面活性、鋪展能力和發(fā)泡性能等各項(xiàng)理化性能參數(shù)的影響。結(jié)果表明,隨著溫度的提升,各氟碳表面活性劑的臨界膠束濃度(cmc)略有增大,最低表面張力(γcmc)有所減小,其中C4-sa溶液的表面活性相對(duì)更優(yōu),其cmc可低至2.21 mmol/L,γcmc最低為16.28 mN/m。溫度對(duì)各表面活性劑的鋪展能力存在一定的影響,其趨勢(shì)為先增大后趨于基本不變,且C4-sa的鋪展能力最優(yōu),與表面張力大小趨勢(shì)一致。發(fā)泡倍數(shù)隨溫度的升高而增大,直至20℃后增加不明顯。低溫時(shí)三種表面活性劑的發(fā)泡性能均有所欠缺,但溫度略有升高時(shí)則性能有所提升,在相同溫度下,C4-sa的發(fā)泡倍數(shù)最高可以達(dá)到6.9倍。總體結(jié)果表明,溫度對(duì)甜菜堿短鏈氟碳表面活性劑的理化性能有一定的影響,低溫下影響尤其顯著,為該系列表面活性劑在不同溫度環(huán)境下的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
氟碳表面活性劑具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、疏水疏油性和熱穩(wěn)定性等特性。由于這些特性,氟碳表面活性劑被廣泛應(yīng)用于消防、化工、礦物加工、皮革等各個(gè)領(lǐng)域。尤其是在消防滅火救援方面,水成膜泡沫滅火劑(AFFF)中最重要的一類化合物即為氟碳表面活性劑,在機(jī)場(chǎng)消防的應(yīng)用中,AFFF是國(guó)際民用航空組織指定用于撲滅航空燃油火災(zāi)的滅火劑。這正是由于氟碳表面活性劑將滅火劑水溶液的表面張力降低,覆蓋油面隔絕空氣的同時(shí)又能夠起到降溫的作用。然而,傳統(tǒng)AFFF通常以全氟辛烷磺酸鹽及其相關(guān)化合物為中間體來(lái)制備,這些表面活性劑因其長(zhǎng)鏈的氟碳成分而表現(xiàn)出卓越的表面活性,但此類化合物在自然環(huán)境中的降解能力十分有限,常規(guī)飲用水和廢水的處理過(guò)程中不易脫除。由于此類化合物其毒性和生物富集性而引起的一系列嚴(yán)重的環(huán)境保護(hù)和人體健康安全問(wèn)題備受關(guān)注。因此,尋求長(zhǎng)碳鏈氟碳表面活性劑的有效替代物是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。
研究表明,與長(zhǎng)碳氟鏈的化合物相比,短鏈全氟烷基磺酸鹽具有更低的生物富集潛力和更小的急性毒性。關(guān)于縮短碳氟鏈后其性能參數(shù)是否受到顯著影響,國(guó)內(nèi)外研究人員開展了一系列工作。張漢飛制備了含4個(gè)氟碳的表面活性劑,具有良好的表面活性,與碳?xì)浔砻婊钚詣?fù)配可進(jìn)一步降低表面張力。楊百勤等合成了一種基于全氟丁基的陽(yáng)離子氟碳表面活性劑,表面張力為19.8 mN/m,臨界膠束濃度為36.4 mmol/L,在強(qiáng)酸性環(huán)境中具有更高的表面活性。兩性表面活性劑具有耐酸堿性和優(yōu)良的泡沫性能,孫道德等制備了一種羧基甜菜堿型氟碳表面活性劑,測(cè)得最低表面張力為18.53 mN/m,泡沫具有抗鹽性能和耐油性能。國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用的商用表面活性劑產(chǎn)品(Forafac 1157和Forafac 1183)即基于6個(gè)氟碳調(diào)聚物的氟表面活性劑。Wang等制備了一種新型咪唑類短碳鏈氟碳表面活性劑,測(cè)定其最低表面張力為17.81 mN/m,臨界膠束濃度為6.29 mmol/L。由此可見,短碳氟鏈的表面活性劑有望作為PFOS的替代品進(jìn)行應(yīng)用。
然而不同溫度對(duì)表面活性劑的性能可能有一定程度的影響。尤其是機(jī)場(chǎng)消防領(lǐng)域,由于我國(guó)機(jī)場(chǎng)分布較廣,消防車滅火需要就近取水,各機(jī)場(chǎng)在冬季和夏季的消防用水水源溫度差異較大(一般在0~40℃)。在低溫下氟碳表面活性劑的性能可能會(huì)受到影響,進(jìn)而影響AFFF的滅火性能。我國(guó)國(guó)標(biāo)中也僅對(duì)泡沫在室溫下的性能指標(biāo)有所要求,并未嚴(yán)格考慮溫度的影響。因此,將溫度作為影響因素進(jìn)行研究,能夠指導(dǎo)表面活性劑的有效應(yīng)用。本文在溫度為0~40℃的范圍下,研究三種接枝不同親水基團(tuán)的基于短碳氟鏈的甜菜堿型兩性氟表面活性劑的一系列理化性質(zhì),為此類表面活性劑在不同溫度環(huán)境下的應(yīng)用提供理論依據(jù)。