氟碳表面活性剂的结构性能与应用

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1、纺织应用化学论文氟碳表面活性剂的结构性能与应用李喜华2070155摘要：氟碳表面活性剂是一类特种表面活性剂，具有非常优异的性能，文章介绍了其结构性能，主要合成工艺以及在工业中广泛应用。关键词：氟碳表面活性剂工业助剂新型助剂1氟碳表面活性剂表面活性剂是一类化学物质，它在溶剂中（通常是水）少量加入即大量降低溶液的表面张力、改变体系界面状态，从而产生一系列可应用的性质。表面活性剂是在表面上或界面上起作用的物质。含氟表面活性剂（Fluorsurfactant，以下简称FS）是20世纪60年代研制开发的一类特种表面活性剂。通常，表面活性剂的疏水基是由碳氢链组成的，而含氟表面活性剂

2、的疏水基主要是由碳和氟两种元素组成。由于结构上的特殊性，以氟原子取代了普通表面活性剂中疏水基团上的氢原子，把C-H键的结构转变为C-F键的形式，因此它显示出氟碳烃所特有的一些优良性能，同时它具有既憎水又憎油的特性。FS的高表面活性，取决于其分子中碳氟键所具有的极强的疏水性及较低的分子内聚力。它能使水的表面张力降到很低的数值，而使用的浓度却很小。一般碳氢表面活性剂在溶液中的质量分数为0.1%～1.0%范围才可使水的表面张力下降到30mN/m～35mN/m。碳氟表面活性剂在溶液中的质量分数为0.005%～0.1%时,就可使水的表面张力下降至20mN/m以下，甚至到15mN/

3、m左右。碳氟表面活性剂如此突出的高表面活性以致其水溶液可在烃油表面铺展[1]。另外氟碳表面活性剂在有机溶剂中也显示出良好的表面活性，特别是引入了N-取代的全氟辛酰胺类，它能使碳氢烃类溶剂降低表面张力5～15mN/m，FS所体现出的优良的热稳定性及化学惰性，主要是由于氟碳链憎水基取代碳氢链的憎水基后，由于C-F键的键能（116千卡/摩尔）大于C-H键的键能（99.5千卡/摩尔），因此C-F键要比C-H键稳定，不易断裂。又由于氟原子取代氢原子后，因氟原子的体积比氢原子大，使得C-C键因氟原子的屏蔽作用而得到保护，所以使原来键能不太高的C-C键也稳定了，这样使得C-C键也稳定

4、了，这使得FS具有碳氢表面活性剂所没有的化学稳定性及热稳定性。例如：C9F17OC6H4SO3K的使用温度可在300℃左右，而此化合物的中间体C9F17OC6H5在50%的硫酸或25%的氢氧化钠水溶液中在80℃时处理48h也不会分解。有研究表明[2]，FS的高表面活性是由于其分子间的范德华引力小造成的，活性剂分子从水溶液中移至溶液表面所需的张力小，导致了活性剂分子在溶液表面大量的聚集，形成强烈的表面吸附，而这类化合物不仅对水的亲和力小，而且对碳氢化合物的亲和力也较小，因此形成了既憎水又憎油的特性，但它对油/水界面的界面张力作用能力不强，如将FS与碳氢表面活性剂复配使用，

5、利用FS能选择性地吸附在水的表面，使表面张力降低；而碳氢表面活性剂能吸附在油/水界面上，使界面张力降低，这样就必定会提高水溶液的润湿性能。含氟表面活性剂的独特性能常被概括为“三高”、“两憎”，即高表面活性、高耐热稳定性及高化学稳定性，它的含氟烃基既憎水又憎油。含氟表面活性剂广泛应用于高聚物体系，作为添加剂具有各种不同的应用。2氟碳表面活性剂的分类与工业合成法氟表面活性剂的分类基本与普通碳氢表面活性剂相同，按离子性分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子型表面活性剂和非离子表面活性剂。阴离子表面活性剂主要有羧酸盐型、磺酸盐型、硫酸酯盐型和磷酸酯盐型几大类；阳离子表

6、面活性剂则主要是胺盐型和季胺盐型24纺织应用化学论文大类，并以季胺盐类用途最广；两性离子型表面活性剂的阳离子为胺基、季胺和吡啶阳离子，阴离子多是羧酸基、磺酸基或硫酸酯基；非离子表面活性剂主要是聚乙二醇型，但是可以根据使用的介质不同分为水溶液中使用型和碳氢非极性溶剂中使用型。其主要合成工艺有三种：2.1电解氟化法电解氟化反应在Simons电解槽中发生，电解电压要求低于8V，电压过高则有可能使氟离子在阳极被氧化而生成单质氟释放出。电解过程中，在阴极产生氢气，有机物在阳极被氟化。电解氟化法制备的表面活性剂从原料上可分为脂肪族酰卤电解氟化和脂肪族磺酰卤电解氟化。CnH2n+1C

7、OCl+(2n+2)HF→CnH2n+1COF+HCl+副产物，CnH2n+1SO2Cl+(2n+2)HF→CnH2n+1SO2F+HCl+副产物。电解氟化法缺点在于生产成本高；反应过程中存在有机物的碳-碳键的断裂和环化，生成短链的副产物，产率只能达到10%～25%（全氟辛酰氟产率约10%，全氟辛基磺酰氟约25%）。由该合成工艺带来的环境问题也是制约该方法进一步发展的瓶颈。2.2氟烯烃调聚法调聚反应是在自由基聚合催化剂的作用下，端基物（调聚剂）与不饱和双键的单体发生的加成聚合反应。该法最终产物为全氟碘代烷，通过进一步的反应制备成各种类型的