Gemini季铵盐阳离子表面活性剂的合成及性能研究

Gemini表面活性剂是由两个双亲分子的离子头基经连接基团通过化学键连接而成，又称双子表面活性剂。与传统表面活性剂相比，具有许多优点，如低临界胶束浓度(CMC)、低Krafft点、低温水溶性、润湿性、流变性、增溶性等。与传统表面活性剂复配成混合体系产生的协同效应可有效降低表面张力，并具有很好的钙皂分散能力，广泛应用于乳化、清洁、油田开发[1～3]等领域。目前对Gemini表面活性剂的研究很多[4～9]。

作者在此以十二烷基二甲基叔胺和1，3-二氯丙烷为主要原料合成一种对称的Gemini季铵盐阳离子表面活性剂[10,11]，并对其性能进行了测试。

反应方程式为：

1 实验

1.1 试剂与仪器

十二烷基二甲基叔胺，分析纯，天津瑞金特化学品有限公司；1，3-二氯丙烷，分析纯，上海三思试剂有限公司；正丙醇、盐酸，分析纯，石家庄永正化工有限公司；丙酮，分析纯，江苏省泰兴市化学试剂厂;钠基膨润土，工业级，成都优武特科技有限公司。

WRS-1B型数字熔点仪，上海精密科学仪器有限公司；Avator 360型FTIR红外光谱仪，美国Nicolet公司；DDSJ-308A型电导率仪,上海第二分析仪器厂；TDL-5-A型低速大容量离心机，上海安亭科学仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 十二烷基二甲基叔胺盐酸盐的制备[12]

在搅拌状态下，往三口瓶中加入适量的蒸馏水和盐酸溶液；缓慢加热，控制温度在40℃左右，滴加适量的十二烷基二甲基叔胺，搅拌反应2 h,冷却，即得十二烷基二甲基叔胺盐酸盐。

1.2.2 Gemini季铵盐阳离子表面活性剂的合成

反应溶剂选用正丙醇-水溶液。将十二烷基二甲基叔胺盐酸盐、十二烷基二甲基叔胺、1，3-二氯丙烷、正丙醇按一定比例混合，在回流温度下搅拌反应20 h，减压蒸馏，即得Gemini季铵盐阳离子表面活性剂粗品。

1.2.3 产品纯化

用丙酮对Gemini季铵盐阳离子表面活性剂粗品进行重结晶，真空干燥，密封保存。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

Gemini季铵盐阳离子表面活性剂的IR光谱结果表明：2920 cm-1、2855 cm-1处为-CH3、-CH2-的伸缩振动吸收峰；1467 cm-1处为-CH3、-CH2-的对称弯曲振动吸收峰；500～720 cm-1和1000～1200 cm-1处为C-C、C-Cl、C-N的特征吸收峰。

2.2 熔点的测定

用WRS-1B型数字熔点仪对合成的Gemini季铵盐阳离子表面活性剂进行熔点测定。结果表明，Gemini季铵盐阳离子表面活性剂在190℃开始融化，195℃融化完全。这可能是因为反应过程中有少量单季铵盐生成，致使熔点有一个变化区间。

2.3 临界胶束浓度(CMC)的测定[13,14]

CMC是表面活性剂在界面吸附达到饱和、开始形成胶团时的浓度，是表面活性剂的重要性能参数，可作为其表面活性的量度。当表面活性剂的浓度达到CMC时，溶液的表面张力降低至最低值，若再提高表面活性剂的浓度，表面张力不再降低而形成大量胶团。CMC值越小，表面活性越好。离子表面活性剂在水溶液中会电离出带电荷的离子，表面活性剂的浓度小于CMC时表现为电解质的导电行为；一旦达到CMC，表面活性剂开始形成胶团，此时溶液的许多性质如表面张力、渗透压、电导率、摩尔电导率等都会发生突变。

室温下，Gemini季铵盐阳离子表面活性剂的电导率-浓度曲线如图1所示。

图1 电导率-浓度关系曲线

由图1可以看出，曲线在某个浓度有个突变，该点即为电导率发生突变的位置，所对应的浓度即为CMC,其值为9.68×10-4mol·L-1，比传统表面活性剂的CMC值低2～4个数量级，证明产物为高性能的表面活性剂。

2.4 发泡性和稳泡性的测定[15]

阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)具有很强的发泡性。将合成的Gemini季铵盐阳离子表面活性剂配制成0.1%的水溶液，在室温下测量其发泡性和稳泡性，并与SDS进行比较，结果见表1。

表1 发泡性和稳泡性/mL

Tab.1Epispasticcharacterandstabilizationforbubble/mL

表面活性剂起始液高瞬时液高30 min后液高Gemini季铵盐250 300 300 SDS250 345 338

由表1可以看出，合成的Gemini季铵盐阳离子表面活性剂的发泡性不及SDS，但是稳泡性能非常好。

2.5 防膨率的测定

Gemini季铵盐阳离子表面活性剂可作为油田注采用的粘土防膨稳定剂，有效防止粘土水化膨胀，保证采油通畅。

根据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 5971-94,采用离心法对合成的Gemini季铵盐阳离子表面活性剂进行防膨率的测定，结果见图2。

图2 Gemini季铵盐阳离子表面活性剂的防膨率-质量分数曲线

由图2可知，当Gemini季铵盐阳离子表面活性剂质量分数为 8‰时，其防膨率达到最大，为85.3%，防膨效果良好。

3 结论

以十二烷基二甲基叔胺和1，3-二氯丙烷为主要原料合成了Gemini季铵盐表面活性剂，其CMC值为9.68×10-4mol·L-1，熔点为190℃，防膨率为85.3%，发泡与稳泡性能良好，表面活性高，是一种高性能的Gemini阳离子表面活性剂。

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