离子型表面活性剂对乳液性能的影响

刘燕军，邵建楠，周 存*

(1.天津工业大学环境与化学工程学院，天津 300387；2.天津工业大学精细化工研究所，天津 300387；3.天津工业大学纺织助剂有限公司，天津 300270)

在纺丝过程中为了增强可纺性、减少摩擦、提高纤维的性能，常常使用纺丝油剂帮助纺丝[1]。纺丝油剂一般是由表面活性剂、平滑剂、抗静电剂等组成的复配体系，在实际应用中大多需要配制成微乳液以提高油剂的使用效果[2]。在配置微乳液时，一般采用2种或2种以上的表面活性剂复配来乳化油脂，复配体系较两单纯表面活性剂乳化效果增加[3-4]。复配体系的表面活性剂之间存在协同作用[5-6]，可以优化乳液性能，应用范围较广。目前对于阴离子-非离子表面活性剂混合体系在水溶液中的复配规律已有较多研究，但对于阴阳非离子表面活性剂混合体系[7-8]研究较少，因为阴阳离子表面活性剂混合后很容易产生沉淀、分层，从而失去表面活性[9-11]，所以选择适宜的阴阳离子型表面活性剂是关键。笔者主要研究阴阳离子对加入乳化体系，在未发生沉淀、分层的情况下，与只加入阴离子表面活性剂的乳化体系之间对乳液性能的不同影响。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

涤纶纤维，细度为1.56 dtex，上海特安纶纤维有限公司；月桂酸聚氧乙烯酯(LAE)、聚乙二醇二油酸酯(DQA)、油酸酯(QA)、脂肪醇聚氧乙烯磷酸酯钾盐(8102PK)、十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)，工业级，所有油剂均由天津工大纺织助剂有限公司提供。

JYW-200自动表面张力仪，承德鼎盛实验仪器厂；DSA25全自动接触角测量仪，德国克吕士公司；DDS-11A数显电导率仪，上海雷磁·创益仪器仪表有限公司； ZEN3690纳米粒度Zata电位分析仪，英国马尔文仪器有限公司；S4800型冷场发射扫描电子显微镜，日本HITACHI公司。

1.2 试样制备

将LAE与DQA按照2∶8的质量比混合，再加入QA，在上述混合物中加入离子型表面活性剂8102PK制得含有LAE、DQA、QA以及8102PK的油相ANS，或加入8102PK与1227的复合离子型表面活性剂(8102PK与1227质量比为1∶2)制得含有LAE、DQA、QA以及8102PK与1227复合物的油相ACNS；其中8102PK或8102PK与1227的复合物的加入量分别为油相的3%、5%，QA所占质量分数为油相的40%，LAE与DQA混合物为油相的其余部分，分别在上述油相中逐渐加水搅拌均匀，即配制出不同浓度的ANS乳液与ACNS乳液，静置24 h待测。

1.3 测试与表征

表面张力测定：依据GB/T 5549—2010，25 ℃，用无水乙醇或蒸馏水进行自动表面张力仪校正后测试出乳液的表面张力γ。

接触角测定：依据DB44/T 1872—2016，25 ℃，使用全自动接触角测量仪分别测量不同浓度的乳液在单根涤纶纤维上的接触角；各测量5次，求平均值。

润湿性测定：依据GB/T 11983—2008，25 ℃，配制一定浓度的油剂乳液900 mL，将帆布圆片浸没于被测己知浓度的乳液中，记录润湿时间，各测5次，取平均值。

电导率测定：依据SL 78—1994，25 ℃，用电导率仪测试各试样的电导率值，各测3次，取平均值。

黏度测定：依据GB/T 15357—2014，25 ℃，用毛细管黏度计及旋转黏度计分别测试各试样的黏度大小，各测5次，取平均值。

粒径测定：25 ℃，用纳米粒度Zata电位分析仪进行粒径扫描。

纤维表面形貌变化：采用冷场发射扫描电子显微镜观察纤维乳液处理前后表面形貌的变化，纤维表面喷金后，放大6 000倍进行观察。

2 结果与讨论

2.1 乳液浓度对乳液表面张力的影响

图1为乳液浓度对乳液表面张力的影响。

由图1可见，ANS乳液与ACNS乳液的表面张力随浓度增加先迅速降低，之后降低的趋势逐渐平缓，曲线存在一个明显的转折点，该点的浓度可以视为乳液的临界胶束浓度(CMC)。乳液在临界胶束浓度之前由于表面活性剂的作用而表面张力迅速降低，在临界胶束浓度之后，随乳液浓度的增加，乳液中形成大量的胶束，乳液表面张力降低的速度开始慢慢变小。

ACNS乳液的表面张力相比ANS乳液的表面张力更小，临界胶束浓度更低[12，13]，ANS乳液临界胶束浓度为1.9%，而ACNS乳液临界胶束浓度为0.8%。离子型表面活性剂含量的变化对临界胶束浓度变化影响不大，可能在此体系中临界胶束浓度的变化只与离子型表面活性剂的类型有关，而与含量无关。

2.2 乳液浓度对乳液接触角的影响

图2为乳液浓度对乳液接触角的影响。

图1 乳液浓度对乳液表面张力的影响

图2 乳液浓度对乳液接触角的影响

由图2可见，乳液体系在涤纶纤维上的接触角随浓度变化的曲线与表面张力变化趋势一样，也存在一个明显的突变点，该点的浓度即乳液的临界胶束浓度(CMC)，在乳液浓度小于临界胶束浓度时，乳液的接触角随浓度的增加迅速减小，当浓度大于临界胶束浓度时，乳液的接触角仍在减小，但变化趋势不明显，趋于稳定。

由杨氏方程知，当固体的表面张力确定时，液体的表面张力越小，接触角也越小，所以乳液在涤纶纤维上的接触角与乳液的表面张力呈现正相关关系，接触角随浓度的变化趋势与表面张力大致相同，因此，ACNS乳液相比ANS乳液在涤纶纤维上的接触角更小。

2.3 乳液浓度对乳液润湿性的影响

图3为乳液浓度对润湿时间的影响。由图3可见，乳液对帆布片的润湿时间随浓度的变化，随着浓度的不断增大，润湿时间也逐渐缩短。在浓度较小时，润湿时间随浓度增大急剧减小，当浓度增加到某一值时，润湿时间虽仍在继续减小，但随浓度变化的趋势逐渐减缓。

由于ACNS乳液的表面张力、接触角均小于ANS乳液，表面张力、接触角越小，乳液更容易润湿，所以相对应的ACNS乳液在不同浓度的润湿时间均小于ANS乳液的润湿时间。

图3 乳液浓度对润湿时间的影响

2.4 乳液含水量对电导率的影响

加入离子型表面活性剂后复配的乳液，其电导率随含水量的变化如图4所示。

图4 乳液含水量对其电导率的影响

在含水量为0～20%时，体系为W/O型[14]，乳液主要成分为油相，油相中含有的离子型表面活性剂电离的离子，以及水相液滴之间的移动，产生导电能力，随着含水量的增加，体系内形成的液滴数量也缓慢增加，但由于数量较少，彼此距离较远，所以乳液电导率增加缓慢；在含水量为20%～60%时，体系处于由W/O型向双连续相型[15，16]转变的过程。在含水量为60%～100%时，体系处在由双连续相型向O/W型转变的过程中，电导率也随之逐渐降低。

与ANS乳液相比，ACNS乳液中由于阳离子表面活性剂的引入，正负电荷相互中和，所以在电导率随含水量变化趋势相同的情况下，与阴阳离子混合的离子型表面活性剂复配的乳液电导率均低于与单一阴离子表面活性剂复配的乳液电导率。

2.5 乳液含水量对黏度的影响

与不同类型的离子型表面活性剂复配的乳液，其黏度随含水量的变化如图5所示。起初含水量较小时，体系处于W/O型；当含水量继续增大时，体系经历由W/O型向双连续相型再向O/W型的转变的过程，期间乳液胶束能相互缠绕，由球状形成柔性网状结构[17]，随着含水量增加，再变为球状结构，由于网状结构的胶束内部剪切力大，随之乳液黏度也增大，进而达到最大值；随着含水量的持续增大，体系处于O/W型，此时连续相为水相，因水的黏度较小，随着含水量的不断增加，乳液黏度也不断降低。

对比ANS乳液，ACNS乳液黏度相对较小，由于正负电荷的相互中和，使得乳液中所形成的胶团之间的静电力作用力减小，空间位阻增大[18-19]，减弱胶团之间流动的相互摩擦，使得剪切力[20-21]减小，对应黏度也减小。

图5 乳液含水量对乳液黏度的影响

2.6 乳液浓度对乳液粒径大小的影响

当离子型表面活性剂含量分别为3%及5%，乳液浓度为20%时，ACNS乳液的平均粒径均大于ANS乳液的平均粒径。与ANS乳液相比，ACNS乳液中正负电荷的中和，降低了乳液胶团表面的电荷，使乳液胶团之间的电斥力下降，乳液胶团的平均粒径变大。

2.7 离子型表面活性剂加入处理涤纶纤维外貌

未经处理的涤纶纤维表面纤维表面粗糙，且粗糙程度不同；经过ANS乳液处理之后，纤维表面的粗糙程度降低；而经过ACNS乳液处理之后，纤维表面的粗糙程度比较均一，改善了因粗糙程度不同而带来的问题，也表明其在纤维表面的铺展性更好。

3 结 论

a.与加入单一阴离子表面活性剂复配的乳液相比，同时加入阴离子、阳离子表面活性剂后复配的乳液表面张力更低，进而ACNS乳液有更好的润湿性，在纤维表面的接触角更小，能更好的在纤维表面铺展，并且其具有更低的临界胶束浓度，其中同时加入阴离子、阳离子表面活性剂后复配的ACNS乳液的临界胶束浓度为0.8%左右，而加入单一阴离子表面活性剂复配的ANS乳液的临界胶束浓度为2%左右；

b.ACNS乳液的电导率与转相黏度均低于ANS乳液，但其平均粒径却略大于ANS乳液的平均粒径。

参 考 文 献

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