异构十三碳醇乙氧基化合物是实现工业及公共设施清洁可持续性发展的推动力

张金龙 罗凌丽 杜若讷

（巴斯夫新材料有限公司，上海，200137 ）

前言

可持续性正对经济发展和社会进步变得日益重要。到2050年，将会有超过九十亿人在地球上生存。如果我们不对自身的生活和生产方式加以改变，那么几乎需要三个地球的资源才能满足如此庞大的人口需求。因此，人类正面临来自于全球的巨大挑战。

可持续性解决方案的开发对于应对这类挑战至关重要。对于包含了众多工业领域的工业及公共设施清洁，可持续性解决方案显得尤其重要。毫无疑问，在满足当今工业和未来工业对可持续性发展的征途中，科技和创新是推动可持续性解决方案的重要力量。对于工业及公共设施清洁而言，它需要的是可以促进行业可持续性发展的由化学品和清洗配方组成的解决方案。毋庸置疑，化学提供了可持续性解决方案的组成元素。

本文向我们展示了Lutensol®TO这一类异构十三碳醇乙氧基化合物如何通过取代NPEO、节水节能以及浓缩化配方来促进工业及公共设施清洁（I&I）可持续性发展和成本节约。

壬基酚聚氧乙烯醚（NPEO）因其自身出色的乳化力和润湿力而广泛应用于纺织、工业及公共设施清洗以及农化领域。然而，近年来NPEO对环境的负面影响以及由此引起的法律法规问题极大地限制了此类表面活性剂的生产和应用[1]。就I&I用户而言，对于能够提供具有可持续性和高性价比优点的NPEO替代物的需求日益增加。替代物的标准就是环境友好，出色的性能和本土化供应。

1 NPEO的取代：在金属清洗和商业洗衣应用的性能评估

在寻找壬基酚烷氧基化合物的替代物时，第一步便是寻找具有相似性能的疏水部位。如图1所示，对比分析NPEO和Lutensol®TO疏水端üü醇的碳链长度和支化度，可以发现Lutensol®TO是最接近NPEO。相对于NPEO，Lutensol®TO在结合了一系列优点的同时，还兼顾了产品的安全性和生物降解性[2]。

第二步便是找出理化特性接近的替代品，如亲水亲油平衡值（HLB）和浊点（CP）。如图2所示，在相同的HLB值下，Lutensol®TO具有与NPEO最接近的浊点。基于以上对比，理论上，Lutensol®TO应当具备和NPEO在工业上的类似应用性能。

图1 各类醇乙氧基化合物疏水端的碳链长度和支化度结构的对比图

图2 Lutensol® TO和NPEO的浊点和HLB值对比图

Lutensol®TO是NPEO最理想的取代物，因为它具备以下性能：

* 易生物降解（OECD）

* 相当水平的乳化性能

* 更好的润湿性能

* 更好的去污性能

* 更低的凝胶倾向

乳化性能：

众所周知，表面活性剂对油的乳化性能取决于油的种类、乳化方法、表面活性剂用量以及水的硬度。以下结果比较了NPEO和Lutensol®TO在不同条件下的乳化性能。

长时间乳化性能实验方法：乳液通过机械搅拌制备，具有更小而均匀的初始液滴粒径。本测试（BASF测试法）通过混合油（此处是石蜡油和葵花籽油）、水和表面活性剂，控制其油质量分数在30%，添加1%的乳化剂，使水的质量分数在69%，在23ºC下进行机械乳化，记录直至10%的油层（高度）析出的时间，即乳液分层时间。如图3和图4所示，Lutensol®TO比NPEO对石蜡油具有更好的乳化稳定性，而且Lutensol®TO可以提供更加宽泛的HLB适用性。对于葵花籽油，如果选择合适的HLB值，Lutensol®TO可以表现出比NPEO更好的乳化性能。

图3 各种醇乙氧基化合物与NPEO对石蜡油的长时间乳化性能对比（不同HLB值下，10%油层析出时间）

图4 各种醇乙氧基化合物与NPEO对葵花籽油的长时间乳化性能对比（不同HLB值下，10%油层析出时间）

短时间乳化性能对比：对于表面活性剂，除了考察长时间乳化力以外，不少清洗应用需要表面活性剂在少量能量作用下，就能达到快速乳化油污的效果，即短时间乳化力。这样的乳化实验通常是通过手动震荡完成。张惠文等[3]报道了如下的测试条件和结果：45ºC下，制备了一系列具有不同硬度但pH均为11的0.5%表面活性剂水溶液。随后，加入2mL测试油，通过手动震荡完成乳化，震荡结束立刻检测乳液稳定性。在如上所述的测试中，乳化油是典型的国内金属加工油（包括5号白油、发动机油和轧制油），测试水的硬度包括了软水、150ppm硬水和300ppm硬水。测试对比了基于壬基酚（NP）、支链化十三碳醇（Lutensol®TO类）和线性12/14碳醇（AEO）的乙氧基化合物乳化性能。测试结果列在下表1中，字母后面的数字表示了分子中平均乙氧基化程度。结果表明：Lutensol®TO8和NP9具有相似的乳化性能，而在高硬度水中，Lutensol®TO8对发动机油和5号白油的乳化力均优于NP9和AEO9。

总体来看，不管是使用BASF测试方法还是使用其他工业测试法，Lutensol®TO在短时间乳化效率和长时间乳化稳定性上都和NPEO处于相当水平，在一些特定的场合下还优于NPEO。

表1 Lutensol® TO8、NP9和AEO9乳化性能对比

润湿性能：

乳化力是所有清洗应用中都需要考量的性能，而对织物的润湿力则是对商业洗衣房应用最关键性能。表5是一系列润湿测试的结果。测试对比了不同系列壬基酚（NP）、线性12/14碳醇（AEO）和支链化十三碳醇（Lutensol®TO类）乙氧基化合物的润湿性能。测试是根据欧洲标准（EN1772）[4]完成的，即将一块棉布用一种规定形状的夹具浸入40ºC水溶液中，水溶液中含有1g/L表面活性剂和2g/L苏打，记录织物从浸入水中到完全落下的时间。越短的落下时间表明表面活性剂溶液移除织物内固定气泡的速度越快，即表明具有更好的润湿性能。对比图5中蓝线（Lutensol®TO）和红线（NPEO）时，可以发现Lutensol®TO的润湿性能要明显好于NPEO。

图5 Lutensol® TO和NPEO对棉织物润湿性能的对比

在配 方中的润湿和乳化性能

以上列举的例子都是基于单个表面活性剂性能的对比。然而，在实际应用过程中非离子表面活性剂基本都是作为配方的一部分，配方中往往包括阴离子表面活性剂、溶剂和鳌合剂等等。因此，对比含有NPEO和Lutensol®TO配方的相关性能很有必要。卢志敏等[5]发表了一篇相关研究，阐述了如何将非离子表面活性剂、磺酸盐阴离子表面活性剂和助溶剂二丙烯乙二醇丁醚进行复配，并对比配方的乳化性能。文章的重点是对比NPEO与Lutensol®TO和AEO7、AEO9混合物在这类配方中呈现的乳化性能。

根据文章中简述的测试方法，对不同配方溶液的乳化力和润湿性能进行测试比较。润湿：测试棉布在1.5%表面活性剂质量分数水溶液中下落6cm的时间。乳化：在100mL具塞量筒中混合40mL 0.1%表面活性剂水溶液和40mL白油，3次时长为10min的手动震荡，每次间隔1min，记录10mL油分层析出的时间。结果显示：通过复配直链醇乙氧基化合物，配方的乳化性能不能达到NPEO配方的性能。举例而言，NP10的乳化性能远好于AEO7∶AEO9为1∶1的乳化性能。而通过复配Lutensol®TO支链醇乙氧基化合物，配方的乳化性能和润湿性能得到极大地改善。通过优化配方中的溶剂和表面活性剂，有些配方的性能能够达到甚至超越复配NPEO的配方，正如文例所示 TO10、AEO7和二丙烯乙二醇丁醚 的复配组合。

商业洗衣房条件下的去污性能对比

一个好的商业洗衣房配方通常会兼顾如下几个方面：包括对织物良好的润湿力，对油污的强乳化力和针对复杂特殊颗粒油污的高效去除力。典型的商业洗衣房乳化剂配方不仅仅包含单一的非离子表面活性剂，它们至少包含两种非离子表面活性剂，这些非离子表面活性剂具有相同或不同的亲水端，但其烷氧基化程度肯定不一样。这样的组合可以确保配方在兼顾污渍去除的同时对泡沫进行控制。

在接下来的测试中，我们通过复配不同非离子表面活性剂于一个典型的商业洗衣配方来测试一系列商业洗衣房污渍的去污力，来对比不同程度乙氧基化的Lutensol®TO组合和不同程度乙氧基化的壬基酚聚氧乙烯醚组合的去污力，后者是中国商业洗衣配方的主要成分。测试配方：4%直链烷基苯磺酸盐，12%非离子表面活性剂（可以是单一组分也可以是混合物），2.5%皂，0.5%丙烯酸均聚物钠盐（Sokalan®PA 25 Cl FR），5%NaOH，15%三乙醇胺和5%单乙醇胺。测试污布包括JB03（皮脂棉布），WFK30C（羊毛脂聚酯布）和WFK10C（羊毛脂棉布）。洗涤条件：污布在Launder-O-Meter中75ºC下洗涤15min，水的硬度调节为250mg CaCO3/L（Ca/Mg=3∶2），洗涤后使用100ppm硬度自来水漂洗4min。

图6 Lutensol® TO5、Lutensol® TO8组合与NP10、NP4组合洗涤性能对比

5∶3比例的NP10/NP4复配组合是一种典型且广为接受的传统NP组合。图6对此组合的清洗效果与应用于商业洗衣的一系列Lutensol®TO组合进行了对比，也就是Lutensol®TO5和Lutensol®TO8的组合。结果显示对于图中所列组合，Lutensol®TO5和Lutensol®TO8都展现出了与NP4和NP10类似的去污力，有些甚至优于后者，从这点来看，Lutensol®TO的确是NPEO的最佳替代品。

商业洗衣房的工业应用结果

在张惠文的文章中，他对比了NPEO及其混合物、Lutensol®TO、椰油酰胺丙基甜菜碱和非离子表面活性剂组合的性能。使用的测试方法如下：将污布JB01（碳黑棉布），JB02（蛋白棉布），JB03（皮脂棉布）和辣椒油布在硬度为250mg CaCO3/L（Ca/Mg=3∶2）的75ºC水中洗涤，NaOH质量分数调节至0.3%，表面活性剂浓度为0.07%，水溶液的pH调节在11.9～12.0，超声洗涤织物样品6min。

表2是污布的清洗结果对比，对所测试表面活性剂组合的去污力做了排名。显而易见：Lutensol®TO组合的去污力要优于单个NPEO（NP9）以及NPEO组合（NP10+NP4）。

总而言之，商业洗衣的工业应用结果和实验室测试结果都清晰的表明：与NP4和NP10的组合相比较而言，Lutensol®TO8和Lutensol®TO5的组合或者Lutensol®TO10和Lutensol®TO5的组合具有相当或者更好的去污力。在过去的3年中，国内主流商业洗衣客户已经开始使用基于Lutensol®TO的配方作为替代NPEO配方的高效工具。

表2 不同非离子表面活性剂的去污力排名

2 NPEO取代-节能与节水

可持续性方面的需要

图7给出了中国工业及公共设施清洁典型的成本结构概览[6]。从图中可以非常清晰的看到：最大的贡献来自水和能源，占到高达35%的比例，其次是人力成本，配方中的化学组分仅占整个清洗过程总成本的8%。因此，能够降低水和能源消耗的配方组分对于整个行业来说是非常具有吸引力的，因为由此带来的成本降低非常显著。

图7 工业及公共设施清洁工艺成本分析

可持 续性和节水：降低洗涤温度

商业洗衣房最常用的温度是75ºC。对于新兴市场譬如中国，持续的成本压力使得终端客户和设备供应商不断优化洗涤工艺，降低洗涤温度则能显著降低洗涤成本。基于近年被洗涤织物的种类和污垢附着程度的变化，洗涤温度趋于从75ºC降至50ºC，然而降低洗涤温度总是意味着清洗效率的降低，因此，非常有必要对配方进行改进，从而补偿因低温带来的洗涤力损失。图8展示了NPEO（NP4和NP10的组合）复合配方由于降低洗涤温度（75ºC至50ºC）而导致的洗涤效率损失。因此，寻找到一种在50ºC时洗涤效率能够被接受且不逊于NPEO的表面活性剂或其组合来取代NPEO是非常关键的。

表面活性剂筛选：对于给定的洗涤温度，浊点是区分表面活性剂是否适应此温度的重要工具。当在同样的HLB值下对比Lutensol®TO和NPEO的浊点时，50ºC的洗涤温度下，与NP4与NP10（商业洗衣行业中使用非常广泛的两种表面活性剂）的浊点相比较而言，Lutensol®TO5更接近于50ºC的洗涤工作温度。图9展示了Lutensol®TO和NPEO系列浊点与HLB值的关系概略图，可作为筛选APEO替代物的便捷工具。

图8 NP4和NP10在75ºC和50ºC时的去污力对比

图9 在选定温度区域内Lutensol® TO和NPEO浊点的对比

性能评估：基于如上的筛选标准，我们对这两类表面活性剂在实际商业洗衣配方中的表现进行了评估。图10展示了配方和洗涤条件。图11的对比结果清晰地展示了在50ºC的洗涤温度下，Lutensol®TO5和Lutensol®TO8的去污效果要优于NP10和NP4，前者与前面的浊点-HLB值分析筛选结果一致。因此，可以得出结论：Lutensol®TO5适合于50ºC的洗涤温度。

图10 配方和洗涤条件

根据图11的结果，我们特别对比了75ºC和50ºC下复配各个表面活性剂配方的洗净力（图12所示）。正如预测，降低洗涤温度会带来洗净性能的损失，而通过对比不同洗涤温度下的洗涤结果可以发现非常有趣的一点：就是50ºC下Lutensol®TO5的洗净力比NP4和NP10在75ºC下更为出色。同时我们也发现与基于直链C12/14脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO9）配方的洗净力比较而言，相比之下支链化C13的Lutensol®TO类表面活性剂在同一测试配方中的洗净力表现要更为出色。

总体来看，Lutensol®TO5和Lutensol®TO8不管是单独使用或者复配使用，都能够在较低的温度下保持出色的洗净力，从而达到节约能源的目的。

可持续性和成本节约：节水及泡沫控制

图11 50ºC时各个复配表面活性剂配方的洗涤能力对比

图12 不同表面活性剂复配配方在75ºC和50ºC时洗净力的对比

对于商业洗衣房的客户来说，有效而经济的泡沫控制至关重要，这其中非离子表面活性剂及其组合扮演着至关重要的角色。非离子的泡沫性能会随着不同的应用温度条件而展现不同的性能，当应用温度高于其浊点时，醇乙氧基化合物展现出低泡，甚至消泡的特性。大部分非离子表面活性剂的浊点都是低于75ºC的洗涤温度的，此温度下的洗涤体系的泡沫比较易于控制。而将洗涤温度由75ºC降至50ºC时，洗涤体系的泡沫控制是商业洗衣房面临的一个挑战。所以，在洗涤温度降到50ºC后通过调整表面活性剂组合来达到泡沫控制是十分必要的。在前文中，我们已经介绍了低温下Lutensol®TO5和Lutensol®TO8对洗净力的贡献。在接下来的篇幅里，我们将介绍它们对控泡的贡献。

首先介绍一下动态泡沫仪测试方法：通过循环泵发泡，8min后停止泵工作，记录泡沫高度，待泡沫静置5min后，再次记录泡沫高度。由图13所示：Lutensol®TO5的起始泡沫量和静置后泡沫量都比NP10要少很多，在将Lutensol®TO5加入含有Lutensol®TO8的配方中后，泡沫显著降低。因此，可以得出结论：Lutensol®TO5在50ºC的洗涤温度下同时具有高效的洗净力和控泡力。

可持续性和成本节约：配方制备和各个组分的溶解性。

绝大部分非离子表面活性剂和水混合后都非常容易产生凝胶相，尤其在低温时更为明显。凝胶相缺点在于：配方制备过程中它们往往是配方的难点，需要加入溶剂来辅助溶解，或者升高温度加速溶解。在配方使用过程中，这些凝胶相也会使得液体洗涤剂在水中溶解较慢，尤其在低温时更为明显。

图13 50ºC时Lutensol® TO5、TO8及其混合物与NP10的泡沫性能对比

如果液体洗涤剂配方能够在较低的室温下以较低的黏度制备，从工艺上能够节约大量能源。配方的浓缩化同时也降低了包装和物流的费用。如果表面活性剂复配配方能在5～10ºC这样较低的温度下，降低配方黏度，这将是对成本节约和可持续性发展最关键的贡献。

图14 Lutensol® TO与NPEO凝胶相对比

图14 比较了乙氧基化程度不同的非离子表面活性剂在不同浓度水溶液下的黏度和凝胶倾向。显而易见：支链化异构13碳醇乙氧基化合物与NPEO表面活性剂相比，具有更低的黏度和更窄的凝胶相。因此，支链化异构13碳醇乙氧基化合物能够为降低配方的高黏度和凝胶倾向提供一个很好的解决方案。

3 总结

总体来看，Lutensol®TO类支链13碳醇乙氧基化合物能够通过三个方面对工业及公共设施清洗行业可持续性发展和成本节约做出显著贡献：

图15 Lutensol® TO较NPEO在性能上的优点

第一，它们是完美、安全且环境友好的壬基酚聚氧乙烯醚化合物的替代方案（如图15所示）。其次，在洗涤温度由75ºC降至50ºC时，它们比壬基酚聚氧乙烯醚化合物具有更优异的洗涤力和泡沫控制力，有利于节约能源。此外，Lutensol®TO类的支链13碳醇乙氧基化合物能够通过降低配方黏度来促进浓缩化进程，带来材料、能源和物流节约化，继而降低生产、运输、使用和包装处理各个环节的碳排放量，促进环境和社会的可持续性发展。