Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑的合成及性能研究

Gemini表面活性劑是由兩個(gè)雙親分子的離子頭基經(jīng)連接基團(tuán)通過(guò)化學(xué)鍵連接而成，又稱雙子表面活性劑。與傳統(tǒng)表面活性劑相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如低臨界膠束濃度(CMC)、低Krafft點(diǎn)、低溫水溶性、潤(rùn)濕性、流變性、增溶性等。與傳統(tǒng)表面活性劑復(fù)配成混合體系產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)可有效降低表面張力，并具有很好的鈣皂分散能力，廣泛應(yīng)用于乳化、清潔、油田開(kāi)發(fā)[1～3]等領(lǐng)域。目前對(duì)Gemini表面活性劑的研究很多[4～9]。

作者在此以十二烷基二甲基叔胺和1，3-二氯丙烷為主要原料合成一種對(duì)稱的Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑[10,11]，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。

反應(yīng)方程式為：

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

十二烷基二甲基叔胺，分析純，天津瑞金特化學(xué)品有限公司；1，3-二氯丙烷，分析純，上海三思試劑有限公司；正丙醇、鹽酸，分析純，石家莊永正化工有限公司；丙酮，分析純，江蘇省泰興市化學(xué)試劑廠;鈉基膨潤(rùn)土，工業(yè)級(jí)，成都優(yōu)武特科技有限公司。

WRS-1B型數(shù)字熔點(diǎn)儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司；Avator 360型FTIR紅外光譜儀，美國(guó)Nicolet公司；DDSJ-308A型電導(dǎo)率儀,上海第二分析儀器廠；TDL-5-A型低速大容量離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 十二烷基二甲基叔胺鹽酸鹽的制備[12]

在攪拌狀態(tài)下，往三口瓶中加入適量的蒸餾水和鹽酸溶液；緩慢加熱，控制溫度在40℃左右，滴加適量的十二烷基二甲基叔胺，攪拌反應(yīng)2 h,冷卻，即得十二烷基二甲基叔胺鹽酸鹽。

1.2.2 Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑的合成

反應(yīng)溶劑選用正丙醇-水溶液。將十二烷基二甲基叔胺鹽酸鹽、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，在回流溫度下攪拌反應(yīng)20 h，減壓蒸餾，即得Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑粗品。

1.2.3 產(chǎn)品純化

用丙酮對(duì)Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑粗品進(jìn)行重結(jié)晶，真空干燥，密封保存。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑的IR光譜結(jié)果表明：2920 cm-1、2855 cm-1處為-CH3、-CH2-的伸縮振動(dòng)吸收峰；1467 cm-1處為-CH3、-CH2-的對(duì)稱彎曲振動(dòng)吸收峰；500～720 cm-1和1000～1200 cm-1處為C-C、C-Cl、C-N的特征吸收峰。

2.2 熔點(diǎn)的測(cè)定

用WRS-1B型數(shù)字熔點(diǎn)儀對(duì)合成的Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定。結(jié)果表明，Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑在190℃開(kāi)始融化，195℃融化完全。這可能是因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)程中有少量單季銨鹽生成，致使熔點(diǎn)有一個(gè)變化區(qū)間。

2.3 臨界膠束濃度(CMC)的測(cè)定[13,14]

CMC是表面活性劑在界面吸附達(dá)到飽和、開(kāi)始形成膠團(tuán)時(shí)的濃度，是表面活性劑的重要性能參數(shù)，可作為其表面活性的量度。當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到CMC時(shí)，溶液的表面張力降低至最低值，若再提高表面活性劑的濃度，表面張力不再降低而形成大量膠團(tuán)。CMC值越小，表面活性越好。離子表面活性劑在水溶液中會(huì)電離出帶電荷的離子，表面活性劑的濃度小于CMC時(shí)表現(xiàn)為電解質(zhì)的導(dǎo)電行為；一旦達(dá)到CMC，表面活性劑開(kāi)始形成膠團(tuán)，此時(shí)溶液的許多性質(zhì)如表面張力、滲透壓、電導(dǎo)率、摩爾電導(dǎo)率等都會(huì)發(fā)生突變。

室溫下，Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑的電導(dǎo)率-濃度曲線如圖1所示。

圖1 電導(dǎo)率-濃度關(guān)系曲線

由圖1可以看出，曲線在某個(gè)濃度有個(gè)突變，該點(diǎn)即為電導(dǎo)率發(fā)生突變的位置，所對(duì)應(yīng)的濃度即為CMC,其值為9.68×10-4mol·L-1，比傳統(tǒng)表面活性劑的CMC值低2～4個(gè)數(shù)量級(jí)，證明產(chǎn)物為高性能的表面活性劑。

2.4 發(fā)泡性和穩(wěn)泡性的測(cè)定[15]

陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)具有很強(qiáng)的發(fā)泡性。將合成的Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑配制成0.1%的水溶液，在室溫下測(cè)量其發(fā)泡性和穩(wěn)泡性，并與SDS進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 發(fā)泡性和穩(wěn)泡性/mL

Tab.1Epispasticcharacterandstabilizationforbubble/mL

表面活性劑起始液高瞬時(shí)液高30 min后液高Gemini季銨鹽250 300 300 SDS250 345 338

由表1可以看出，合成的Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑的發(fā)泡性不及SDS，但是穩(wěn)泡性能非常好。

2.5 防膨率的測(cè)定

Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑可作為油田注采用的粘土防膨穩(wěn)定劑，有效防止粘土水化膨脹，保證采油通暢。

根據(jù)中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5971-94,采用離心法對(duì)合成的Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑進(jìn)行防膨率的測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑的防膨率-質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

由圖2可知，當(dāng)Gemini季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8‰時(shí)，其防膨率達(dá)到最大，為85.3%，防膨效果良好。

3 結(jié)論

以十二烷基二甲基叔胺和1，3-二氯丙烷為主要原料合成了Gemini季銨鹽表面活性劑，其CMC值為9.68×10-4mol·L-1，熔點(diǎn)為190℃，防膨率為85.3%，發(fā)泡與穩(wěn)泡性能良好，表面活性高，是一種高性能的Gemini陽(yáng)離子表面活性劑。

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