新型表面活性劑的研究進展

王 曼，強新新，王 平，劉美娜，梅曉丹

?

新型表面活性劑的研究進展

王 曼，強新新，王 平*，劉美娜，梅曉丹

（大連百奧泰科技有限公司，遼寧 大連 116025）

本文從結構和性能等方面介紹了幾種新型表面活性劑，論述其應用領域以及在工業上的應用現狀，并針對目前新型表面活性劑存在的問題，對其發展趨勢進行展望。

新型表面活性劑；應用；展望

表面活性劑是一類重要的精細化學品，具有潤濕或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗滌、防腐、抗靜電等作用，因此在工業和生活的各領域都有著廣泛的應用。

近年來，傳統類型的表面活性劑存在表面活性不高，增溶、協同作用差，及不易形成膠束等缺點，不能滿足目前工業應用上更高的需求[1]，因而一些具有特殊結構和功能的新型表面活性劑被相繼開發出來。本文將從結構特點及性能介紹幾種新型表面活性劑，并對其應用領域和發展趨勢兩方面展開論述。

1 新型表面活性劑的研究熱點

根據結構和功能特點的不同，新型表面活性劑主要分為以下七種類型。

1.1 Gemini型表面活性劑

Gemini型表面活性劑是指由兩個親水基團和兩個親油基團在其親水頭基處或靠近親水頭基處由一連接基團通過化學鍵連接而成的新型表面活性劑，如圖1。

Gemini型表面活性劑其獨特的結構可以有效地阻止離子頭基同名電荷的排斥作用，使極性基排列更加緊密，并不改變離子頭基的親水特性，從而大幅度降低表面能，是一種表面性能優越的新型表面活性劑[2]。與傳統的表面活性劑相比，其具有較高的表面活性，較低的臨界膠束濃度，更好的潤濕能力、起泡能力和獨特的流變性能[3,4]，這些特性已引起人們的關注。張光華等[5]通過甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，環氧氯丙烷，十二烷基叔胺，十四烷基叔胺和十六烷基叔胺合成了3種反應型陽離子Gemini表面活性劑，并驗證了合成的這3種表面活性劑具有較高的表面活性和較好的乳化性能。

圖1 Gemini表面活性劑的結構示意圖

1.2 Bola型表面活性劑

Bola型表面活性劑由一個疏水基連接兩個親水部分構成的兩親化合物，其結構如圖2。1951年，Fuoss將具有這種特殊結構兩親化合物稱為bolaform electrolyte，從此，Bola成為該類表面活性劑的簡稱。

Bola型表面活性劑在降低水表面張力的能力方面較差，同時在溶液表面的面積是同等條件下相應的經典表面活性劑所占面積的兩倍或更大，這可能是由于Bola分子具有兩個親水基，表面吸附分子在界面采取倒U型構象造成的。Bola型表面活性劑cmc較高，Krafft點較低，常溫下具有較好的溶解性。

圖2 Bola型表面活性劑的結構示意圖

1.3 生物表面活性劑

生物表面活性劑是微生物或植物在生長過程中，分泌出具有兩親結構的化合物。其可以吸附于界面、改變界面的性質。按照其親水基的類別，分為以下幾種：糖脂系生物表面活劑，酰基縮氨酸系生物表面活性劑，磷脂系生物表面活性劑和其他生物表面活性劑。

生物表面活性劑的特性是：微生物的代謝產物；較低的臨界膠束濃度；低毒甚至無毒；生物相容性好；具有較高的起泡性[6,7]。利用生物表面活性劑進行原油污染修復，提高石油回收率以及應用到食品、醫藥和生物工程等方面都成為研究的熱點[8]。

1.4 反應型表面活性劑

反應型表面活性劑是指包含親水基、親油基和反應基團的化合物，它能與所吸附的基體發生化學反應，從而成為基體的一部分。反應型表面活性劑能參與化學反應，而且反應后也不損失其表面活性[9]。

反應型表面活性劑已經被廣泛的應用于乳液、溶液、分散、無皂聚合以及功能性高分子材料的制備等各方面，不但可以顯著提高產品的性能，而且還可以研制出新型產品[10]。

1.5 螯合型表面活性劑

螯合型表面活性劑是一類具有螯合金屬離子功能的表面活性劑，由一個長鏈烷基或酰基和幾個相鄰的離子親水基構成，如N-酰基ED3A。螯合型表面活性劑同時兼具了表面活性和螯合性的特性，并且生物易降解，具有良好的環境兼容性[11]。

1.6 可解離型表面活性劑

可解離型表面活性劑是可以在完成其應用功能之后，通過酸、堿、鹽、熱或光的作用，被分解成不具有表面活性的物質或轉變成具有表面活性的新化合物的一類表面活性劑。

目前，已經被人們所熟知的該類表面活性劑的特點主要有：易于被分解和生物降解；分解后易于去除；可能產生具有新功能的解離產物。

1.7 冠醚類表面活性劑

冠醚類表面活性劑是一類具有特殊結構的大環多醚化合物，以冠醚作為親水基團，以冠醚環上連接的長鏈烷基、苯基等作為憎水基團。

冠醚的親水基不帶有羥基，親水性下降，隨著烷基鏈長度的增加，CMC降低，表面活性也降低，潤濕和起泡性能增加。冠醚類表面活性劑具有與金屬離子絡合的作用，形成可溶于有機溶劑相的絡合物，可以用作生物膜、離子選擇電極、相轉移催化劑等[12,13]。

2 新型表面活性劑的工業應用

2.1 石油開采

利用新型表面活性劑提高原油采收率，一直是石油領域科學家關注的前沿課題。在油氣田開采過程中，傳統表面活性劑作為驅油劑的效率較低，同時細菌腐蝕也會影響原油產量，而普通殺菌劑的長期使用還會導致細菌產生耐藥性，這些都成為影響原油采收率的障礙。新型表面活性劑由于自身獨特的分子結構和優良性能，可顯著提高驅油效率和殺菌效果，有效的解決了這些難題。

范海明等[14]研究發現Gemini表面活性劑/HPAM/堿三元復合體系可以降低油水界面張力和黏彈性能，能夠在水驅基礎上提高采收率20%以上。寧春瑩等[15]發現銅綠假單胞菌所產表面活性劑在高溫、高礦化度以及高堿度的條件下仍具有較高的表面活性和乳化能力，并且物理模擬驅油實驗提高采收率8%以上。

2.2 海洋原油處理

海洋上石油污染常被忽視，從而導致石油溢出時常發生，造成海灘，海洋生物和海岸線的損害，因此海洋石油污染是一個緊迫的環境問題[16]。利用生物技術處理石油污染物，是一種經濟效益和環境效益俱佳的手段。生物表面活性劑不僅可以促進石油烴的乳化，提高石油烴在水中溶解度及生物可利用性，而且低毒，易于生物降解[17]。目前，被報導的可以利用原油產生生物表面活性劑的細菌有食烷菌、海桿菌、迪茨氏菌等[18]。

Darvishi等[19]從重油污染土壤中分離出陰溝腸桿菌和假單胞菌，通過培養產生的生物表面活性劑對降解石油烴類物質有較好的效果。

2.3 涂料

在涂料行業，表面活性劑作為助劑成為涂料中不可或缺的重要組成部分，其主要的作用有以下幾點：1、加工過程中提高研磨效率，避免產生結皮：2、防止顏料凝聚的霉敗；3、施工過程中防止掛流；4、提高涂料的附著力；5、增加成膜過程中的光澤，防止浮色發花、縮孔；6、使涂層防霉、防污、防靜電等。

周海軍等[20]發現炔醇多功能表面活性劑可以有效解決體系的潤濕性，控制體系的泡沫，提高涂膜的耐水性能，改善涂料的重涂性。

2.4 皮革生產

表面活性劑已經成為皮革生產過程中必不可少的成分，廣泛的應用于各道生產加工工序。皮革生產中使用的新型表面活性劑除了具有經典表活的優異性，更增加了皮革的耐磨、耐干、阻燃等優良性能[21]。

2.5 其他方面

劉萍萍等[22]人發現Bola型表面活性劑對陽離子染料腈綸具有顯著的緩染作用，且不影響染料的最終上染百分率。呂文杰[23]等人通過對Gemini表面活性劑和聚電解質相互作用的分子動力學模擬，發現由于二者之間的強烈相互作用，能夠使聚電解質鏈從污泥絮體表面脫落，以及Gemini表面活性劑的存在，阻斷水分子與聚電解質鏈的結合，釋放出水，從而提高污泥的脫水程度。

3 新型表面活性劑的發展趨勢

3.1 綠色化

表面活性劑的應用已經深入到工農業生產的各個方面，因此，對于新型表面活性劑綠色化的研究十分重要。新型表面活性劑的綠色化主要是反應物、反應過程以及反應產物的綠色化，即在無毒、無害的條件下進行反應，使用無毒無害或可再生的原料，減少廢物向環境排放，生產出具有安全、能降解、可再利用的產物。

3.2 優質化

表面活性劑的品種和產量的增加，使市面上的產品魚龍混雜。這對表面活性劑科研院所和生產商既是機遇也是挑戰。各個生產企業要靠科技來不斷提高產品的質量，簡化合成的路線，降低生產成本，才能更好的為未來服務。

3.3 多樣化

終端產品制造商對表面活性劑的要求與日俱增，因此研究者們應選用特殊的表面活性劑或助劑來增強產品的某些功能，或開發具有新功能的表面活性劑，使產品之間形成差異化，從而拓寬表面活性劑的應用領域。

4 結束語

與傳統表面活性劑相比，新型表面活性劑具有成膠束能力強，cmc值低，降低表面張力效率高，水溶、增溶性好，與其他表面活性劑的配伍性好，環境相容性好等優點，使其在工業和學術領域的應用開發及理論研究均具有重大的意義。隨著科學技術發展的日益完善，綠色化、多樣化和優質化的新型表面活性劑將具有更廣闊的發展前景。

[1] 魏志華．國內外表面活性劑的現狀與發展趨勢[J]．中國石油和化工經濟分析，2014(9)：46-50．

[2] Tian M，Fan Y，Ji G，et al．Spontaneous aggregate transition in mixtures of a cationic gemini surfactant with a double-chain cationic surfactant[J]．Langmuir，2012，28(33)：12005-12014．

[3] 董彬，周陳秋，劉亞飛，等．新型Gemini表面活性劑的合成及表面性能[J]．上海大學學報：自然科學版，2015，21(3)：370-375．

[4] 杜拴麗，胡志勇，李歆，等．新型Gemini表面活性劑溶液粘濃效應的研究[J]．中北大學學報：自然科學版，2010，(6)：600-603．

[5] 張光華，秦松，黃鳳萍，等．系列反應型陽離子Gemini表面活性劑的合成及性能[J]．化工進展，2015，34(11)：4030-4034．

[6] Mohanram R，Jagtap C，Kumar P．Isolation，screening，and characterization of surface-active agent-producing，oil-degradingmarine bacteria of Mumbai Harbor[J]．Marine pollution bulletin，2016，105(1)：131-138．

[7] 王巖峰．生物表面活性劑產生菌的分離及其產物性質的研究[J]．廣東化工，2016，43(12)：85-87．

[8] LIU Zhi-feng，ZENG Gung-ming，ZHONG Hua，et al．Production and characterization of biosurfactant from Bacillus subtilis CCTCC AB93108[J]．Journal of Central South University，2010，17(3)：516-521．

[9] 張世朝．特種表面活性劑和功能性表面活性劑（Ⅸ）——反應型表面活性劑的研究進展[J]．日用化學工業，2010，40(4)：296-300．

[10] 黃穎虹，鄭成，林璟，等．反應型季銨鹽表面活性劑的合成與應用研究進展[J]．日用化學工業，2014，44(3)：1641-1648．

[11] 牛瑞霞，龍彪，李柏林．螯合型表面活性劑NaLED3A的合成及性能[J]．精細石油化工．2011，28(1)：45-49．

[12] 方艾，王娟，雷英．冠醚型表面活性劑的特性與應用[J]．內蒙古石油化工，2010，36(9)：6-8．

[13] 李云霞，張桂菊，徐寶財．特種表面活性劑和功能性表面活性劑(ⅫⅠ)——冠醚型表面活性劑的合成及應用進展[J]．日用化學工業，2010，40(5)：139-145．

[14] 范海明，孟祥燦，郁登朗．Gemini型表面活性劑三元復合體系性能和驅油效果[J]．石油化工高等學校學報，2014，27(1)：79-83．

[15] 寧春瑩，李政，顧貴洲，等．糖脂類生物表面活性劑在采油中的應用[J]．遼寧石油化工大學期刊社，2016，36(2)：13-16．

[16] Wang W，Cai B，Shao Z．Oil degradation and biosurfactantproduction by the deep sea bacterium Dietzia maris As-13-3[J]．Frontiers in microbiology，2014，5：711．

[17] Dash，P．，Mukherjee，S．，Sen，R．Biosurfactant of marine originexhibiting heavy metal remediation properties．Bioresour Technol，2009，100：4887-4890．

[18] Bonin P，Vieira C，Grimaud R，et al．Substrates specialization in lipid compounds and hydrocarbons of Marinobacter genus[J]．Environmental Science and Pollution Research，2015，22(20)：15347-15359．

[19] Darvishi P，Ayatollahi S，Mowla D，Niazi A．Biosurfactant production under extreme environmental conditions by anefficient microbial consortium，ERCPPI-2[J]．Colloids and Surfaces B Biointerfaces，2011，87：292-300．

[20] 周海軍，唐曉華，楊朝輝，等．新型炔醇多功能表面活性劑在水性木器涂料中的應用[J]．中國涂料，2012，27(4)：61-64．

[21] 蔡福泉，周書光，田志勝，等．新型有機硅水性聚氨酯皮革涂飾劑的研究與開發[J]．中國皮革，2011，(15)：7-9．

[22] 劉萍萍，繆培培，王祥榮．陽離子Bola型表面活性劑的合成及在腈綸染色中的應用[J]．印染助劑，2011，28(12)：22-24．

[23] 呂文杰，胡耀峰，詹必才，等．表面活性劑對污泥脫水性能影響的的機理研究：Gemini表面活性劑與聚電解質相互作用的分子動力學模擬[J]．物理化學學報，2014，30(5)：811-820．

Research Progress of New Surfactants

,,,,

（Dalian BITeomics, Inc, Liaoning Dalian 116025, China）

The characteristics of new surfactants and their application in industry were discussed from the aspects of research hotspots and application fields. Existing problems in application of new surfactants were analyzed; the development trend of new surfactants was prospected.

new surfactant; application; prospect

TQ423.9

A

1004-0935（2017）03-0256-04

2016-12-21

王曼，女，碩士，山東省菏澤市人，2016年畢業于天津科技大學化學工程專業，研究方向：從事油田用劑研究開發工作。

王平（1978-），女，中級，博士，研究方向：主要從事油氣田開發及提高采收率方法。郵箱：wangping@biteomics.com。