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特种表面活性剂和功能性表面活性剂
概  述:
简要介绍了含氟表面活性剂的结构、性质和分类,详细阐述了目前工业生产含氟表面活性剂的3种合成方法以及各种方法的优缺点,最后讨论了含氟表面活性剂在石油工业、消防和生物医药等领域的应用现状,并展望了其研究开发方向及发展趋势。
内  容:
普通表面活性剂的疏水基一般是碳氢链,称为碳氢表面活性剂。若将碳氢链中的氢原子部分或者全部替换成为氟原子,就成为含氟表面活性剂,或称碳氟表面活性剂(fluorocarbon surfactants),它是最重要的一种特殊表面活性剂。由于它有许多优良的性能,目前已逐渐成为表面活性剂行业研究的热点。
1含氟表面活性剂的结构、特性和分类

碳氢表面活性剂中的C-H链上的H原子被F原子取代,成为碳氟表面活性剂。碳氢链中的氢原子全部被氟取代的称为全氟表面活性剂,部分被氟取代的称为部分氟表面活性剂,目前应用的含氟表面活性剂大多是全氟表面活性剂。随着碳氢链转变成为碳氟链,物理化学性质呈现出明显的差异,比如含氟表面活性剂合成较为困难;在各类表面活性剂中,含氟表面活性剂具有最佳的活性等。

由于含氟表面活性剂的特殊结构,使其表现出其他表面活性剂所没有的一些特性,常被概括为“三高”、“两憎”,即高表面活性、高耐热稳定性及高化学稳定性;它的含氟烃基既憎水又憎油。
表面活性剂的效果与表面性质和表面活性剂的结构密切相关,研究表明,含氟表面活性剂在降低氟碳化合物/水界面张力时尤为出色[1]。含氟表面活性剂是迄今为止所有表面活性剂中表面活性最强的一种,由于其临界胶束浓度很低(10-5mol/L~10-6mol/L),用量比碳氢表面活性剂小得多,在极低的浓度下(普通表面活性剂的l/10到1/100)就能使水的表面张力降至20 mN/m以下, mN/m[2]。含氟表面活性剂有很高的耐热性,如固态全氟辛基磺酸钾在420℃加热5 h不分解[3],因而可在300℃以上使用,这是一般表面活性剂远远不及的。含氟表面活性剂可抵抗强氧化剂、强酸和强碱的作用,表现出极高的化学稳定性。
研究表明,含氟表面活性剂的高表面活性是由于其分子间的范德华力小造成的,表面活性剂分子从水溶液中移至溶液表面所需的张力小,导致了表面活性剂分子在溶液表面大量的聚集,形成强烈的表面吸附,而这类化合物不仅对水的亲和力小,而且对碳氢化合物的亲和力也较小,因此形成了既憎水又憎油的特性,使其可应用于不同场合。

与普通表面活性剂类似,含氟表面活性剂依其结构可分为阴离子型、阳离子型、非离子型以及两性离子型4种类型[4]。
阴离子含氟表面活性剂在溶液中解离后,根据解离出的阴离子结构不同,又可分为羧酸盐型(RfC00-M+)、磺酸盐型(Rfs03-M+)、硫酸酯盐型(RfOS03-M+)和磷酸酯盐型(RfOP(0)02-2M+2)等几大类。其中R为氟碳疏水基,M+为无机或有机反离子。有些阴离子含氟表面活性剂含有非离子的聚氧乙烯基片段以增加含氟表面活性剂的水溶性及其与阳离子或两性表面活性剂的兼容性。
阳离子含氟表面活性剂主要分为胺盐型和季铵盐型两大类,目前对这两类含氟表面活性剂的研究较多。其中季铵盐型