羟基和酯基型Gemini双季铵盐表面活性剂在煤沥青表面的润湿特性

高晓荣，崔勇，赵晓霞，魏文珑，常宏宏,

(1太原科技大学化学与生物工程学院，山西 太原 030021；2太原理工大学化学化工学院，山西 太原 030024；3道路结构与材料交通运输行业重点实验室（北京），北京 100088）

羟基和酯基型Gemini双季铵盐表面活性剂在煤沥青表面的润湿特性

高晓荣1，崔勇2，赵晓霞1，魏文珑2，常宏宏2,3

(1太原科技大学化学与生物工程学院，山西 太原 030021；2太原理工大学化学化工学院，山西 太原 030024；3道路结构与材料交通运输行业重点实验室（北京），北京 100088）

以自制的羟基和酯基型Gemini双季铵盐表面活性剂为研究对象，在考察其表面活性的基础上，进一步研究了表面活性剂在煤沥青表面的润湿性。研究表明，羟基型Gemini表面活性剂在煤沥青表面的接触角随疏水链长度的增长呈先减小后增大趋势，其中C12-OH在煤沥青表面的润湿效果最好；对于m-n-m酯基型Gemini表面活性剂而言，接触角随疏水链长度的增长而降低。当疏水链长度一定时，m-6-m在煤沥青表面的润湿效果比m-2-m好。在一定浓度范围内，C10-OH、C12-OH和12-2-12 3种Gemini表面活性剂的表面张力与其在煤沥青表面黏附张力呈线性关系。煤沥青表面的Zeta电位随Gemini表面活性剂浓度的增大呈先增大后趋于平稳的趋势。

Gemini双季铵盐表面活性剂；羟基；酯基；煤沥青；润湿

Key words: Gemini quaternary ammonium salt surfactants; hydroxyl; ester; coal tar asphalt; wettability

引 言

煤沥青是煤焦油加工的最大宗产物，其加工利用水平和效益对整个煤焦油产业而言非常重要，因此进一步扩展煤沥青新的应用基础研究具有重要的意义[1-3]。本文课题组参照水煤浆[4]提出了煤沥青水浆的概念[5-6]，并针对分散剂与浆体性质进行了大量研究工作，前期研究发现分散剂对煤沥青表面的润湿是影响煤沥青水浆制备的关键因素[7-9]。

Gemini表面活性剂作为新型表面活性剂，较传统表面活性剂表现出更加优异的性能，而在传统Gemini双季铵盐表面活性剂结构中引入酯基、羟基等官能团可进一步拓展其应用领域和功能。酯基型Gemini双季铵盐表面活性剂同时兼具了普通Gemini季铵盐表面活性剂的高表面活性和酯类季铵盐的可分解性，属于环境友好型Gemini型表面活性剂[10]；在传统Gemini 表面活性剂结构中引入羟基后可使表面活性剂具有更强的聚集能力，并能有效促进蠕虫状聚集体生长、增强体系的黏弹性[11]。目前关于酯基型、羟基型表面活性剂的研究大多仅涉及一种或两种表面活性剂，结构较单一，不利于综合考察疏水链、联接基等结构因素对表面性能和应用的影响。

鉴于上述原因，本文合成系列羟基型和酯基型Gemini双季铵盐表面活性剂，在对其表面活性进行研究的基础上，重点考察系列Gemini双季铵盐表面活性剂在煤沥青表面的润湿和吸附规律，为煤沥青水浆的制备提供理论依据。

1 实验材料和方法

1.1 Gemini双季铵盐表面活性剂的合成及性质

在装有磁力搅拌器和冷凝管的反应瓶中依此加入正丁醇、环氧氯丙烷、N,N-二甲基叔胺和浓盐酸，升温回流反应8h，反应液浓缩后用丙酮重结晶3次，经真空干燥后得到羟基型Gemini双季铵盐表面活性剂。合成反应方程式如下

式中，n=10, 12, 14, 16, 18；产物结构简写为Cn-OH。

在装有磁力搅拌器和冷凝管的圆底烧瓶中加入2-氯乙醇、二酸化合物和浓硫酸，以丙酮为溶剂回流反应 8 h，反应液经浓缩、饱和 NaHCO3溶液洗涤、二氯甲烷萃取、饱和NaCl溶液洗涤后再浓缩处理得到中间体。将上步中间体与长链叔胺混合以乙酸乙酯为溶剂回流反应60 h，反应毕，反应液浓缩后用石油醚、乙醚分别洗涤3次，再用乙酸乙酯重结晶3次后真空干燥即得系列酯基型Gemini双季铵盐表面活性剂。合成反应方程式如下

式中，n=2, 6；m=12, 14, 16；产物结构简写为m-n-m。

采用Bruker AVANCE Ⅲ 400 MHz、600 MHz核磁共振仪对上述产物结构进行了确证。将合成的Gemini表面活性剂分别配成系列浓度溶液，采用上海中晨 JK99C型全自动表面张力仪以白金环法测定25℃左右时不同浓度Gemini表面活性剂溶液的表面张力，白金环下降速度为1 mm·s−1，浸没在溶液中的深度为3 mm，每次实验至少测量5次，误差不超过0.2 mN·m−1。白金环每次使用后用火灼烧再用蒸馏水清洗。由表面张力测试结果得到系列产物的表面性质参数见表1。由结果可知，Cn-OH型Gemni表面活性剂的CMC随疏水链的增长而减小，这是因为在表面活性剂同系物中，疏水链的增长会导致胶团聚集数增加，更易形成大量胶团，进而使得CMC值变小。疏水链每增加两个碳原子，CMC值约下降1/2，这与传统离子型表面活性剂同系物中每增加一个碳原子CMC下降1/2表现不同。与疏水链更短的同系物相比，C18-OH的CMC值低1～2个数量级，表面活性最好。从总体情况分析，Cn-OH型Gemini表面活性剂疏水链的变化对γCMC的影响较小。

n-2-n和 n-6-n酯基型 Gemini表面活性剂的CMC均随疏水链的增长而减小，与羟基型Gemini表面活性剂的变化规律一致。系列酯基 Gemini表面活性剂的γCMC没有明显的变化规律，即疏水链对酯基 Gemini表面活性剂的 γCMC影响也较小。

表1 羟基和酯基型Gemini双季铵盐表面活性剂的性质Table 1 Surface properties of Gemini quaternary ammonium salt surfactants with ester bond and hydroxyl

1.2 Gemini表面活性剂在煤沥青表面的润湿性

将煤沥青冷冻粉碎制得煤沥青粉，用压片机制得直径约1 cm的煤沥青薄片，然后用乙醇清洗后晾干。采用美国科诺SL200B型接触角仪测定Gemini表面活性剂溶液在煤沥青表面的平衡接触角，平衡接触时间为60 s，反复测量5次后取平均值，测试精度为±0.1°。在此基础上结合表面张力数据计算铺展系数和黏附功，讨论Gemini表面活性剂在煤沥青表面的润湿性和吸附性，探讨Gemini表面活性剂在煤沥青表面的润湿机理。

1.3 煤沥青表面Zeta电位的测试

选择对煤沥青润湿效果较好的 Gemini表面活性剂为研究对象，分别在50 ml表面活性剂溶液中加入1.0 g煤沥青粉后振荡30 min，离心分离后取1 ml上层溶液，采用上海中晨数字技术设备有限公司JS94H型微电泳仪测量 Zeta电位，测试精度为±0.01 mV，误差≤5%。

2 实验结果与讨论

2.1 平衡接触角

采用座滴法测定 25℃时不同浓度羟基和酯基型 Gemini表面活性剂溶液在煤沥青表面的平衡接触角，结果见图1。

图1 Gemini表面活性剂在煤沥青表面的接触角Fig.1 Static contact angle of Gemini surfactants on coal pitch surface

由图可知，Gemini表面活性剂在煤沥青表面的接触角随浓度的增大先急速减小后趋于恒定。对于羟基型Gemini表面活性剂而言，接触角随疏水链长度的增长呈先减小后增大的趋势，其中 C12-OH在煤沥青表面的润湿效果最好，表明羟基型 Gemini表面活性剂在煤沥青表面的润湿效果受疏水链的影响较大。5种羟基型Gemini表面活性剂中C10-OH的表面活性最差，导致其在煤沥青表面的润湿效果也较差；其余4种表面活性较好的表面活性剂，虽然随着疏水链的增长表面活性呈增强趋势，但同时疏水链的增长会导致羟基型 Gemini表面活性剂在水溶液中易形成蠕虫状胶束或枝状胶束，通过相互间缠绕形成网状结构和胶束、囊泡之间的串连，呈胶体状，进而影响其在煤沥青表面的润湿效果。

对于酯基型 Gemini表面活性剂而言，接触角随疏水链长度的增长而降低，当疏水链长度一定时，m-6-m在煤沥青表面的润湿效果比m-2-m表面活性剂好，其原因是随着联接基长度的增大，表面活性剂的头基和反离子间的静电斥力降低而连接基的存在从根本上克服了传统的单离子型表面活性剂由于离子头基间的电荷斥力或水化引起的分离倾向，促进了其在界面或分子聚集体中的紧密排列。

2.2 铺展系数

铺展是固-液界面取代固-气界面同时增大气-液界面的过程，铺展系数的计算公式为

由式（1）可知，S越大，铺展性能越好。由此得到羟基和酯基型 Gemini表面活性剂在煤沥青表面润湿铺展系数与浓度的变化关系见图 2。结果表明，Gemini表面活性剂在煤沥青表面铺展系数随表面活性剂浓度的增大先急速增大后保持平稳。对于Cn-OH型Gemini表面活性剂而言，铺展系数随疏水链长度的增长呈先增大后减小的趋势，其中C12-OH在煤沥青表面的润湿效果最好。对于m-n-m酯基型Gemini表面活性剂而言，当表面活性剂浓度达到CMC后，6种Gemini表面活性剂在煤沥青表面的铺展系数S均接近于0，说明它们均可以在煤沥青表面完全铺展开，能将中等极性的煤沥青表面转化为强亲水表面。

图2 Gemini表面活性剂在煤沥青表面的铺展系数Fig. 2 Spreading coefficient of Gemini surfactants on coal pitch surface

2.3 气-液和固-液界面的吸附性质

羟基和酯基型Gemini表面活性剂的表面张力γLV与其在煤沥青固体表面黏附张力γLVcosθ的关系曲线见图3。

图3 Gemini表面活性剂在煤沥青表面黏附张力和表面张力的关系Fig. 3 Dependence of adhesional tension of Gemini surfactant on coal pitch surface and surface tension

由结果可知，在整个研究浓度范围内，所有Gemini表面活性剂的表面张力与其在煤沥青表面的黏附张力之间均不存在线性关系。但 C10-OH、C12-OH和12-2-12 3种Gemini表面活性剂的表面张力较大时，在煤沥青表面黏附张力随表面张力的减小而增大，且两者之间存在线性关系，说明在该阶段 Gemini表面活性剂在煤沥青表面的吸附主要由Lifshitz-van der Waals作用决定，原因可能是随着疏水链长度的增加，表面活性剂易形成蠕虫状胶束或枝状胶束，进而相互缠绕影响在煤沥青表面的润湿行为，并导致表面活性剂的表面张力与其在煤沥青表面的黏附张力偏离线性关系。随着Gemini表面活性剂浓度的继续增大，表面张力降低，Gemini表面活性剂在气-液界面和煤沥青-水界面的吸附量增大直至 Gemini表面活性剂的浓度超过 CMC后，表面张力基本不再变化，但Gemini表面活性剂在煤沥青表面的吸附仍在继续，表现为黏附张力的继续增大。

对C10-OH、C12-OH和12-2-12 3种Gemini表面活性剂达到气-液界面饱和吸附前在煤沥青表面黏附张力与表面张力的线性关系进行拟合，结果见表2。由结果可知，3种Gemini表面活性剂在煤沥青表面的ΓSV/ΓLV值远小于1，说明它们在煤沥青-水界面的吸附量很小，而在气-液界面的吸附量相对较大，可能是由于煤沥青表面含有羧基、羟基等含氧基团，这些基团可以与水形成氢键，增强了煤沥青表面与水的相互作用，导致表面活性剂分子取代煤沥青表面水分子的难度增大[12-14]。

表2 煤沥青表面线性关系（γLVcosθ=aγLV+b）的拟合Table 2 Fitting of line with surfactant solutions on coal pitch surface

Zisman等[15-17]研究不同纯溶液在疏水固体表面的接触角时发现，溶液的表面张力与接触角的余弦之间存在如下线性关系

式中，a、b为溶液在固体表面的润湿常数。当固体表面完全润湿，即接触角为 0°时，式（2）中的γLV为固体的临界表面张力(γC)，Zisman等发现γC为固体的特性常数，γC越大说明溶液在固体表面的润湿性越差。将Gemini表面活性剂的表面张力γLV与其在煤沥青表面接触角 cosθ 作图，结果如图 4所示。由图可以看出，在整个研究范围内，Gemini表面活性剂在煤沥青表面接触角的余弦和表面张力均不符合Zisman理论，说明系列表面活性剂均不能自动在煤沥青表面进行铺展。当浓度小于CMC时，除14-6-14外，其余Gemini表面活性剂在煤沥青表面接触角的余弦 cosθ和表面张力γLV大体上满足Zisman理论，即Gemini表面活性剂的表面张力γLV与cosθ符合线性关系。

图4 Gemini表面活性剂在煤沥青表面接触角的余弦和表面张力的关系Fig. 4 Dependence between cosine of contact angle on coal pitch surface and surface tension

2.4 黏附功

黏附功(WA)是表面活性剂的表面张力与其在固体表面的黏附张力之和，其计算公式如下

将杨式方程代入式（3）可得到

由式（4）计算得到Gemini表面活性剂溶液在煤沥青表面黏附功结果见图5。

由图可知，羟基和酯基Gemini表面活性剂在煤沥青表面黏附功随表面活性剂浓度的增大，呈先减小后增大再趋于平稳的趋势。这是由于随着Gemini表面活性剂溶液浓度的增大，表面活性剂分子在气-液和煤沥青-水界面的吸附增大，表面张力减小，黏附张力增大，两方面因素竞争的结果导致黏附功减小，说明此时表面张力占主导作用；但随着 Gemini表面活性剂溶液在煤沥青表面吸附量的继续增大，黏附张力占主导地位，黏附功增大；最后随着 Gemini表面活性剂分子在气-液和煤沥青-水界面的吸附都达到饱和，黏附功不再变化。

对于羟基型Gemini表面活性剂而言，C10-OH、C12-OH和C14-OH在煤沥青表面的黏附功明显小于C16-OH和C18-OH，而根据之前的分析发现C10-OH、C12-OH和 C14-OH在煤沥青表面的润湿性要好于C16-OH和C18-OH，说明对煤沥青润湿性较好的表面活性剂在其表面的黏附性较差。

图5 Gemini表面活性剂在煤沥青表面的黏附功Fig. 5 Adhesion work (WA) of Gemini surfactant solutions on coal pitch surface

对于酯基型 Gemini表面活性剂而言，虽然润湿效果最好的16-6-16在煤沥青表面的黏附性最差，但润湿效果最差的 12-2-12在煤沥青表面的黏附性却不是最好，可能是由于连接基的长度不同所导致。

2.5 煤沥青表面的自由能

从热力学的角度分析，液体在固体表面润湿时，固体表面自由能的变化可以根据Extrand提供的公式计算[18]

当Gemini表面活性剂浓度为10−2mol·L−1时，由式（5）计算得到在煤沥青表面润湿的表面自由能结果见表3。结果表明，Gemini表面活性剂在煤沥青表面润湿后煤沥青表面自由能比纯水在煤沥青表面润湿小很多，说明Gemini表面活性剂在煤沥青表面润湿效果显著，能使中等极性的煤沥青固体表面改性为强亲水性表面。对于羟基型Gemini表面活性剂，C12-OH在煤沥青表面润湿效果最好；对于酯基型Gemini表面活性剂而言，16-6-16在煤沥青表面润湿效果最好，这与之前的实验结果完全相符。

表3 煤沥青表面自由能的变化Table 3 Change of free energy of coal tar pitch surface

2.6 Gemini双季铵盐表面活性剂对煤沥青表面Zeta电位的影响

在前面研究的基础上，选取对煤沥青润湿效果较好的C10-OH、C12-OH、16-2-16和16-6-16 4种Gemini表面活性剂，进一步研究Gemini表面活性剂对煤沥青表面Zeta电位的影响，实验结果见图6。

图6 Gemini表面活性剂对煤沥青表面Zeta电位的影响Fig. 6 Influence of surfactant solutions on Zeta potential of coal pitch surface

经测试，纯水在煤沥青表面润湿的Zeta电位为−45 mV，说明煤沥青表面呈电负性。由图可知，C10-OH、C12-OH、16-2-16和16-6-16 4种Gemini表面活性剂在煤沥青表面润湿后，煤沥青表面的Zeta电位随Gemini表面活性剂浓度的增大呈先增大后趋于平稳的趋势。随着Gemini表面活性剂浓度的增大，Gemini表面活性剂溶液在煤沥青表面的吸附量增大，煤沥青表面的Zeta电位逐渐变大，从电负性变为正电位；当 Gemini表面活性剂浓度超过CMC 后，Gemini表面活性剂溶液在煤沥青表面的吸附达到完全饱和，Zeta电位达到最大，Gemini表面活性剂浓度继续增大 Zeta电位基本不再变化且最后煤沥青表面的电荷量较开始时有所增加。煤沥青表面Zeta电位达到平衡时，Gemini表面活性剂对煤沥青表面的 Zeta电位影响程度依次为：16-6-16＞16-2-16＞C12-OH＞C10-OH。4种 Gemini表面活性剂在煤沥青表面的吸附过程中，当煤沥青表面的电位变为零时，Gemini表面活性剂浓度比CMC低至少两个数量级，说明在Gemini表面活性剂浓度较低时煤沥青表面的润湿过程主要受静电作用的控制。

2.7 Gemini表面活性剂在煤沥青表面的润湿吸附机理

为了便于研究羟基和酯基型 Gemini表面活性剂在煤沥青表面润湿过程的内在机理，在前面研究的基础上选取对煤沥青表面润湿效果较好的C12-OH和16-6-16两种Gemini表面活性剂为例，将γLV、θ、γLVcosθ和 WA随浓度的变化趋势进行归纳，结果见图7和图8。

图7 C12-OH在煤沥青表面的润湿性与浓度的关系Fig. 7 Dependence of adhesion data of C12-OH on coal pitch surface and concentration

图8 16-6-16在煤沥青表面的润湿性与浓度的关系Fig. 8 Dependence of adhesion data of 16-6-16 on coal pitch surface and concentration

由图7可以推测在C12-OH在煤沥青表面润湿过程大体可以分成以下4个阶段。

区域1（浓度低于1.0×10−6mol·L−1），C12-OH在气-液界面和煤沥青-水界面的吸附量较少，表面张力、黏附张力、黏附功和接触角随浓度的增大几乎不变。

区域2（1.0×10−6～1.0×10−3mol·L−1），随着C12-OH浓度的增大，C12-OH在气-液界面和煤沥青-水界面吸附量逐渐增大，表面张力和接触角降低，C12-OH的亲水头基通过静电作用吸附在煤沥青表面，黏附张力增大，表面张力和黏附张力竞争的结果导致黏附功减低。

区域 3（1.0×10−3～1.0×10−2.5mol·L−1），C12-OH在气-液界面吸附达到饱和，表面张力不再变化；而 C12-OH在煤沥青表面的吸附仍在进行，这一阶段的吸附过程主要通过范德华力进行，黏附张力继续增大，导致黏附功增大，接触角减小。

区域4（浓度大于1.0×10−2.5mol·L−1），C12-OH在煤沥青-水界面形成了饱和吸附层，黏附张力不再变化，因此黏附功保持恒定值，接触角也达到平衡值。

由图8可以推测在16-6-16在煤沥青表面润湿过程大体可以分成以下3个阶段。

区域 1（浓度低于 1.0×10−4mol·L−1），即16-6-16的浓度小于CMC时，随着16-6-16型表面活性剂溶液浓度的增大，表面活性剂在气-液和煤沥青-水界面的吸附量增大，表面张力和接触角降低，但16-6-16型表面活性剂分子在煤沥青-水界面的吸附量很少，这可能是由于煤沥青和水的结合较为紧密，16-6-16分子很难取代水分子的位置，所以这一阶段黏附张力变化较小，导致 16-6-16在煤沥青表面的黏附功降低。

区域 2（1.0×10−4～1.0×10−2.5mol·L−1），该阶段16-6-16型表面活性剂浓度达到CMC，16-6-16在气-液界面吸附达到饱和，16-6-16型表面活性剂分子的疏水链之间相互交叉，最终形成亲水基朝外的饱和吸附层。16-6-16的表面张力不再变化，但16-6-16在煤沥青-水界面的吸附仍在进行，而且随着16-6-16溶液浓度的增大，16-6-16分子逐渐取代水分子在煤沥青表面的位置，16-6-16在煤沥青-水界面的吸附速度加快，黏附张力增大，接触角降低，导致16-6-16在煤沥青表面的黏附功增大。

区域3（浓度大于1.0×10−2.5mol·L−1），16-6-16在煤沥青-水界面的吸附液达到饱和，黏附张力不再变化，因此黏附功保持恒定值，接触角也不再变化。

比较图7和图8可知，C12-OH和16-6-16在煤沥青表面的吸附过程中，主要不同集中在浓度较低时表面活性剂分子在气-液界面的吸附。此时C12-OH在气-液界面的吸附量很少，C12-OH的表面张力基本不变；但16-6-16在气-液界面的吸附却在进行，吸附量增大，16-6-16的表面张力降低。

3 结 论

羟基和酯基型 Gemini表面活性剂在煤沥青表面的接触角随 Gemini表面活性剂浓度的增大先急速减小后保持恒定。对于羟基型Gemini表面活性剂而言，接触角随疏水链长度的增长呈先减小后增大的趋势，其中 C12-OH在煤沥青表面的润湿效果最好。对于酯基型m-n-m型Gemini表面活性剂而言，接触角随疏水链长度的增长而降低，当疏水链长度一定时，m-6-m在煤沥青表面的润湿效果比m-2-m表面活性剂好。

在一定浓度范围内，C10-OH、C12-OH和12-2-12 3种Gemini表面活性剂在煤沥青表面黏附张力与表面张力之间存在线性关系，且它们在煤沥青-水界面的吸附量远小于在气-液界面的吸附量。当浓度小于CMC时，除14-6-14外，其余Gemini表面活性剂在煤沥青表面接触角的余弦 cosθ和表面张力γLV大体上满足Zisman理论。Gemini表面活性剂在煤沥青表面黏附功随浓度的变化趋势类似，呈先减小后增大、最后趋于平稳的趋势。对煤沥青润湿性较好的羟基型表面活性剂在煤沥青表面的黏附性较差。

C10-OH、C12-OH、16-2-16和16-6-16 4种Gemini表面活性剂在煤沥青表面的 Zeta电位随浓度的增大呈先增大后平稳的趋势，Gemini表面活性剂能有效改变煤沥青表面的电性和电荷量。

[1]李佰昌, 杨晓强, 张海燕, 等. 改性煤沥青的性能研究[J]. 煤炭转化, 2014, 37(3): 77-80. LI B C, YANG X Q, ZHANG H Y, et al. Study on performance of modified coal tar pitch[J]. Coal Convers, 2014, 37(3): 77-80.

[2]葛泽峰, 薛永兵, 苏深, 等. 煤沥青改性石油沥青工艺优化研究[J].石油沥青, 2016, 30(1): 17-20. GE Z F, XUE Y B, SU S, et al. Study on technological optimization of CTP modified asphalt[J]. Petrol Asphalt, 2016, 30(1): 17-20.

[3]张鹏, 魏文珑, 李兴, 等. 四种阴离子表面活性剂在煤沥青表面的润湿规律[J]. 煤炭学报, 2014, 39(5): 966-970. ZHANG P, WEI W L, LI X, et al. Effects of four kinds of anionic surfactants on wetting of coal tar pitch surfaces[J]. J. Chin. Coal Soc., 2014, 39(5): 966-970.

[4]朱军峰, 李元博, 张光华, 等. 聚羧酸盐侧链长度对水煤浆分散性能的影响及其作用机理[J]. 化工学报, 2015, 66(10): 4202-4210. ZHU J F, LI Y B, ZHANG G H, et al. Action mechanism and effect of side chain length of polycarboxylate dispersant on dispersion of coal-water slurries[J]. CIESC Journal, 2015, 66(10): 4202-4210.

[5]CHANG H H, ZHANG H C, JIA Z G, et al. Wettability of coal pitch surface by aqueous solutions of cationic Gemini surfactants[J]. Colloids Surf. A, 2016, 494: 59-64.

[6]CHANG H H, JIA Z G, ZHANG P, et al. Interaction between quaternary ammonium surfactants with coal pitch and analysis surfactants effects on preparing coal pitch water slurry[J]. Colloids Surf. A, 2015, 471: 101-107.

[7]贾志刚, 董乐, 李兴, 等. C12-m-C12型阳离子Gemini表面活性剂在煤沥青表面的润湿性[J]. 燃料化学学报, 2015, 43(6): 649-653. JIA Z G, DONG L, LI X, et al. Wettability of coal tar pitch surface by aqueous solution of C12-m-C12cationic Gemini surfactant[J]. J. Fuel Chem. Technol., 2015, 43(6): 649-653.

[8]WEI W L, XU M, CHANG H H, et al. Effects of electrolytes on the properties of coal pitch-water slurry[J]. Energy Source Part A, 2013, 35 (23): 2181-2188.

[9]GAO X R, CHANG H H, WEI W L, et al. Influence of the amount of dispersants and slurry content on the slurry ability of coal pitch water slurry[J]. Energy Source Part A, 2011, 33 (3): 194-201.

[10]ALIREZA T B, KRISTER H. Cleavable surfactants[J]. Curr. Opin. Colloid Interf. Sci., 2007, 12(2): 81-91.

[11]赵剑曦. Gemini表面活性剂: 联接链在自组织中的作用及意义[J].化学进展, 2014, 26(8): 1339-1351. ZHAO J X. Gemini surfactants: role and significance of its spacer in self-assembly[J]. Prog. Chem., 2014, 26(8): 1339-1351.

[12]MORRA M. Some reflection on the evaluation of the Lewis Acid-Base properties of polymer surfaces by wetting measurements[J]. J. Colloid Interf. Sci., 1996, 182(1): 312-314.

[13]PYTER R A, ZOGRAFI G, MUKERJEE P. Wetting of solids by surface-active agents: the effects of unequal adsorption to vapor-liquid and solid-liquid interfaces[J]. J. Colloid Interf. Sci., 1982, 89(1): 144-153.

[14]PIIRMA I, CHEN S R. Adsorption of ionic surfactants on latex particles[J]. J. Colloid Interf. Sci., 1980, 74(1): 90-102.

[15]KOOPAL L K. Wetting of solid surfaces: fundamentals and charge effects [J]. Adv. Colloid &Interf. Sci., 2012, 179-182: 29-42.

[16]BERNETT M K, ZISMAN W A. Relation of wettability by aqueous solutions to the surface constitution of low-energy solids[J]. J. Phys. Chem., 1959, 63(8): 1241-1246.

[17]BERNETT M K, ZISMAN W A. Wetting of low-energy solids by aqueous solutions of highly fluorinated acid and salts[J]. J. Phys. Chem., 1959, 63(11): 1911-1916.

[18]EXTRAND C W. A thermodynamic model for wetting free energies from contact angles[J]. Langmuir, 2003, 19(3): 646-649.

Wettability on coal tar asphalt surface of dual quaternary ammonium salt Gemini surfactants containing ester and hydroxyl groups

GAO Xiaorong1, CUI Yong2, ZHAO Xiaoxia1, WEI Wenlong2, CHANG Honghong2,3
(1College of Chemistry and Biological Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030021, Shanxi, China;2College of Chemistry and Chemical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;3Key Laboratory of Road Structure＆Material of Transport, Beijing 100088, China)

Gemini surfactants of dual quaternary ammonium salts with hydroxyl and ester functional groups were synthesized and used to investigate wettability on coal tar asphalt surface. The contact angle of hydroxyl Gemini surfactants on coal tar asphalt surface decreased first and increased later with increase of hydrophobic chain length, which C12-OH surfactant showed best wetting. The contact angle of m-n-m ester Gemini surfactants decreased with increase of hydrophobic chain length. At fixed hydrophobic chain length, m-6-m surfactant had better wetting than m-2-m surfactant. A linear relationship was observed between adhesive tension on coal tar asphalt surface and surface tension of C10-OH, C12-OH and 12-2-12 surfactants within a range of concentrations. Zeta potential on the coal tar asphalt surface increased initially and tended to stabilize gradually along with increase of surfactant concentration.

CHANG Honghong, associate professor, changhonghong@tyut.edu.cn

O 647.5

：A

：0438—1157（2017）01—0230—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20160790

2016-06-08收到初稿，2016-08-22收到修改稿。

联系人：常宏宏。

：高晓荣（1968—），女，讲师。

国家自然科学基金项目（21206103, 21076135）；山西省自然科学基金项目（2015011023）；山西省科技攻关项目（20140321018-05）；晋城市科技计划项目（201501004-15）；道路结构与材料交通运输行业重点实验室开放基金（KF201403）；表面活性剂山西省重点实验室开放基金（201503）。

Received date: 2016-06-08.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (21206103, 21076135), the Natural Science Foundation of Shanxi Province (2015011023), the Key Project of Science and Technology of Shanxi Province (20140321018-05), the Projects of Science and Technology of Jincheng (201501004-15), the Key Laboratory of Road Structure& Material of Transport (Beijing, Opening Funding, KF201403) and the Foundation of Shanxi Province Key Laboratory of Surfactant (201503).