脂肪酰胺丙基甜菜碱表面活性剂合成工艺和性能研究

雷小英 史立文 钟 凯 李伏益 葛 赞 刘炜康 洪 郑 李帮国

（赞宇科技集团股份有限公司，浙江杭州，310009）

两性表面活性剂具有刺激性低、耐硬水性好、适用范围广和优良的生物降解性等优点，其应用研究仍在日益扩大。脂肪酰胺丙基二甲基甜菜碱是一种温和高效型的两性表面活性剂，与传统两性表面活性剂相比，其分子中引入了酰胺基团及更长的碳链，具有良好的泡沫稳定性、生物降解性、低毒性等，且因其性能优异、安全性高、毒性低，对眼睛、皮肤的刺激性低，在日化行业被广泛应用于中高档洗发香波、浴液、洗手液等洗涤化妆制品，是一种具有广阔应用前景的表面活性剂[1-4]。今年来，随着化工产品原料价格的高涨，消费者和下游企业想寻求高性价比的甜菜碱表面活性剂。由于月桂基脂肪酰胺二甲基叔胺比豆蔻基的价格每吨低10 000多元，因此本文以月桂基和豆蔻基两种脂肪酰胺二甲基叔胺(简称PKO)、氯乙酸、液碱等为原料，利用正交试验考察了季胺化反应的条件，优化了工艺条件，并研究对比了两种酰胺丙基甜菜碱的发泡性能、稳泡性能以及乳化性能[5-8]，为企业及行业的后续开发应用提供了基础数据和参考。

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

氢氧化钠，分析纯，杭州化学试剂有限公司；乙醇，分析纯，杭州双林化工试剂厂；丙酮、乙醚，均为分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司；氮气，纯度99.9%，杭州成丰气体有限公司；月桂基酰胺二甲基叔胺、豆蔻基酰胺二甲基叔胺、氯乙酸，32%液碱均为工业品。

DW-2-220W电动电子恒速搅拌器，巩义市予华仪器有限公司；861离子色谱仪，瑞士万通离子色谱仪有限公司；K100表面张力仪（德国KRUSS公司）；21GKC恒温水浴槽（上海苏达实验仪器有限公司）；R-2000动态泡沫测试仪（德国SITA公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 脂肪酰胺丙基甜菜碱表面活性剂的合成

依次将适量水、氯乙酸和32%液碱投入三口烧瓶中，通入氮气保护，开启电动搅拌器搅拌30 min后，接着再加入适量脂肪酰胺二甲基叔胺（简称PKO）升温到指定温度，反应一定时间得到脂肪酰胺丙基甜菜碱表面活性剂产品。其反应方式如下[7]：

其中，R为C11或C13

1.2.2 泡沫的起泡性实验

自动泡沫仪的测定泡沫条件为温度(25±1) ℃，水硬度为250 mg/kg，质量分数为0.02%的活性物。自动泡沫仪其他参数为溶液进样量250 ml；搅拌次数40次；搅拌时间10 s/次；转速1 000 r/min。

1.2.3 泡沫的稳定性实验

按照1.2.2的方法，对两种甜菜碱的稳泡性能进行测试。动态泡沫仪参数：温度25 ℃；溶液进样量250 ml；搅拌次数40次；搅拌时间10 s/次；转速1000 r/min；稳泡时间12 min。

1.2.4 乳化性能

采用分水时间法测定产物对液体石蜡的乳化能力，具体实验过程为：分别配制质量分数为1%的表面活性剂水溶液，取40 ml到具塞量筒中，再加入40 ml液体石蜡，40 ℃下恒温5 min。上下剧烈摇晃量筒5次，在40 ℃下恒温1 min，然后再连续重复5次，最后记录水相分出10 ml的时间，重复实验3次，取平均值，作为判定乳化能力强弱的依据，即时间越长，乳化能力越强。

2 结果与讨论

2.1 正交试验方法研究

通过前期实验发现，影响脂肪酰胺丙基二甲基甜菜碱反应的主要因素为投料摩尔比、反应pH和反应温度3个因素，因此采用正交试验方法，设计了3因素3水平正交实验，因素水平表和实验结果分别见表1～表3。

表1 正交试验的因素和水平

表2 正交实验

表3 正交实验的结果分析

由表3看出，影响脂肪酰胺丙基二甲基甜菜碱反应的主次顺序为A>B>C，最佳组合为A3B2C2，即nPKO∶n氯乙酸=1∶1.08，反应pH=8.5~9.5，反应温度为80~85℃。

2.2 验证实验

由于在正交实验安排中并未出现A3B2C2，因此根据优化后的最佳季胺化工艺条件，在实验室做验证性，合成月桂基和豆蔻基两种脂肪酰胺丙基甜菜碱产品指标见表4，说明得到的成品指标都较好，而且月桂基脂肪酰胺丙基甜菜碱产品收率优于豆蔻基产品。

表4 产品指标

2.3 泡沫性能

分别将月桂基和豆蔻基两种脂肪酰胺丙基甜菜碱通过动态泡沫仪测定泡沫性能，其发泡性能如图1所示，其稳泡性能如图2所示，结果表明，两种表面活性剂发泡性良好，在15 min内泡沫高度略有些下降，说明泡沫稳定性基本不错；在发泡性能方面豆蔻基酰胺丙基甜菜碱优于月桂基酰胺丙基甜菜碱，主要是豆蔻基具有较长的疏水基可以提高分子间的内聚力，从而使得液膜强度增加，发泡力增强[9]。

图1 发泡性能

图2 稳泡性能

2.4 乳化性能

分别将月桂基和豆蔻基两种脂肪酰胺丙基甜菜碱配制成质量分数为1%的溶液，采用分水时间法对液体石蜡进行乳化测试，得到两种甜菜碱产品的乳化性能见表5。从分水时间来看，两种甜菜碱产品对液体石蜡的乳化能力良好，随着豆蔻基疏水链的增长，产品对液体石蜡的乳化能力有减弱趋势。

表5 产品的乳化性能

3 结论

（1）采用月桂基和豆蔻基两种脂肪酰胺二甲基叔胺、氯乙酸、液碱等为原料，一步法制备月桂基和豆蔻基酰胺丙基甜菜碱表面活性剂；通过正交试验确定了最优化的反应条件，得出季胺化较优工艺条件为：nPKO∶n氯乙酸=1∶1.08，反应温度为80~85 ℃，反应pH为8.5~9.5。

（2）通过动态泡沫仪分析显示，在发泡性能上豆蔻基酰胺丙基甜菜碱略优于月桂基酰胺丙基甜菜碱，且两者的稳泡性能基本不错。

（3）采用分水时间法对液体石蜡进行乳化测试，两种酰胺丙基甜菜碱都具有较好的乳化性能。