不同反离子脂肪醇硫酸盐性能研究

肖 娜 曹圣悌 高春新 霍月青

1.东明俱进化工有限公司，山东菏泽，274500；

2.中国日用化学研究院有限公司，山西太原，030001

1 引言

脂肪醇硫酸盐（AS）是以脂肪醇为原料，经过SO3硫酸化反应得到的一类阴离子表面活性剂，具有良好的发泡、去污、润湿等作用，生物降解性好，在民用洗涤、油田开采、乳液聚合等领域具有广泛的应用[1-3]。据不完全统计，2022年脂肪醇硫酸盐产量为7.67万吨，属于第三大类阴离子表面活性剂。

目前市场上该类产品主要是反离子为钠盐的脂肪醇硫酸钠，即以氢氧化钠中和得到，而不同的中和剂得到的产品报道较少[4-6]。本研究对不同中和剂中和得到的天然C12-14脂肪醇硫酸盐进行了表面张力、动态表面张力、泡沫、润湿、乳化性能研究，以期为实际应用提供基础数据，满足差异化的市场需求。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

原料：C12-14脂肪醇硫酸锂（AS-Li）、C12-14脂肪醇硫酸钠（AS-Na）、C12-14脂肪醇硫酸钾（ASK），工业级，东明俱进化工有限公司；液体石蜡，分析纯，国药集团。

仪器：K12表面张力仪、BP100型动态表面张力仪，德国KRUSS公司；罗氏泡沫仪，中国日用化学研究院有限公司。

2.2 性能测试

2.2.1 平衡表面张力的测定

去离子水配制AS水溶液，室温静置24 h，然后用表面张力仪测定，温度（25.0±0.1）℃。

2.2.2 动态表面张力的测定

去离子水配1 g/L的AS水溶液，静置24 h以上，然后用动态表面张力仪测定，温度（25.0±0.1）℃。

2.2.3 泡沫的测定

去离子水配制1 g/L 的A S 水溶液，采用罗氏泡沫仪测定AS泡沫体积随时间的变化，温度（25±1）℃，重复测试3次，取平均值。

2.2.4 润湿性的测定

去离子水配1 g/L的AS水溶液，参照国标GB/T11983—2008《表面活性剂 润湿力的测定 浸没法》进行测试，温度（25±1）℃，重复测试10次，取平均值。

2.2.5 乳化力的测定

在100 mL具塞量筒中加入等体积（40 mL）AS水溶液和液体石蜡，AS浓度为1 g/L，垂直振荡50次，然后静置，记录分出10 mL液体所需时间。温度（25±1）℃，重复测定3次，取平均值。

3 结果与讨论

3.1 平衡表面张力

表面活性剂的典型特征就是在水中加入少量就可以迅速降低表面张力，浓度增加到一定程度时，表面张力基本不再变化，对应的浓度和表面张力为临界胶束浓度（cmc）和γcmc[7]。AS的表面张力曲线如图1所示，从图中得到的cmc和γcmc列于表1，从中可以看出，不同反离子的cmc无显著差异，γcmc按照AS-Li＜AS-K＜AS-Na顺序降低。

图1 脂肪醇硫酸盐AS表面张力曲线图

表1 脂肪醇硫酸盐AS表面活性

根据Gibbs吸附公式，当表面活性剂分子在气/液界面吸附达到平衡时，饱和吸附量（Гmax）可由以下公式计算得到：

其中，R为气体常数，R＝8.314 J/（mol·K）；T为绝对温度；γ为表面张力，mN/m；C为摩尔浓度，mol/L，dγ/dlogc为cmc之前γ-logc曲线的斜率。无外加盐时，对于1-1型阴离子表面活性剂脂肪醇硫酸盐，n＝2。从表中可以看出，不同反离子的AS饱和吸附量Гmax无显著差异。

降低水溶液表面张力的效率是表面活性剂降低表面张力的特性之一，通常以将水溶液的表面张力降低到一定程度所需的浓度，pC20来表示，pC20＝-log C20其中C20是表面张力降低20 mN/m所需的表面活性剂浓度（mol/L）。pC20越大，表面活性剂在气/液界面吸附效率越高，降低表面张力的效率也越高。

从表1中可以看出，pC20按照AS-Li＜AS-K＜AS-Na顺序降低。

3.2 动态表面张力

图1给出的平衡表面张力，即溶液达到平衡时的性质，没有考虑表面张力达到平衡所需的时间。当表面活性剂水溶液形成一个新鲜界面时，表面张力接近于水的表面张力，一段时间后表面张力降至平衡值，未达到平衡时的表面张力称之为动态表面张力，达到平衡的时间长短取决于表面活性剂的结构、浓度及外界环境。AS的动态表面张力随时间的变化如图2所示，可以看出：在表面张力初始降低阶段（时间趋于0 s），AS-Li和AS-Na的表面张力要低于AS-K，即降低表面张力速度快。

图2 表面张力随时间的变化

3.3 泡沫性能

泡沫是一种气体分散于液体中的分散体系，气体以气泡的形式被液体分隔开来，在矿石浮选、驱油、钻井、灭火等领域均具有特殊的用途。起泡能力和泡沫稳定性是泡沫在实际应用中的两个重要性质。起泡能力是指起泡难易程度，可以0.5 min时的泡沫体积表示；泡沫稳定性是指泡沫的持久性，即泡沫的“寿命”，以5 min时的泡沫体积/0.5 min泡沫体积表示。AS的泡沫体积随时间的变化如图3所示，相应的起泡能力和泡沫稳定性数据列于表2中，从表中可以看出：起泡能力按照AS-Na＞ASK＞AS-Li的顺序降低；AS-Na与AS-K泡沫稳定性无显著差异，明显高于AS-Li，说明不同反离子的泡沫能力不同，可以根据具体应用场合来选择不同的中和剂进行中和。

图3 泡沫随时间的变化

表2 泡沫性能

3.4 润湿性

润湿作用是指固体表面上的一种流体被另外一种与之不相溶的流体所替代的过程，与人类日常生活和工业生产有着紧密的联系。润湿速度是评判表面活性剂溶液润湿性能的一个重要指标，通常可通过测量帆布片在已知浓度的表面活性剂溶液中沉降时间来判断，沉降时间越短，润湿力越好。表3给出了AS的润湿性，可以看出，AS润湿时间按照ASLi＜AS-Na＜AS-K的顺序增加，同动态表面张力规律类似，均显示出AS-K的润湿力最差。

表3 润湿性

3.5 乳化能力

乳液是一种热力学不稳定体系，不同反离子AS对液体石蜡的乳化能力如表4所示，从表中可以看出，AS-Li的乳液分水时间最快，AS-Na和AS-K无显著性差异，即后两者的乳液稳定性要高于前者。

表4 乳化能力

4 结论

本研究通过测定表面张力、动态表面张力、泡沫、润湿、乳化性能，对不同反离子的天然C12-14脂肪醇硫酸盐（分别以AS-Li、AS-Na、AS-K表示，Li、Na、K代表相应的反离子）进行了研究，主要结论如下：不同反离子对临界胶束浓度无显著影响，临界胶束浓度时的表面张力按照AS-Li＜AS-K＜AS-Na顺序降低；在初始降低阶段（时间趋于0 s），AS-Li和AS-Na的表面张力降低速度要快于AS-K；泡沫体积按照AS-Na＞AS-K＞AS-Li的顺序降低；AS润湿时间为AS-Li＜AS-Na＜AS-K；AS-Na和AS-K的乳化能力优于AS-Li。上述结论表明，由于研究的界面不同，所呈现出的规律也不同，需要针对具体应用场合，选择相应的脂肪醇硫酸盐。