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《中国科学院研究生院(理化技术研究所)》 2007年
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含芳环侧基的支链阴离子表面活性剂的合成及理化性质研究

严峰  
【摘要】: 表面活性剂分子设计对于表面活性剂在特定领域的应用研究具有重要的理论价值和实践意义。大量研究表明,具有支链结构的表面活性剂可以大大降低水溶液的表面张力,这为设计三次采油用表面活性剂开辟了新的思路。含芳环侧基的支链阴离子表面活性剂研究得较少,人们对于位于疏水支链的芳环对表面活性剂性质的影响亦缺乏系统认识。已有的少量研究显示,含芳环侧基支链的芳基烷基磺酸盐不仅具有传统烷基苯磺酸盐的性质,并且表现出更优的界面活性和耐盐性,能在三次采油中取得应用。本论文选择含芳环侧基支链的两类磺酸盐阴离子表面活性剂为研究对象,制备并研究了它们的理化性质。主要研究内容和结果如下: 以苯(或短链烷基苯)、长链烯烃为原料,采用光照氯磺化方法制备了系列新型芳基烷基磺酸钠。通过不同物化条件下油水界面张力的测量考察了其界面活性,结果表明芳基烷基磺酸钠水溶液能在无碱条件下与胜利原油形成超低界面张力,且耐盐程度优于常规的烷基苯磺酸盐,在三次采油领域具有良好的应用前景。 以羧酸、苯酚(短链烷基苯酚或萘酚)和牛磺酸为原料,通过溴代反应、酯化反应、Fries重排反应、催化氢化反应、Williamson反应以及催化酰胺化反应等过程,首次成功合成并表征了系列结构明确的高纯度N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠(m+nAr-T,m、n为烷基链碳数,Ar为芳环,T表示taurine)。对Williamson成醚反应条件进行了优化,发现以K2CO3为缚酸剂,在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中,用苯分水可较高产率地制备α-烷芳氧基羧酸酯;另外,发现催化酰胺化法进行α-烷芳氧基羧酸与牛磺酸的反应条件温和,转化率高于90%。 利用Wilhelmy吊片方法测定了具有不同芳环侧基的N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠水溶液的表面张力,通过表面张力随浓度变化的γ?lgc曲线获得了不同表面活性剂的临界胶束浓度(cmc)以及临界胶束浓度下的界面张力(γcmc)、降低表面张力的效率(pC20)、饱和吸附量(Γm ax)、标准吸附自由能(ΔG a0d)和胶束化自由能(ΔGm0ic)等物化参数。结果表明,芳环侧基的引入极大提高了N-酰基牛磺酸钠的表面活性;在纯水溶液中,随着支链增大或增长,N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠的饱和吸附量降低,而其降低表面张力的能力和效率却提高;用Blankschtein二维空间气体模型的吸附等温方程和界面压状态方程对这些现象进行了合理的解释。 采用小幅低频振荡法和界面张力弛豫法研究了N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠表面活性剂的表面扩张粘弹性质和癸烷-水界面上的扩张粘弹性质;考察了扩张模量和相角随时间、频率和表面活性剂浓度的变化规律。发现N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠的表/界面扩张性质随时间、频率和表面活性剂浓度的变化均呈现规律性的变化。低浓度区,N-(α-萘氧基)十四酰基牛磺酸钠分子间的相互作用强于N-(α-苯氧基)十四酰基牛磺酸钠,因而其模量较后者高N-(α-丁基苯氧基)十四酰基牛磺酸钠与N-(α-乙基苯氧基)十四酰基牛磺酸钠相同,亦表现出同样的规律。 通过气流法测定了N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠表面活性剂的泡沫性能,并考察了不同物化条件对泡沫性质的影响。实验发现,疏水主链与芳环上取代基碳原子数之和m+n≤16时,N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠的泡沫性能较好;温度升高,N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠的起泡能力有所增强,但泡沫稳定性变差;在所研究的电解质浓度范围内,电解质的加入对N-(α-烷苯氧基)十四酰基牛磺酸钠水溶液的起泡性能影响不大,但却增强了其稳泡性能。 结合稳态荧光探针(芘)法和自身稳态荧光法研究了N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠的胶团化性质和聚集性能。结果表明,在疏水支链上引入芳环对其胶束的形成及聚集性质有重要影响。与传统表面活性剂不同,增溶于N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠胶团中的芘的第一个电子振动峰(λ=372nm)的荧光强度I1和第三个电子振动峰(λ=385nm)的荧光强度I3之比I1/I3值随着表面活性剂浓度的增加而缓慢降低,说明了N-(α-烷芳氧基)酰基牛磺酸钠表面活性剂在低浓度区形成疏松的聚集体,随着浓度的增大则有更多的表面活性剂分子挤入已形成的聚集体。聚集数随着表面活性剂浓度增大而增加的结果亦验证了上述结论。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(理化技术研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TQ423

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