新型阳离子三硅氧烷表面活性剂的无溶剂合成及性能研究

【摘要】三硅氧烷表面活性剂具有优异的表界面活性和润湿性能,近年来已引起各研究领域的广泛关注。目前,国内外关于三硅氧烷表面活性剂的研究仍主要集中于非离子型的分子结构,对结构新颖的阳离子型该类表面活性剂的研究尚鲜见报道。本论文采用无溶剂法合成出四种新颖的阳离子三硅氧烷表面活性剂,并研究了系列产物的物化特性和应用性能,取得了以下主要研究进展：(1)以N,N-二甲基乙醇胺(DMEA)和1,1,1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷(MDHM)为原料,采用无溶剂的合成方法,合成了MD’M型氨基硅烷中间体(Me3SiO)2Si(Me)(OC2H4)N(Me)2。再在无溶剂参与的条件下,与不同的烷基化试剂(溴乙烷,氯丙烯,溴代十二烷,溴代十六烷)反应合成出四种新颖的三硅氧烷阳离子表面活性剂(Me3SiO)2Si(Me)(OC2H4)N+(Me)2RX-[R=C2H5,C3H5,C12H25,C16H33;X=C1,Br](以下简称为S1、S2、S3、S4)。采用质谱和核磁分别表征了中间体和最终产物的结构。(2)通过正交分析法对无溶剂合成MD’M型氨基硅烷中间体(Me3SiO)2Si(Me)(OC2H4)N(Me)2的合成工艺进行了优化；各个因素对MDHM转化率的影响的主次顺序为：催化剂用量>反应温度>反应物摩尔比>反应时间,最终确定的最佳实验方案为A3B3C3D3,即反应时间为25min,反应温度为100℃,MDHM与DMEA的摩尔配比为1.5:1,催化剂用量为8ppm。在此条件下,MDHM转化率达75.6%,减压蒸馏后得到纯度大于98%的中间体产物。(3)采用原位在线红外实时跟踪监测MD’M型氨基硅烷中间体(Me3SiO)2Si(Me)(OC2H4)N(Me)2的合成过程,监测原料的转化率和反应进程。研究表明,氯铂酸对MDHM和DM]EA之间的反应具有良好的催化活性,且基本没有副反应发生。对MDHM和DMEA的脱氢缩合反应进行了动力学研究,通过积分尝试法,测得此反应的活化能Ea=82.16kJ/mol,反应级数为2级。(4)采用无溶剂法合成四种新型的三硅氧烷阳离子表面活性剂(Me3SiO)2Si(Me)(OC2H4)N+(Me)2RX-[R=C2H5,C3H5,Ci2H25,C16H33;X=Cl,Br]。通过正交分析法对工艺进行了优化,分别得到了合成的最佳反应条件：①S1：反应温度为55℃,反应时间为5h,溴乙烷与MD’M型氨基硅烷的物质的量比为1.2,此条件下的叔胺转化率为99.6%;②S2:反应温度为60℃,反应时间为5h,氯丙烯与MD’M型氨基硅烷的物质的量比为1.4,此条件下的叔胺转化率为99.0%;③s3:反应时间为4h,反应温度为100℃,溴代十二烷与MD’M型氨基硅烷的物质的量比为1.1,在此条件下的转化率为94.0%;④S4:反应时间为4h,反应温度为105℃,溴代十六烷与MD’M型氨基硅烷的物质的量比为1.1,在此条件下的转化率为92.6%。(5)对产物S1、S2、S3、S4的表面活性和应用性能进行了研究,结果表明四种三硅氧烷阳离子表面活性剂的表面张力分别为20.7mN·m-1(S1),18.4mN·m-1(S2),22.8mN·m-1(S3),23.8mN·m-1(S4);临界胶束浓度分别为：5.00×10-4mol/L(S1),7.50×10-4mol/L(S2),5.00×105mol/L(S3),1.00×10-4mol/L(S4);从吸附性能可以看出分子在气液界面上的排列紧密,单产物在水溶液中胶束的形成过程是一个自发过程,吸附比胶束化占更主导的地位。在与原油1#的界面张力中可以看出,四种产物的界面活性优良。四种产物都具有低泡特性,可避免使用过程中泡沫的困扰。产物的乳化性能测试表明长链三硅氧烷季铵盐的乳化能力比短链三硅氧烷的乳化能力强,且长链三硅氧烷季铵盐(S3、S4)的乳化能力强于市售乳化剂的乳化能力。阳离子三硅氧烷表面活性剂在石蜡上的铺展性能优异,1%阳离子三硅氧烷表面活性剂s3水溶液在石蜡上的接触角能降低到37.1°。抗菌实验表明,75mg/L的S4对金黄色葡萄球菌的抗菌率可达到99.99%。
【作者】毛桃嫣；
【导师】郑成；童张法；
【作者基本信息】广西大学，化学工艺，2013，博士
【关键词】表面活性剂；三硅氧烷；阳离子；无溶剂合成；

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