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聚氧乙烯鏈長度調(diào)控非離子Gemini表面活性劑的表面張力、接觸角（一）
來源：高等學?；瘜W學報 瀏覽 98 次 發(fā)布時間:2024-12-20
以2,5,8,11-四甲基~6-十二炔~5,8-二醇和環(huán)氧乙烷為原料，三乙胺為催化劑，合成了聚氧乙烯重復單元數(shù)分別為2,4,5和7的4種非離子Gemini表面活性劑（P1,P2,P3和P4）。通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和1H核磁共振波譜（1H NMR）對P1——P4的結(jié)構(gòu)進行了表征，利用表面張力儀和接觸角測量儀等研究了不同聚氧乙烯鏈長度對表面張力、臨界膠束濃度（cmc）、潤濕性能、泡沫性能和乳化性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著聚氧乙烯鏈長度的增加，表面活性劑的cmc逐漸增加，cmc處的表面張力（γcmc,mN/m）先減小后增大，P2的γcmc最?。?7.19 mN/m）。此類非離子Gemini表面活性劑均展現(xiàn)出優(yōu)異的潤濕性能，隨著聚氧乙烯鏈長度增加，其發(fā)泡量和乳化能力逐漸增加。此類具有低表面張力和出色潤濕性能的非離子Gemini表面活性劑在半導體顯影和工業(yè)清洗等領域具有巨大的應用潛力。
常見的表面活性劑由極性的親水基團和非極性的親油基團兩部分組成，能顯著降低目標溶液的表面張力。根據(jù)親水基團在水溶液中電離狀態(tài)的不同，分為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑和非離子表面活性劑4類。表面活性劑具有潤濕、乳化、分散、增溶、起泡或消泡等優(yōu)良的性能，廣泛應用于洗滌劑、化妝品、藥物遞送、工業(yè)清洗和石油石化等領域，成為日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的化學品。
臨界膠束濃度（cmc）及在該濃度下的表面張力（γcmc，mN/m）是表征表面活性劑性能的重要參數(shù)。cmc小意味著在實際應用中較小的表面活性劑添加量就可以有效降低目標溶液的表面張力。因此，探究cmc和γcmc與分子結(jié)構(gòu)之間的關系，可以為實現(xiàn)表面活性劑用量的精準調(diào)控提供理論依據(jù)，對于表面活性劑的實際應用具有重要的指導意義。
非離子表面活性劑具有在水溶液中不電離、耐酸堿和穩(wěn)定性高的優(yōu)點。然而，傳統(tǒng)的非離子表面活性劑分子在界面處的排布不夠緊密，疏水作用較小，不利于在低濃度下形成膠束，導致其較差的表面活性，這極大地限制了傳統(tǒng)非離子表面活性劑的應用。在光刻膠顯影領域，由于曝光后光刻膠表面形成微結(jié)構(gòu)，添加傳統(tǒng)非離子表面活性劑的顯影液由于過大的表面張力和較弱的潤濕性能，使得顯影液與光刻膠之間接觸不充分，在顯影過程中出現(xiàn)弱顯或不顯，導致芯片生產(chǎn)的良率低等問題。在能源采集領域，傳統(tǒng)表面活性劑無法實現(xiàn)超低界面張力及快速改善巖石基質(zhì)親水性能，從而造成了油藏資源的浪費。在工業(yè)清洗領域，表面活性劑的低潤濕性會阻礙清洗劑與基質(zhì)表面的污染物之間的接觸，從而影響產(chǎn)品的清潔效率。
Gemini表面活性劑是由兩個親水基團和兩個疏水基團經(jīng)聯(lián)接基共價連接在一起的表面活性劑。雙親水雙疏水的結(jié)構(gòu)特點使Gemini表面活性劑比傳統(tǒng)的單鏈表面活性劑具有更高的降低表面張力的能力、極低的cmc及優(yōu)異的潤濕性能等。Gan等通過D-葡萄糖、環(huán)氧氯丙烷和長鏈脂肪醇合成了不同烷基鏈長的新型葡萄糖基Gemini表面活性劑，并利用其組裝出載有白藜蘆醇的囊泡，展現(xiàn)出在藥物遞送領域的應用潛力。Zhu等使用非離子Gemini表面活性劑Surfynol®485成功制備了微乳液捕獲劑，該捕獲劑在煤泥浮選中的效率高達69.70%.Shaban等成功合成了3種聚乙二醇基非離子Gemini表面活性劑，可有效調(diào)控銀納米粒子的制備及催化活性。盡管非離子Gemini表面活性劑的研究已經(jīng)取得較大進展，然而其類型依然較少，結(jié)構(gòu)與性能之間的關系仍尚不明確。因此，探究非離子Gemini表面活性劑結(jié)構(gòu)與cmc和γcmc之間的關系，對于推進表面活性劑在半導體顯影、能源采集和工業(yè)清洗等領域的實際應用有重要意義。
本文以2，5，8，11-四甲基~6-十二炔~5，8-二醇為母體，在三乙胺的催化作用下與環(huán)氧乙烷（EO）通過開環(huán)反應合成出4種具有不同聚氧乙烯鏈長度的非離子Gemini表面活性劑P1，P2，P3和P4［聚氧乙烯重復單元數(shù)（n）分別為2，4，5和7］，合成路線如Scheme 1所示，2，5，8，11-四甲基~6-十二炔~5，8-二醇的烷基鏈為疏水基團，聚氧乙烯鏈為親水基團，通過調(diào)節(jié)聚氧乙烯鏈長度來調(diào)控表面活性劑的親/疏水性能。
結(jié)果表明，在相同濃度下，隨著聚氧乙烯鏈長度的增加，表面活性劑的親水性增加，導致cmc逐漸增大；γcmc隨聚氧乙烯鏈長度的增加先減小后增大，其中P2的γcmc最低（27.19 mN/m），具有優(yōu)異的表面活性。此外，隨著聚氧乙烯鏈長度的增加，表面活性劑的接觸角和發(fā)泡量逐漸增加，乳化能力逐漸增強。在10 mmol/L的濃度下，表面活性劑在疏水聚四氟乙烯（PTFE）表面上的接觸角最低為48°，展現(xiàn)了出色的潤濕性。因此，本文合成的Gemini表面活性劑在降低表面張力的同時具有優(yōu)異的潤濕性能，在半導體顯影和工業(yè)清洗等領域具有巨大的應用潛力。