2結(jié)果與討論

2.1 Gemini表面活性劑的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1紅外光譜分析

圖1、圖2為雙子表面活性劑的紅外光譜圖。由圖1可知，目標(biāo)產(chǎn)物通過中間體1和中間體2的對(duì)比已反應(yīng)合成，目標(biāo)產(chǎn)物C12-3(OH)-DM中3357cm-1為—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰，3010cm-1為不飽和雙鍵氫C=C—H的伸縮振動(dòng)吸收峰；2921cm-1、2851cm-1為飽和甲基和亞甲基C—H的伸縮振動(dòng)吸收峰；1726cm-1為酯基上C=O鍵伸縮振動(dòng)吸收峰；1637cm-1為C=C的伸縮振動(dòng)吸收峰；1472cm-1為C—N的伸縮振動(dòng)吸收峰；1380cm-1、1326cm-1分別為甲基和亞甲基的彎曲振動(dòng)吸收峰；1262cm-1為酯基上C—O的伸縮振動(dòng)吸收峰，這些峰的存在說明紅外圖譜與C12-3(OH)-DM分子式中的基團(tuán)一一對(duì)應(yīng)。圖2顯示，3種雙子表面活性劑均已合成。

圖1 Gemini表面活性劑C12-3(OH)-DM的紅外光譜圖

圖2 Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM的紅外光譜圖

2.1.2核磁共振分析

圖3、圖4是Gemini表面活性劑的核磁共振氫譜圖。由圖3、圖4可知，目標(biāo)產(chǎn)物通過與中間體1和中間體2的對(duì)比已反應(yīng)合成，氫譜上的H峰位置和比例與Cm-3(OH)-DM的分子式一一對(duì)應(yīng)，溶劑為D2O。目標(biāo)產(chǎn)物C12-3(OH)-DM中δ=6.15、5.58為C=C—H的質(zhì)子信號(hào)，δ=4.21為—COO—CH2的質(zhì)子信號(hào)，δ=3.4～3.6為N—CH2—的質(zhì)子信號(hào)，δ=3.12為N—CH3的質(zhì)子信號(hào)，δ=1.77為C=C—CH3的質(zhì)子信號(hào)，δ=1.12為—CH2—的質(zhì)子信號(hào)，δ=0.76為—CH3的質(zhì)子信號(hào)。圖4顯示，3種雙子表面活性劑均已合成。

2.1.3元素分析

表1列出了元素分析得到的Cm-3(OH)-DM中C、H和N含量的測(cè)定值及其理論值。由表1可得，測(cè)定值與理論值非常接近。結(jié)合紅外圖譜、核磁共振氫譜及元素分析的數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)合成的化合物為目標(biāo)產(chǎn)物反應(yīng)型陽離子Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM（m=12，14，16）。

圖3 Gemini表面活性劑C12-3(OH)-DM的核磁共振氫譜

圖4 Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM的核磁共振氫譜

表1 Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM中C、H和N的含量

2.2 Gemini表面活性劑的性能分析

2.2.1表面性能

圖5為Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM的表面張力隨濃度變化圖。由所制雙子表面活性劑的表面性能數(shù)據(jù)所示。溶液的表面張力隨著表面活性劑濃度的增加而迅速降低，直至達(dá)到平衡，且能在低濃度時(shí)即可顯著降低水的表面張力。并且C12-3(OH)-DM(32.1mN/m)、C14-3(OH)-DM(30.1mN/m)和C16-3(OH)-DM(27.7mN/m)的最低表面張力值比對(duì)應(yīng)的單子陽離子表面活性劑C12TACl(39mN/m)、C14TACl(38mN/m)和C16TACl(40mN/m)低得多[1-2，24]，且其臨界膠束濃度分別為0.0265mmol/L、0.0169mmol/L、0.0083mmol/L比對(duì)應(yīng)的單子表面活性劑低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，所合成的雙子表面活性劑是一種非常高效的表面活性劑。表2列出了Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM的表面性能。

圖5 Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM的表面張力

表2 Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM的表面性能

2.2.2泡沫性能

表3為Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM的泡沫高度和液體高度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)表。由表3可見，雙子表面活性劑的泡沫高度在10min時(shí)達(dá)到平衡值，起泡性能隨疏水碳鏈長(zhǎng)度的加成先增加后降低，在疏水碳鏈長(zhǎng)度為14時(shí)泡沫高度達(dá)到最大，碳鏈長(zhǎng)度為16時(shí)泡沫高度最低。而穩(wěn)泡性能，同起泡性能變化相同，疏水碳鏈長(zhǎng)度為14時(shí)泡沫穩(wěn)定率達(dá)到82.5%，為碳鏈16的雙子表面活性劑泡沫穩(wěn)定性為73.4%。

表3 Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM的泡沫性能

2.2.3乳化性能

采用量筒法進(jìn)行表面活性劑乳化力的測(cè)定，結(jié)果見表4。雙子表面活性劑比傳統(tǒng)單子表面活性劑十二烷基三甲基氯化銨[1-2，22]分出相同體積水的時(shí)間長(zhǎng)，且隨著烷基碳鏈長(zhǎng)度的增加，水相所分離出水量所用的時(shí)間也越長(zhǎng)。這可能是因?yàn)樵谟?水界面上，吸附的表面活性劑分子之間排列越緊密，形成界面的膜強(qiáng)度越高。根據(jù)單分子吸附膜理論，界面張力減小，乳化性能越好，表現(xiàn)為從乳狀液中分離出水所用的時(shí)間越長(zhǎng)。隨著烷基碳鏈長(zhǎng)度的增加，碳?xì)滏滈g的相互作用力更強(qiáng)，兩個(gè)表面活性劑單體分子之間的連接更加緊密，形成的界面膜強(qiáng)度也越高，因此烷基碳鏈長(zhǎng)度越長(zhǎng)的雙子表面活性劑的乳化效果越好。

表4 Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM的乳化性能

3結(jié)論

（1）以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DM）、環(huán)氧氯丙烷（ECH）和3種長(zhǎng)鏈烷基叔胺為主要原料，合成了3種反應(yīng)型陽離子Gemini表面活性劑C12-3(OH)-DM、C14-3(OH)-DM和C16-3(OH)-DM，并通過紅外光譜、核磁共振光譜和元素分析證實(shí)得到了目標(biāo)產(chǎn)物。

（2）測(cè)定了Cm-3(OH)-DM在水溶液中的表面張力、cmc以及其熱力學(xué)常數(shù)，得到其cmc分別為0.0265mmol/L、0.0169mmol/L、0.0083mmol/L，γcmc分別為32.1mN/m、30.1mN/m、27.7mN/m。以上數(shù)據(jù)表明與對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)單子表面活性劑相比，Gemini表面活性劑Cm-3(OH)-DM（m=12，14，16）具有很好的表界面活性。

（3）Cm-3(OH)-DM有良好的發(fā)泡和穩(wěn)泡效果，10min內(nèi)泡沫達(dá)到平衡值，泡沫穩(wěn)定率分別達(dá)到79.6%、82.5%、73.4%。與傳統(tǒng)單體表面活性劑C12TACl相比，Cm-3(OH)-DM還具有較高的乳化力。

符號(hào)說明

A——吸附面積，nm2

cmc——臨界膠束濃度，mmol/L

Γ——吸附量，μmol/m2

Δ——吸附能，J/mol

γ——表面張力，mN/m

下角標(biāo)

12——十二烷基碳鏈數(shù)

14——十四烷基碳鏈數(shù)

16——十六烷基碳鏈數(shù)

m——三種烷基碳鏈數(shù)