陽離子表面活性劑主要是含氮的有機胺衍生物,由于其分子中的氮原子含有孤對電子,故能以氫鍵與酸分子中的氫結合,使氨基帶上正電荷。因此,它們在酸性介質中才具有良好的表面活性;而在堿性介質中容易析出而失去表面活性。除含氮陽離子表面活性劑外,還有一小部分含硫、磷、砷等元素的陽離子表面活性劑。
發展狀況
陽離子表面活性劑在工業上大量使用的曆史不長,需求量逐年都在快速增長,但是由于它的主要用途是殺菌劑、纖維柔軟劑和抗靜電劑等特殊用途,因此與陰離子和非離子表面活性劑相比,使用量相對較少。
我國陽離子表面活性劑的研發和使用起步較晚,但發展速度較快。1981年工業用陽離子表面活性劑品種為18個,占工業用表面活性劑總品種數的13.5%。到1990年便上升為45個,占15.5%,包括民用品種在内,總計有105個品種。但由于陽離子表面活性劑應用範圍窄、使用量較小,因此産量極少,直至2002年年産量仍然僅有幾千噸,不足表面活性劑總産量的1%。
陽離子表面活性劑一般都具有良好的乳化、潤濕、洗滌、殺菌、柔軟、抗靜電和抗腐蝕等性能,由于其特殊的性能與應用,具有良好的發展潛力,随着工業用和民用應用範圍不斷擴大,其品種和需求量都将繼續增加。
主要類型
具有商業價值的陽離子表面活性劑大多是有機氮化合物的衍生物,其正離子電荷由氮原子攜帶,也有一些新型陽離子表面活性劑的正離子電荷由磷、硫、碘和砷等原子攜帶。按照陽離子表面活性劑的化學結構,主要可分為胺鹽型、季铵鹽型、雜環型和啰鹽型等四類。
胺鹽型
胺鹽型陽離子表面活性劑是伯胺鹽、仲胺鹽和叔胺鹽表面活性劑的總稱。它們的性質極其相似,且很多産品是伯胺與仲胺的混合物。這類表面活性劑主要是脂肪胺與無機酸形成的鹽,隻溶于酸性溶液中。而在堿性條件下,胺鹽容易與堿作用生成遊離胺而使其溶解度降低,因此使用範圍受到一定的限制。
季铵鹽型
季铵鹽型陽離子表面活性劑是最為重要的陽離子表面活性劑品種,其性質和制法均與胺鹽型不同。此類表面活性劑既可溶于酸性溶液,又可溶于堿性溶液,具有一系列優良的性質,而且與其他類型的表面活性劑相容性好,因此,使用範圍比較廣泛。
雜環型
陽離子表面活性劑分子中所含的雜環主要是含氮的嗎啉環、吡啶環、咪唑環、哌嗪環和喹啉環等。
啰鹽型
陽離子表面活性劑按照雜原子的不同,可分為含N、P、As、S、I等元素的表面活性劑,但這種分類方法很少使用。按照攜帶正電荷的原子不同,陽離子表面活性劑還包括啰鹽、锍鹽、碘啰和㑩鹽化合物等。
合成方法
合成陽離子表面活性劑的主要反應是N-烷基化反應,其中叔胺與烷基化試劑作用,生成季铵鹽的反應也叫做季铵化反應。
烷基季铵鹽
烷基季铵鹽是季铵鹽型陽離子表面活性劑的重要品種之一,已作為殺菌劑、纖維柔軟劑、礦物浮選劑、乳化劑等被廣泛地應用。其結構特點是氮原子上連有四個烷基,即铵離子的四個氫原子全部被烷基所取代,通常這個烷基中隻有一或兩個是長鍊碳氫烷基,其餘烷基的碳原子數為一個或兩個。根據其結構特點,烷基季铵鹽的合成方法主要有三種,即由高級鹵代烷與低級叔胺反應制得、由高級烷基胺和低級鹵代烷反應制得和通過甲醛-甲酸法制得。
含雜原子的季铵鹽
這裡所謂的含雜原子的季铵鹽一般是指疏水性碳氫鍊中含有O、N、S等雜原子的季铵鹽,也就是指親油基中含有酰胺鍵、醚鍵、酯鍵或硫醚鍵的表面活性劑。由于親水基團季铵陽離子與烷基疏水基是通過酰胺、酯、醚或硫醚等基團相連,而不是直接連接在一起,故也有人将這類季铵鹽稱作間接連接型陽離子表面活性劑。
含有苯環的季铵鹽
這類表面活性劑主要用作殺菌劑、起泡劑、潤濕劑和染料固色劑等。在合成過程中,引入芳環的主要方法是用氯化苄作烷基化試劑與叔胺反應。氯化苄是由甲苯的側鍊氯化反應制得的,為了避免苯環上的氯化,要求該反應在搪瓷釜或搪玻璃塔式反應器中進行。
含雜環的季铵鹽
季铵鹽分子中所含的雜環主要是嗎啉環、哌嗪環、吡啶環、喹啉環和咪唑環等 。
胺鹽型
胺鹽型陽離子表面活性劑主要有長鍊烷基伯胺鹽、仲胺鹽、叔胺鹽三大類。
陽離子表面活性劑具有良好的殺菌、柔軟、抗靜電、抗腐蝕等作用和一定的乳化、潤濕性能,也常常用作相轉移催化劑。但這類表面活性劑很少單獨用作洗滌劑,因為很多基質的表面在水溶液中,特别是在堿性水溶液中通常帶有負電荷,在應用過程中,帶正電荷的表面活性劑會在基質表面形成親水基向内、疏水基向外的排列,使基質表面疏水而不利于洗滌,甚至産生負面作用。此外,這類表面活性劑的主要應用領域也不像其他表面活性劑,用來降低表面張力,而是利用其結構上的特點,用于其他特殊方面
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