摘要

基于三種接枝不同親水基團的甜菜堿短鏈氟碳表面活性劑（C4F9SO2NH（CH2）3N+（CH3）2CH2COO-，C4-Ac；C4F9SO2NH（CH2）3N+（CH3）2CH2CH2SO3-，C4-sa；C4F9SO2NH（CH2）3N+（CH3）2CH2CH2PO（OH）O-，C4-pa），研究了不同溫度（0~40℃）對表面活性劑的表面活性、鋪展能力和發(fā)泡性能等各項理化性能參數的影響。結果表明，隨著溫度的提升，各氟碳表面活性劑的臨界膠束濃度（cmc）略有增大，最低表面張力（γcmc）有所減小，其中C4-sa溶液的表面活性相對更優(yōu)，其cmc可低至2.21 mmol/L，γcmc最低為16.28 mN/m。溫度對各表面活性劑的鋪展能力存在一定的影響，其趨勢為先增大后趨于基本不變，且C4-sa的鋪展能力最優(yōu)，與表面張力大小趨勢一致。發(fā)泡倍數隨溫度的升高而增大，直至20℃后增加不明顯。低溫時三種表面活性劑的發(fā)泡性能均有所欠缺，但溫度略有升高時則性能有所提升，在相同溫度下，C4-sa的發(fā)泡倍數最高可以達到6.9倍。總體結果表明，溫度對甜菜堿短鏈氟碳表面活性劑的理化性能有一定的影響，低溫下影響尤其顯著，為該系列表面活性劑在不同溫度環(huán)境下的應用提供了理論依據。

氟碳表面活性劑具有良好的化學穩(wěn)定性、疏水疏油性和熱穩(wěn)定性等特性。由于這些特性，氟碳表面活性劑被廣泛應用于消防、化工、礦物加工、皮革等各個領域。尤其是在消防滅火救援方面，水成膜泡沫滅火劑（AFFF）中最重要的一類化合物即為氟碳表面活性劑，在機場消防的應用中，AFFF是國際民用航空組織指定用于撲滅航空燃油火災的滅火劑。這正是由于氟碳表面活性劑將滅火劑水溶液的表面張力降低，覆蓋油面隔絕空氣的同時又能夠起到降溫的作用。然而，傳統(tǒng)AFFF通常以全氟辛烷磺酸鹽及其相關化合物為中間體來制備，這些表面活性劑因其長鏈的氟碳成分而表現出卓越的表面活性，但此類化合物在自然環(huán)境中的降解能力十分有限，常規(guī)飲用水和廢水的處理過程中不易脫除。由于此類化合物其毒性和生物富集性而引起的一系列嚴重的環(huán)境保護和人體健康安全問題備受關注。因此，尋求長碳鏈氟碳表面活性劑的有效替代物是一個迫切需要解決的問題。

研究表明，與長碳氟鏈的化合物相比，短鏈全氟烷基磺酸鹽具有更低的生物富集潛力和更小的急性毒性。關于縮短碳氟鏈后其性能參數是否受到顯著影響，國內外研究人員開展了一系列工作。張漢飛制備了含4個氟碳的表面活性劑，具有良好的表面活性，與碳氫表面活性劑復配可進一步降低表面張力。楊百勤等合成了一種基于全氟丁基的陽離子氟碳表面活性劑，表面張力為19.8 mN/m，臨界膠束濃度為36.4 mmol/L，在強酸性環(huán)境中具有更高的表面活性。兩性表面活性劑具有耐酸堿性和優(yōu)良的泡沫性能，孫道德等制備了一種羧基甜菜堿型氟碳表面活性劑，測得最低表面張力為18.53 mN/m，泡沫具有抗鹽性能和耐油性能。國內外已廣泛應用的商用表面活性劑產品（Forafac 1157和Forafac 1183）即基于6個氟碳調聚物的氟表面活性劑。Wang等制備了一種新型咪唑類短碳鏈氟碳表面活性劑，測定其最低表面張力為17.81 mN/m，臨界膠束濃度為6.29 mmol/L。由此可見，短碳氟鏈的表面活性劑有望作為PFOS的替代品進行應用。

然而不同溫度對表面活性劑的性能可能有一定程度的影響。尤其是機場消防領域，由于我國機場分布較廣，消防車滅火需要就近取水，各機場在冬季和夏季的消防用水水源溫度差異較大（一般在0~40℃）。在低溫下氟碳表面活性劑的性能可能會受到影響，進而影響AFFF的滅火性能。我國國標中也僅對泡沫在室溫下的性能指標有所要求，并未嚴格考慮溫度的影響。因此，將溫度作為影響因素進行研究，能夠指導表面活性劑的有效應用。本文在溫度為0~40℃的范圍下，研究三種接枝不同親水基團的基于短碳氟鏈的甜菜堿型兩性氟表面活性劑的一系列理化性質，為此類表面活性劑在不同溫度環(huán)境下的應用提供理論依據。