gemini表面活性剂性质与应用

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1、1.1引言近年来，人们一直在寻找高效的表面活性剂。而Gemini新型表面活性剂的出现[1-2]引起了众多学者的关注。这种新型表面活性剂打破了传统表面活性剂单疏水基单亲水基的结构，使其具有比传统表面活性剂更为优良的性能。由于Gemini表面活性剂具有独特的分子结构和优良的物理化学性能，因此应用前景广泛。1.2Gemini表面活性剂的结构低聚表面活性剂是两个和多个单链单头基，并通过连接基团在其亲水基或靠近亲水基连接而成的一种新型表面活性剂，结构如下图所示。图1.1两种表面活性剂的结构Gemini表面活性剂的亲水基团可以是阳离子、阴离子、非

2、离子和两性离子，近来优增添了阴阳离子或离子对[3-4]等。该表面活性剂的连接基团可分为柔性链和刚性链，按照连接基团的极性还可以分为极性链和非极性链。从Gemini表面活性剂的分子结构可以看到，该表面活性剂既增强了碳氢链的疏水作用，也通过连接基团调整亲水基团的距离，改变了单元分子的几何形状，导致胶束表面电荷密度、水化程度及胶束形状的变化，使其具有一定的特性。其连接基团化学键作用，减弱了亲水基团的静电作用，促进了分子在界面上的排列，从而使其具有更好的界面性能。1.3Gemini表面活性剂的性质1.3.1Gemini表面活性剂的主要性质(1

3、)与传统表面活性剂[5]相比，Gemini表面活性剂更易吸附在两相界面上。其吸附能力相当于传统表面活性剂的10～1000倍，这表明在表面活性剂应用的各个领域，Gemini表面活性剂远比传统表面活性剂高效。比如，在降低溶液的表面张力、发泡或乳化等方面(要达到相同的目的所需的)Gemini表面活性剂的效率和能力都比传统表面活性剂要强得多。(2)Gemini表面活性剂具有较低的临界胶束浓度(CMC)，仅相当于传统表面活性剂的0.10～0.01。这说明它们引起皮肤刺激性的可能性要小得多。这是因为刺激皮肤的是未胶束化的单个表面活性剂分子，而小的

4、CMC值意味着溶液中单个表面活性剂分子的个数很少。同时，小的CMC值也说明Gemini表面活性剂的增溶性好于传统表面活性剂。这是因为增溶现象只有在体系达到或超过CMC值时才发生。所以跟传统表面活性剂不同，Gemini表面活性剂溶液能有效地溶解适量的甲苯、己烷、水不溶性表面活性剂、颜料和涂料、脂质体等碳氢化合物。(3)与常规表面活性剂相比，Gemini表面活性剂的亲油基团在界面上排列得更紧凑，当2个亲水基之间的连接基只有4个碳原子或更少时，这种现象尤为明显。这就使得其在界面上产生了一层自黏性薄膜。它在气／液界面意味着能有效降低表面张力，

5、形成更稳定的泡沫；在液／液界面意味着可形成稳定的乳状液；在固／液界面意味着更稳定的固体分散。K.S.Tim和F.Li等在他们的研究中已观察到这些现象。(4)对离子型Gemini表面活性剂而言，其离子头基带有两倍的电荷。这意味着固体小颗粒能稳定地分散并悬浮在水中，以及和其它类型表面活性剂之间可能存在更强的相互作用。由于一种表面活性剂与其它表面活性剂的协同作用在很大程度上取决于两种表面活性剂的亲水基团间相互作用的强度。这说明Gemini表面活性剂与其它表面活性剂之间更有可能存在协同作用。如果协同作用确实存在，则意味着这种协调作用很强。(5

6、)离子型Gemini表面活性剂带有两倍的电荷，因而它对电解质不敏感。1.3.2亲油基中烷基链长度的影响与传统表面活性剂一样，在Gemini表面活性剂中，烷基链中碳原子数的增加会导致其表面活性的增加。当然，对于Gemini表面活性剂2个烷基链中每一个烷基链增加1个碳原子，整个Gemini表面活性剂分子就会增加2个碳原子，它的表面活性提高的程度就会明显高于只有1个烷基链的传统表面活性剂增加1个碳原子时的表面活性提高的程度。当烷基链中的碳原子数超过某一个临界值时，会产生出人意料的情况。通常这个临界值是14，当然具体的值取决于具体的Gemin

7、i表面活性剂结构和分子所处的环境(温度、溶液中的电解质含量)。当烷基链超过这一临界值时，Gemini表面活性剂没有像预期的那样出现表面活性增强的情况。而是随着链增长其表面活性只增加一点点。有时甚至出现其表面活性随着烷基链增长而降低的情况。因而，对于每一个烷基链上都含有18个碳原子的Gemini表面活性剂而言，其CMC值和C20值有时会大于同系的16个碳原子的对应值。这种现象可能是由于胶束预聚合引起的。即在低于预期的临界胶束浓度时，Gemini表面活性剂串成聚集体(二聚体)。由于有单个的表面活性剂分子才体现出表面活性，所以这种小聚集体的

8、形成降低了Gemini表面活性剂的表面活性。1.3.3连接基的影响Gemini表面活性剂2个亲水基之间连接基的长短和性质都会影响其性质。具有4个或4个碳原子以下短而柔的亲水性连接基诸如-O-，-OCH2CH2O-，-CH