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氟碳表面活性劑

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氟碳表面活性劑,指能以極低的濃度顯著地降低溶劑的表面張力的一類物質稱為表面活性劑。廣泛應用於合成洗滌劑、化妝品、食品、橡膠、塑料、油墨等諸多行業。

  
氟碳表面活性劑
氟碳表面活性劑的工作原理圖示

英文: fluoronates Surfactant/fluorocarbon surfactant

1 氟碳表面活性劑 -概述

  能以極低的濃度顯著地降低溶劑的表面張力的一類物質稱為表面活性劑。氟碳表面活性劑是特種表面活性劑中最重要的品種,指碳氫表面活性劑的碳氫鏈中的氫原子全部或部分被氟原子取代,即氟碳鏈代替了碳氫鏈,因此表面活性劑中的非極性基不僅有疏水性質而且獨具疏油的性能。


  氟碳表面活性劑分為陰離子、陽離子、非離子、兩性氟碳表面活性劑,以及其他類型的氟碳表面活性劑如含硅氟碳表面活性劑、混雜型表面活性劑、長鏈型表面活性劑和無親水基氟碳表面活性劑等。


  氟碳表面活性劑廣泛應用於合成洗滌劑、化妝品、食品、橡膠、塑料、油墨等諸多行業。在感光材料中,主要用作潤濕劑、乳化劑、抗靜電劑等。同時還可以作為消防滅火劑的添加劑,油墨添加劑,用於石油開採、紡織印染、紙張皮革處理、環保農藥、合成樹脂、高檔塗料等等


  氟碳表面活性劑自從用有機方法被合成以來,就引起了人們的廣泛關注和興趣,對其研究和應用隨即迅速發展,在科技領域、工業和日常生活中與日俱增的重要意義也被普遍確認。在國外,Dupont公司早在五、六十年代就開始工業化生產氟碳表面活性劑,其他公司也相繼開發了各自的工業化合成路線;在國內,中科院有機所在六十年代就開始了對氟碳表面活性的研究,並取得積極成果,已開發了部分工業化產品。近幾年,隨著國內經濟不斷發展,人們消費水平的提高,美國Dupont、3M等公司注意到中國市場的巨大潛力和誘人前景,先後在國內推出了他們的系列產品。可以肯定,由於氟碳表面活性劑的獨特性能,其應用範圍將不斷擴大,應用水平會不斷提高,在表面處理領域中的地位也將日益重要。 顏填料,助劑,樹脂,乳液,分散 ,那麼人們不禁要問:究竟什麼是氟碳表面活性劑?它到底具有哪些獨特的性質?它又能應用到哪些領域或行業?

2 氟碳表面活性劑 -一、氟碳表面活性劑的概念:

  眾所周知,表面活性劑一般由極性基團(親水基)和非極性基團(疏水基)二部份組成。普通表面活性劑的非極性基團為碳氫鏈,但氟碳表面活性劑的非極性基團為氟碳鏈,即以氟原子部分或全部取代碳氫鏈上的氫原子。而二者在極性基團的結構上無明顯區別。所以氟碳表面活性劑就是以氟碳鏈取代碳氫鏈作為分子中非極性基團的表面活性劑。

3 氟碳表面活性劑 -二、氟碳表面活性劑的特性及其原理:

  由上述結構特點,我們便可推知氟碳表面活性劑的獨特性質直接與氟碳鏈相關,更進一步講是取決於氟元素的獨特性質。簡而言之,相對於其他表面活性劑,氟碳表面活性劑最為顯著的特點是:高效、穩定,即高表面活性,高熱力學和化學穩定性。


  氟元素是電負性最強的元素,它具有高氧化勢、高電離能,這種特性一方面造成氟—碳鍵(F—C)鍵能高(實際上氟—碳鍵是已知鍵能最高的共價鍵),因而氟碳鏈結構遠比碳氫結構穩定;另一方面氟原子非常難以被極化,使氟碳鏈極性比碳氫鏈小。正是因為這種低極性,使氟碳鏈疏水作用遠比碳氫鏈強烈(其實,低極性不但使氟碳鏈疏水,而且還疏油—這裡油是指碳氫類化合物);另外,低極性又導致氟碳鏈相互間作用力弱。這二個因素共同作用使得氟碳表面活性劑分子在水溶液中有比其它表面活性劑分子更加強烈的傾向來脫離水溶液,在液/氣界面上定向聚集排列成分子膜,從而使其具有與其它表面活性劑所不同的二種特性; 顏填料,助劑,樹脂,乳液,分散


  1、在極低應用濃度下便能顯著降低水溶液的表面張力。有些氟碳表面活性劑(如Dupont的Zonyl系列產品)在50~100ppm時便可將水溶液表面張力降到18~20dyn/cm。這主要是氟碳鏈疏水作用強烈,相互間分子作用力弱的原因。


  2、極高的表面活性,即可將水溶液表面張力降到極低水平。像全氟羧酸可以使水溶液表面張力降至15~16dyn/cm。這是因為氟碳表面活性劑中的氟碳鏈在水溶液表面形成排列整齊的單分子膜,就像在溶液表面鋪了一層氟碳化合物,而氟碳化合物是典型的低表面能材料,如聚四氟乙烯表面能為19dyn/cm。


  另外,氟碳表面活性劑還具有極高的穩定性。這是因為一方面氟—碳鍵(F—C)鍵能高,很難被破壞;另一方面氟原子對碳—碳鍵(C—C)具有屏敝效應。氟原子的半徑比氫原子大,可有效地將全氟化的碳—碳鍵(C—C)屏敝保護起來,減少碳—碳鍵(C—C)被破壞的可能,但同時氟原子半徑又沒有大到足以在全氟碳鏈中引起立體張力的程度,因此使氟碳鏈更加穩定。這種穩定性具體表現在以下三個方面:


  1、熱穩定性高。全氟磺酸鹽能在350~400℃不發生分解,全氟羧酸在400℃環境下能穩定存在,全氟羧酸鹽也能應用在250℃的高溫體系中; 顏填料,助劑,樹脂,乳液,分散!


  2、化學穩定性好。氟碳表面活性可在強酸、強鹼、強氧化介質等特殊應用體系中穩定有效地發揮其表面活性劑作用,不會與體系發生反應或分解。如全氟磺酸鹽在含氧化鉻(10G/L)的98%硫酸溶液中於90℃溫度下存放28天其性能不發生任何變化;


  3、相容性好。高的化學穩定性就意味著高的化學惰性,氟碳表面活性劑能與其它各類活性劑很好地相容,並可應用於幾乎所有配方體系。


  實際上氟碳表面活性劑分子中其它基團的穩定性往往比氟碳鏈差,在總體上降低了氟碳表面活性劑的穩定性。換句話,氟碳表面活性劑的穩定性取決於其所含非氟基團(如親水基)的穩定性。 顏填料,助劑,樹脂,乳液,分散


  綜上所述,氟碳表面活性劑具有以下其它非氟表面活性劑不可能具備的特性:


  1、在非常低的濃度下(50~100ppm)可將水溶液表面張力降到很低水平(18~20dyn/cm); 顏填料,助劑,樹脂,乳液,分散,


  2、高的熱力學和化學穩定性,可用於高溫、強酸、強鹼、強氧化介質等體系;


  3、極好的相容性,可廣泛用於各種PH值範圍、各類水性、無水、粉末或輻射固化體系,並能與體系中其它表面活性劑和組份很好地相容。

4 氟碳表面活性劑 -三、氟碳表面活性劑應用特徵及範圍:

  氟表面活性劑上述特性決定了其應用範圍和特點: 顏填料,助劑,樹脂,乳液,分散


  1、應用於其它表面活性劑性能不足的場合。如在普通表面活性劑對體系的潤濕、流平性提高不夠,或不能有效地分散、乳化某些低表面能物質等情況下,都可以採用氟碳表面活性劑。由於其高表面活性,無疑在潤濕、流平等方面具有出色表現,並可有效分散、乳化低表面能材料,如聚四氟乙烯。這種性質在油漆、塗料、油墨、膠粘劑等行業尤為重要。 顏填料,助劑,樹脂,乳液,分散


  2、應用於其它表面活性劑無法應用的場合。如高溫、強酸、強鹼、強氧化介質等體系。原因很簡單,在這種情況一般表面活性劑就會與體系發生反應或分解,因而根本無法應用。這使得氟碳表面活性劑在某些特殊條件下有其無可比擬的優越性。


  由於氟表面活性劑生產成本高,市場價格昂貴,儘管其性能卓越,仍不能取代各類普通表面活性劑。但當要求產品具有特殊性能或要應用於特殊環境中時,氟碳表面活性劑則又是最好的選擇。


  目前在工業上氟碳表面活性劑已經有廣泛且成熟的應用:如在油漆、塗料、油墨行業作潤濕、流平、防粘、防污劑;在消防工業上用作輕水泡沫滅火劑;在聚合物體系中用作乳化劑、脫模劑、防霧劑、防靜電劑;在電子行業作清洗劑、助焊劑、氧化抑製劑;在金屬製備中作潤滑劑、漂洗添加劑、腐蝕抑製劑;在農業材料上作殺菌劑、防霧劑;以及在醫療、石油、感光材料、清洗劑、紡織等領域均有重要應用。

5 氟碳表面活性劑 -四、如何選擇和使用氟碳表面活性劑?

  接下來一個問題是:既然氟碳表面活性劑有如此出色的性能,又有如此廣泛之應用,那麼,怎樣在一個特定的配方體系中選擇一種合適的氟碳表面活性劑產品?這裡需要考慮以下幾方面因素:


  1、需要明確利用氟碳表面活性劑來提高配方中哪方面性能,是潤濕性、流平性還是發泡性?或還是利用其高穩定性來應用到特殊環境中?


  2、考慮氟碳表面活性劑特別是其中非氟官能團是否與體系相容,是否會與體系反應而破壞體系的穩定性;或因其它副作用而影響最終產品的性能?


  3、考慮氟碳表面活性劑的物理性質如溶解度、顏色、狀態是否會限制其在特定體系中的應用?


  4、使用效果是否非常顯著,成本是否可行?


  如果你按照上述方法已經選擇了一種氟碳表面活性劑,那麼在應用時還需注意以下問題:


  1、由於氟碳表面活性劑基本上為漿狀或粉狀物,直接使用不方便,故商業;化產品中往往已被配製為溶液。但這些產品在低溫時經常會分離成兩相或沉澱,因此使用前務必充分攪拌,在必要情況下可輕度加熱(40~50℃),以保證產品混合均勻;


  2、有些氟碳表面活性劑產品的表面活性,特別是發泡能力隨體系的PH值變化會有很大差異,因此必須使PH值調至適用的範圍或選擇一種適合於該PH值的產品;


  3、在每一種特定配方中氟碳表面活性劑的最佳應用濃度各不相同,故應通過「等量增減」等方法來優化和確定適合於該配方的使用濃度;


  4、 儘管氟碳表面活性劑對液體表面張力降低性能卓越,但其主要作用於液/氣界面,因而在降低固/液相界面張力時性能不如普通碳氫類表面活性劑。實驗證明,與普通表面活性劑復配會產生更為優越的協同效應。這不僅能減少兩者的用量,降低總體成本,同時還能產生更好的效果。這一點當用作潤濕、流平劑時尤顯重要.

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