阳离子表面活性剂

中文摘要：表面活性剂是一大类有机化合物。它们的性质极具特色，极为灵活、广泛，有很大的实用价值和理论意义。可以说，它们古老而年轻。最早的表面活性剂——肥皂，已有几千年的历史，早已为人们所熟知，就是合成表面活性剂，现在也成为家喻户晓的日用化学品和广泛应用的工业“助剂”。随着现代科学技术的发展，表面活性剂越来越受到关注，而阳离子表面活性剂是表面活性剂中的一种，除具有良好的乳化、润湿、洗涤等性能外，还具有特殊的杀菌、柔软、抗静电、抗腐蚀等性能。用作织物柔软剂、油漆油墨印刷助剂、抗静电剂、杀菌剂、沥青乳化剂。因为一般基质的表面带有负离子，当带正电的阳离子表面活性剂与基质接触时就会与其表面的污物结合，而不去溶解污物所有一般不做洗涤剂。同时还利用阳离子表面活性剂的特性，进行清洁表面，实现绿色化学。生产阳离子表面活性剂所用的原料: 硫酸二甲酯。

关键词：阳离子 表面 结构 活性剂 绿色化学原子 助剂 憎水性 亲水性 季铵盐 织物柔软剂

                              前言

    人们在认识世界时首先触及的是以各种形态存在的物质表面或界面。在日常生活和各种生产活动中人们又必须通过各种原料、设备对表（界）面进行实际操作，不断调节和改变表（界)面的物理化学性质。表面活性剂是在用量很少的情况时，即可显著改变物质表（界）面的物理化学性质的两条性物质，有广泛的应用功能。

表面活性剂已广泛应用于日常生活、工农业及高新技术领域。表面活性剂是的当今最重要的助剂，其应用已渗透到几乎所有的工业领域，被誉为“工业味精”科学巨匠泡利曾感叹说：“上帝创造了物体，魔鬼创造了表面"。浩浩乎宇宙，上帝安在哉？煌煌兮银汉，魔鬼安在哉？唯有人类正在开辟由表面作用重组物体的道路。

表面活性剂的应用已渗透到了一切技术经济部门，它的制品已成为人类日常生活中不可缺少的消费品。表面活性剂的产量和应用已成为世界各国工业发展水平的一种量度。未来表面活性剂的发展趋势将是以环保和安全为行业发展的主要推动力。功能性和有效性将成为表面清洁剂的开发方向；研究课题将集中在高新技术领域。

    在经济高速增长给生态环境造成重大伤害的今天，人们经过反思认识到只有做到”天人合一“才能确保可持续发展。因此许多科学家致力于绿色阳离子表面活性剂的研究，开发易生物降解，对人体温和的表面活性剂；降低所有产品中有害物质的含量，推进产品的环境友好化；大力开展表面活性剂在节能增效、改进质量、改善环境的应用。

正文

    阳离子表面活性剂，是其分子溶于水发生电离后，与亲油基相连的亲水基是带阳电荷的面活性剂。其疏水基与阴离子表面活性剂相似。其中疏水基与阴离子表面活性剂中的相似，亲水基和疏水基可直接相连，也可通过酯、醚和酰胺键相连。亲油基一般是长碳链烃基。亲水基绝大多数为含氮原子的阳离子，少数为含硫或磷原子的阳离子。分子中的阴离子不具有表面活性，通常是单个原子或基团，如氯、溴、醋酸根离子等。阳离子表面活性剂带有正电荷，与阴离子表面活性剂所带的电荷相反，两者配合使用一般会形成沉淀，丧失表面活性。它能和非离子表面活性剂配合使用。

    在阳离子表面活性剂中，最重要的是含氮的表面活性剂。而在含氮的阳离子表面活性剂中，根据氮原子在分子中的位置，又可分为常见的直链的胺盐、季铵盐和环状的吡啶型、咪唑啉型等四类。

（一）胺盐

    胺盐为伯胺、仲胺或叔胺与酸的反应产物。胺盐是弱酸的盐，在酸性条件下具有表面活性，在碱性条件下，胺游离出来而失去表面活性。简单有机胺的盐酸盐或醋酸盐可在酸性介质中用作乳化、分散、间湿剂，也常用作浮选剂以及作为颜料粉末表面的憎水剂。

（二）季铵盐是最重要的阳离子表面活性剂

    ①烷基季铵盐②双烷基季铵盐③亲水部分和疏水部分通过酰胺、酯、醚等基团来连接的铵盐④其它如双季铵盐和多季铵盐等。

    季铵盐与伯胺、仲胺、叔胺的盐不同，胺盐遇碱会生成不溶于水的胺，而季铵盐不受pH值变化的影响，不论在酸性、中性或碱性介质中，季铵离子均无变化。

    阳离子表面活性剂迪恩普 属于低聚型的季铵盐型阳离子表面活性剂。在结构中含有多个羟基，因此亲水性较好与阴离子表面活性剂有较好的配伍性。它具有阳离子表面活性剂的基本特性，因在“二和一”香波中具有增稠效果。Sapamine类表面活性剂可用做染料固色剂、柔软剂等。

    一些常见的季铵盐阳离子表面活性剂及用途见下表：

 

名称	用途
1231阳离子表面活性剂	抗静电、杀菌
1831阳离子表面活性剂	柔软、杀菌、抗静电、乳化、破乳
1227十二烷基二甲基苄基氯化铵（洁尔灭）	杀菌、抗静电、柔软、缓染、
新洁尔灭	杀菌
缓染剂DC	柔软、缓染
双十八烷基二甲基季铵盐	柔软、抗静电
抗静电剂SN	合成纤维及塑料的抗静电
抗静电剂TM	合成纤维抗静电
抗静电剂TN	抗静电
杜灭剂	杀菌
固色剂	染料、固色
拔染剂	拔染印花
固色交链剂	染料固色
乳胶防黏剂DT	乳胶防黏、杀菌
1631阳离子表面活性剂	柔软、杀菌

（三）杂环类阳离子表面活性剂

    杂环类阳离子表面活性剂为表面活性剂分子中含有除碳原子外，还具有其它原子且成环结构的化合物、杂环的成环规律和碳环一样，最稳定与最常见的杂环也是五元环或六元环。有的环只含有一个杂环类阳离子表面活性剂如下：

1.吡啶型

2.咪唑啉型

    ①2-烷基咪唑啉与硫酸二甲酯盐或卤代烷生成的季铵盐②2-烷基咪唑啉的脂肪酸络合物③2-烷基乙酰氨基乙基咪唑啉④Rewocat W7500 这是一种很好的柔软剂⑤2-烷基-1-羟乙基咪唑啉衍生物⑥2-烷基苯并咪唑衍生物

3.吗啉型

    吗啉型阳离子表面活性剂是六元环含有N、O两种杂原子的化合物。二烷基吗啉阳离子氯化物可用做润滑剂、净洗剂、杀菌剂，还可用于润滑油中。

4.其它类型

    其它杂环类阳离子表面活性剂还有胍衍生物、三嗉衍生物等。

（四）鎓盐

    鎓盐是指季铵盐阳离子表面活性剂的亲水基团N原子为其它可携带正电荷的元素，如P、S、I时的阳离子表面活性剂。

1.磷化合物

    磷化合物主要用作乳化剂、杀虫剂和杀菌剂。

2.锍化合物

    这类物质类似于苄基季铵盐，是有效的杀菌剂。它对皮肤的刺激性很小，优于季铵化合物。它在香皂和阴离子洗涤剂中均具有杀菌能力。聚锍化合物具有表面活性，可用做固色剂。

3.碘鎓化合物

    碘鎓化合物这种阳离子表面布偶星际具有抗微生物的效果，与肥皂盒阴离子表面活性剂的相容性好，且它对次氯酸盐的漂白作用有较大的稳定性。

 (五）阳离子氟碳表面活性剂

阳离子氟碳表面活性剂几乎都是含氮的化合物，也就是有机胺的衍生物，氟碳非极性基直接或间接与季铵基团、质子化氨基或杂环碱相连接，有些阳离子氟碳表面活性剂含有季铵基和仲氨基及碳酰胺键或磺酰胺键。阳离子氟碳表面活性剂在水中离解形成带正电荷的表面活性离子和带负电荷的共离子(平衡离子)。所以阳离子氟碳表面活性剂和阴离子氟碳表面活性剂一样对于电解质和介质的pH值是敏感的。由于大多数物质的表面和颗粒都带负电荷，所以阳离子氟碳表面活性剂容易吸附在这些带负电荷的表面。这种吸附可能是利也可能是弊，要取决于表面活性剂的使用场合。

 （六）新表面活性剂

  1.酯季铵盐

    表面活性剂进步的标志在于可再生低成本原料的开发、高表面活性和多功能性以及生态相容性。为此目的人们不懈地追求和研发更加完美的产品，酯季铵盐是20世纪90年代初在环境保护浪潮中拖影而出的表面活性剂新秀。99%用于纺织助剂。

  2.双长链精氨酸阳离子表面活性剂

    双长链精氨酸阳离子表面活性剂，除有类似的生物学和生态学性质外，表面活性要超过相应的单体表面活性剂。引入酰胺基后分子的酸性增强，其水溶性、抗硬水能力和抑菌能力增加，特别是酰基氨基酸酯类与蛋白质的亲和性很好，刺激性极低。双长链酰基精氨酸阳离子还可形成特殊的络合体，表现出螯合与抗氧化功能。因此它们是很好的化妆品原料。

    阳离子表面活性剂的显著特征，正是基于这些优点，阳离子表面活性剂才能在精细化工中有重要的应用。

（1）优异的杀菌性

    阳离子表面活性剂（主要是季铵盐类）水溶液有很强的杀菌能力。杀菌能力取决于它对细胞的渗透性和对蛋白质的沉淀能力。因而广泛应用于杀菌、消毒、防霉、除藻等领域。典型的杀菌剂如十二烷基二甲基苄基氯化铵（洁尔灭）、十二烷基二甲基苄基溴化铵（新洁尔灭）等。

杀菌性强则毒性大，单独的阳离子表面活性剂，基于它的杀菌性，很难被微生物分解，好在阳离子表面活性剂在废水环境中不会单独存在，它总是与一些其它物质（如其它类型的表面活性剂）结合成复合体，这些复合体是能被分解的。

（2）容易吸附于一般固体表面

    阳离子表面活性剂的另一特点就是容易吸附于一般固体表面。这主要是由于在水介质中的固体表面（即固液界面）一般是电负性的，正表面活性离子容易强烈地吸附于其上，因此常能赋予固体表面某些特性（如憎水性），于是具有某些特殊用途。

①作矿物浮选剂 

    使矿粉表面变成憎水性，易附着于气泡上方而浮选出来。

②在沥青乳状液中作为乳化剂 

    碎石表面因强烈吸附阳离子表面活性剂而成为亲油表面，不仅增加了碎石与沥青间的黏结性，也增强了路面的抗水性，同时容易发生“破乳”。

③用作织物柔软剂 

    阳离子表面活性剂在固体表面吸附后，疏水的非极性烷基链指向空气，该变了固体表面的摩擦因数。如固体为织物，则可使手感改善，具有松软的柔软感。广泛吸附在头发上，可改善头发的梳理性。这里详细介绍家用织物柔软剂。

家用织物柔软剂首先由E．E．Staley和P&G公司于20世纪50年代后期开发，并成功投入美国市场的，到60年代初在日本和欧洲市场上也有了家用柔软剂。在美国使用家用柔软剂的原因是，从60年代以来，家用洗衣机的80％带有烘干机，在烘干时容易产生静电，这可用烘干用柔软剂解决。同时，由于人们的洗涤习惯逐渐由肥皂手洗转向含助剂合成洗涤科的机器洗涤，使得洗后的织物手感比较差，需用织物柔软剂进行处理。因此，织物柔软剂成为家用洗涤必用助剂之一，直至今日仍为人们广泛使用。初期的织物柔软剂产品是水基分散体，含阳离子表面活性剂的质量分数为3％～8％。从表面活性物用量上来讲是处理织物质量分数的0．1％～0．2％。在1983年以前，美国烘干型柔软剂占整个家用柔软剂市场的40％。由于复配技术的提高，漂洗型柔软剂可以提供比烘干型柔软剂更高的活性物添加量，人们逐渐从烘干型转向漂洗型。现在美国市场漂洗型柔软剂占织物柔软剂用阳离子表面活性剂的80％。从欧洲来看，由于欧洲家庭烘干机很少(如图1所示)，主要以绳子晾晒衣服，即使在今天也是如此，只有21％的家庭拥有烘干机。此比例低于世界其他地区，并且织物主要是纯棉织物，希望有助于熨烫和去皱，所以烘干型占了很少的市场份额，从70年代、80年代开始大量使用漂洗型柔软剂。1995年漂洗型柔软剂活性物的市场销售量为9072t。

  1．衣服在洗涤过程中变粗糙的原因

  随着时代的发展，人们使用的洗涤剂从牛油基肥皂向合成洗涤剂变迁，洗涤习惯也从手洗逐渐转为机洗。洗涤剂中常常含有诸如磷酸盐、碳酸盐或柠檬酸等助剂，大大降低了不溶性肥皂和烷基苯磺酸钙及镁盐的沉淀，而这些钙盐往往沉积在织物上形成一层暗灰色的膜，但这层膜能使织物有一种柔软的感觉。加之，利用机器洗涤后，棉织物的天然润滑油、油性污垢及粘土污垢去除得比手洗更干净。正因为这些织物纤维的覆盖物及润滑剂的去除，使得织物变得手感粗糙。当重复洗涤时，棉花微小纤维断裂和拆散，加之洗涤过程中的机械摩擦产生静电，静电使变干的微纤维与纤维柬垂直，这些微纤维像一个“倒勾”，抑制纤维一纤维间的滑动，干扰了纤维的柔性，当纤维经过皮肤时，触感粗糙。

 2．柔软剂的作用机理

   对上述织物加入柔软剂后，这些柔软剂通过化学和物理吸附于织物上，降低静电积累改善了纤维．纤维间的相互作用，使得微纤维躺倒与纤维束平行，消除了“倒勾”，并且通过覆盖和润滑纤维束，减少了纤维间的摩擦，得到了更柔软，易弯曲的纤维。像钙皂、油、粘土及阳离子表面活性剂可通过上述机理，改善纤维的手感。因此，加入织物柔软剂具有如下好处：①改善了织物的手感；②因柔软剂中通常含有香精，使织物洗后有清新感；③利用织物柔软剂可以作为一个载体，加入消费者喜欢的一些织物改善助剂，如污垢释放剂，慰烫润滑剂；④由于降低了干燥时间，降低了机械对纤维损伤，易于熨烫，延长了织物的寿命；⑤降低了织物的静电积累。可是，作为消费者用的柔软剂也有一定的不足之处，如降低了织物的再润湿能力；绝大部分是用在漂洗阶段，对消费者来说加了一道工序、不方便；会使织物泛黄或使织物受到污染；增加了洗涤费用。

    如前所述，许多不同的化学物质都可以改善纤维的润滑及织物的柔软，那么为什么要选用阳离子表面活性剂来柔软织物呢?原因是由于纤维本身带有负电荷，阳离子表面活性剂高效地沉淀和吸附在纤维上，即使在低剂量的条件下，也能有效地降低微纤维的静电和纤维间的摩擦，经阳离子表面活性剂处理后，对下次的洗涤效率影响最小。由于阳离子表面活性剂基于像牛油、猪油及植物油，这些价格便宜的原材料，加上中等制造费用，所以单位剂量的成本较低，阳离子表面活性剂在2％～24％浓度范围内比较易于复配，对高级生命体无毒，在环境中不会积累。因此，选用阳离子表面活性剂作为织物柔软剂是最理想的。

随着环保意识的日益增强，柔软剂中阳离子表面活性剂的生物降解性是人们考虑的一个重要因素。在北欧全部及南欧绝大部分地区，酯基季铵盐已代替了DTDMAC。但在北美DTDMAC还在继续使用，认为前述所有阳离子表面活性剂都是完全生物降解，可以通过标准水处理除去，不会在环境中积累。在发展中国家，由于人均消费量比较低，所以生物降解性还不是一个主要课题。由于前述阳离子表面活性剂的生物降解性还可以满足要求，这些阳离子表面活性剂将继续被生产和作为柔软剂的主活性物使用，尽管新型阳离子表面活性剂的开发工作仍在继续，但新型阳离子表面活性剂的开发速度较慢，主要原因是一个新型表面活性剂要使环保部门认可具有良好的生物降解性和对环境无害，需花费很大的人力和物力，从某种意义上抑制了新品种的开发。柔软剂产品的功能也逐渐从单一的柔软作用向多功能发展，例如，使衣物除皱，赋予弹力，易于熨烫，以及衣物具有一定香味等。

④作为抗静电剂 

    由于阳离子表面活性剂在固体表面形成一层连续的吸附膜，活性的极性基因产生离子导电和吸湿导电，起到抗静电作用。

⑤利用阳离子表面活性剂和阳离子染料在纤维上的竞争吸附，可将其作为缓染剂。

⑥在造纸工业中，高分子型阳离子表面活性剂可作为纸张增强剂吸附在带负电荷的纸强表面。这里阳离子基因起固定作用，而高分子化合物则起增强作用。

⑦阳离子表面活性剂吸附在固体表面后所赋予的亲油性，使其可用做颜料分散剂、煤与油混合燃料的分散剂等。

⑧阳离子表面活性剂吸附在蛋白质上，与氨基酸中羧基作用，可使溶解的蛋白质沉淀。因此可将其应用在制药工业中提取抗菌素，制糖工业中澄清糖汁等方面。

⑨其它，如油田输油管道的防腐蚀等皆与离子表面活性剂容易吸附的特性有关。

正是由于阳离子表面活性剂在固体表面吸附，使固体表面呈“疏水”状态。因此，通常不适用于洗涤和清洗。在弱酸性溶液中它能洗去带正电荷的织物如丝、毛织物上的污垢，但日常生活中很少使用。

结论

实施清洁工艺可以从源头上消除污染。表面活性剂的清洁工艺，主要体现在根据结构与性能关系的研究进行分子设计，开发易生物降解，对人体温和的表面活性剂；降低所有产品中有害物质的含量，推进产品的环境友好化；在其生产过程中推进化学反应及原料的绿色化；同时根据表面活性剂能对界面过程产生影响、起到功能助剂作用的特点，大力开展表面活性剂在节能增效、改进质量、改善环境的应用。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献 ：

[1]表面活性剂作用原理/赵国玺，朱瑶著—北京：中国轻工业出版社，2003.1 ISBN 7-5019-3749-4

[2]表面活性剂应用原理/肖进新，赵振国编著—北京：化学工业出版社，2003.5

ISBN 7-5025-4405-4

[3]表面活性剂：原理、合成、测定及应用/赵世民编—北京：中国石化出版社，2005 ISBN 7-801640882-X

[4]表面活性剂的功能/徐燕莉编著—北京：化学工业出版社，2000.6（2001.8重印）  ISBN 7-5025-2854-7

[5]表面活性剂清洁生产工艺/朱领地主编；谭朝阳，曹辰钢，潘书志编—北京：化学工业出版社，2004.8  ISBN 7-5025-6073-4

[6]新表面活性剂/孙岩等编著—北京：化学工业出版社，2003.9  ISBN 7-502504779-7