Page 128 - 《精细化工》2022年第1期

·118· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

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GC-Cl: HNMR (400 MHz, CDCl 3 ), δ: 0.88 (t, 1    
6H, Ⅰ-H), 1.26 (m, 36H, Ⅱ-H), 1.81 (m, 4H, Ⅲ-H),  max  2.303 R     lgC  T  （2）
nT
3.53 (t, 4H, Ⅳ-H), 3.41 (d, 12H, Ⅴ-H), 3.63 (m, 4H, 1
Ⅵ-H), 4.24 (m, 1H, Ⅶ-H), 5.16 (d, 1H, Ⅷ-H)。 A min   N （3）
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GC-S: HNMR (400 MHz, CDCl 3 ), δ: 0.89 (t, 6H, max A
Ⅰ-H), 1.25 (m, 36H, Ⅱ-H), 1.76 (m, 4H, Ⅲ-H), 式中：C 20 为将溶液的表面张力降低 20 mN/m 所需
的表面活性剂浓度，mol/L；对于阳离子双子表面活
3.47 (t, 4H, Ⅳ-H), 3.36 (d , 12H, Ⅴ-H), 3.71 (m, 4H,
性剂， n 通常为 2 [18] ；R 为气体常数，8.314 J/(mol·K)；
Ⅵ-H), 4.19 (m, 1H, Ⅶ-H), 5.20 (d, 1H, Ⅷ-H), 2.35
T 为绝对温度，K；(∂γ/∂lgC) T 为表面张力曲线中 CMC
(s, 3H, Ⅸ-H), 7.17 (d, 2H, Ⅹ-H), 7.73 (d, 2H, Ⅺ-H)。
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以下部分的斜率；N A 为阿伏伽德罗常量，6.02×10 /mol，
另外，如图 3b 所示，GC-S 的Ⅰ-H、Ⅱ-H、Ⅴ
所得参数均列于表 3。
-H、Ⅸ-H、Ⅹ-H、Ⅺ-H 的氢原子个数之比为 6∶36∶
1
12∶3∶2∶2。 HNMR 谱图中相对应峰的峰面积比 表 3 GC-Cl 和 GC-S 的表面活性参数
约为 6.1∶35.6∶11.3∶2.9∶2.1∶2.1，这与 GC-S 的 Table 3 Surface activity parameters of GC-Cl and GC-S
H 原子个数之比基本一致，符合对甲苯磺酸根在 CMC/ γ CMC/  max/ A min/ 2 pC 20
(mol/L) (mN/m) (mol/m ) nm
2
GC-S 中的比例，证明产物 GC-S 上只引入一个对甲 GC-Cl 8.91×10 –4 35.60 0.62 2.69 1.69
2+
苯磺酸根。以 M 表示双子季铵盐的阳离子部分， GC-S 2.09×10 –4 24.06 0.94 1.77 3.45
–
–
以 A 表示氯反离子，以 B 表示对甲苯磺酸根反离
子。由 GC-S 的电喷雾质谱图（图 3c）可得其对应 由表 3 可知，GC-S 的临界胶束浓度和平衡表面
–4
+
+
2+
的质荷比，m/Z: [M ] 242；[M+A] 520；[M+B] 655， 张力 γ CMC 分别为 24.06 mN/m 和 2.09×10 mol/L，
均小于 GC-Cl，且表面活性效率 pC 20 为 3.45，大于
与理论值基本一致。该结果同样证明 GC-S 含有一
GC-Cl。因此，其降低表面张力的能力较高。另外，
个对甲苯磺酸根。
GC-S 饱和吸附量较大，但分子横截面积较小。这显
综上所述，成功合成了含一个有机反离子的 GC-S。
然是由反离子的不同引起。离子型表面活性剂分子
2.3 表面张力
由于其疏水作用被吸附在表面上，形成一个定向排
图 4 为 GC-Cl 和 GC-S 在不同浓度下的表面张
列的带电吸附层，此时表面上产生了一个电场。在
力（γ）曲线。由图 4 可知，GC-Cl 和 GC-S 表现出
这种作用下，部分反离子会被吸引到吸附层中 [19] 。
类似的趋势，低浓度时，表面张力随着浓度的增加
然而，反离子的半径越大，电荷密度就越小，这使
而持续下降，并呈现一定的线性关系。在达到一定
得水合作用变弱，反离子更容易进入吸附层。反离
浓度后，表面张力不再随溶液的浓度而变化。这时，
子的增多就削弱了阳离子头基在吸附层中的排斥作
表面张力曲线上出现了一个明显的拐点。该点对应
用，导致吸附分子的排列更加紧密，饱和吸附容量
的溶液浓度即为临界胶束浓度（CMC），而相对应
的表面张力即为平衡表面张力（γ CMC ） [17] 。 增加。离子头基的水化半径减小使表面活性剂分子
[20]
的横截面积减小，也增加了饱和吸附能力 。综上
所述，水化半径越小的反离子被更多地吸附在吸附
层中，其排列更加紧密，从而使吸附容量更大，降
低表面张力的能力更强。
2.4 润湿性能
表面活性剂水溶液在石蜡膜上的接触角变化曲
线如图 5 所示。由图 5 可知，纯水溶液在石蜡膜上
的接触角在 110°左右，而 GC-Cl 和 GC-S 水溶液在
实验浓度下的接触角均<110°，说明表面活性剂使溶

液的接触角降低。另外，随着浓度的增加，两者的

图 4 GC-Cl 和 GC-S 的表面张力曲线 起始接触角均有明显的减小，这主要与表面活性剂
Fig. 4 Surface tension curves of GC-Cl and GC-S 分子在水/空气界面上的快速吸附有关 [21] 。但当浓度
为 1×10 mol/L 时，随着时间的增加，GC-Cl 水溶
–4
根据式（1）~（3） [17] 求得表面活性效率 pC 20 、
液的接触角均>90°，而 GC-S 水溶液的接触角从 90°
表面活性剂分子在气/液界面上的饱和吸附能力  max 降到 64°，表现出较高的润湿性。造成这种差异的
2
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（mol/m ）和每个分子的横截面积 A min （nm ）。 原因可能是由于有机反离子使吸附在界面上的表面
pC  lgC
20 20 （1） 活性剂分子数增加，从而使接触角降低。另外，随