兩性雙子表面活性劑的制備及其應(yīng)用應(yīng)化專業(yè)畢業(yè)論文

1、兩性雙子表面活性劑的制備及其應(yīng)用摘 要本文通過十二胺，3-氯-2-羥基丙基磺酸鈉為主要原料，采用二氯取代的親水基團作為鏈結(jié)基，制備了新型氨基磺酸鹽型兩性雙子表面活性劑；采用紅外光譜、及核磁氫譜并對其進行表征，并對其表面張力及儀器設(shè)備展開實驗測試與分析，由實驗結(jié)果可以看出雙子表面活性劑能大幅度地降低油/水界面張力從而推斷出雙子表面活性劑具有比普通表面活性劑更好的表（界）面活性；而且通過對篩選出的性能最佳的雙子表面活性劑與普通表面活性劑的復(fù)配實驗結(jié)果表明，雙子表面活性劑與普通表面活性劑具有良好的協(xié)同效應(yīng)。此外，本文還對合成的雙子表面活性劑及其復(fù)配體系進行了微觀驅(qū)油實驗，實驗結(jié)果表明，陰離子型雙子表

2、面活性劑復(fù)配體系能夠?qū)⒂?水界面張力降至10-3mnm-1數(shù)量級，具有良好的界面活性。雙子表面活性劑驅(qū)油具有一定的使用價值，為以后三次采油的發(fā)展提供了新方向。關(guān)鍵詞： gemini雙子表面活性劑，表面活性，粘度，驅(qū)油the synthesis and evaluation of gemini surfactantsabstractdodecylamine，3-chloro-2- hydroxypropyl sulfonate as the main raw material，the use of dichloro-substituted hydrophilic groups as a link

3、-based，preparation the new sulphamate amphoteric gemini surfactants；by ir and 1h nmr spectrum and its characterization and its surface tension and equipment to expand the experimental testing and analysis by the experimental results can be seen that the gemini surfactants can significantly reduce th

4、e interfacial tension of oil/water in order to infer the gemini surfactants with the table (community) better than the average surfactant surface activity；and experimental results of performance on the screening of gemini surfactants with ordinary surfactant compound showed that the gemini surfactan

5、ts and conventional surfactants have good synergy。in addition，the synthesis of gemini surfactants of its complex system of microscopic oil displacement experiment，the experimental results show that the mixed system of anionic gemini surfactant to the oil /water interfacial tension drops to 10-3mnm-1

6、 order of magnitude，with a good surfactant。gemini surfactant flooding has some value，provides a new direction after the eor development。keywords：gemini surfactants，surface property，viscosity，displacement目 錄摘 要iabstract1文獻綜述11.1雙子表面活性劑的簡介11.2雙子表面活性劑的分類11.2.1陽離子雙子表面活性劑 11.2.2陰離子雙子表面活性劑 21.2.3非離子雙子表面活性

7、劑 41.2.4兩性雙子表面活性劑 41.3 兩性雙子表面活性劑的優(yōu)良特性 5 1.4 兩性雙子表面活性劑的制法 51.4.1 合成方法一51.4.2 合成方法二61.5 兩性雙子表面活性劑的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.6 兩性雙子表面活性劑的應(yīng)用前景 71.7 課題提出的目的和意義82實驗部分92.1 實驗原料及儀器92.1.1 實驗主要原材料92.1.2 實驗主要儀器92.2兩性雙子表面活性劑的合成方法92.2.1單鏈氨基磺酸鹽表面活性劑的合成82.2.2雙子氨基磺酸鹽表面活性劑的合成82.3雙子表面活性劑的結(jié)構(gòu)表征102.3.1紅外光譜測試分子結(jié)構(gòu)102.3.2核磁共振氫譜122.4性能評價12

8、2.4.1兩性雙子表面活性劑表面活性測試122.4.2兩性雙子表面活性劑起泡性測試132.4.3兩性雙子表面活性劑油/水界面活性的測試152.4.4兩性雙子表面活性劑的吸附性的測試 172.5兩性雙子表面活性劑的復(fù)配 17 2.6 兩性雙子表面活性劑的在驅(qū)油方面的優(yōu)勢 183結(jié)論 20致 謝21參 考 文 獻221 文獻綜述 1.1 雙子表面活性劑的簡介雙子表面活性劑是指用連接基通過化學鍵將兩個普通表面活性劑在其親水頭基或接近親水頭基處聯(lián)接在一起形成的一類新型表面活性劑，其分子中至少含有兩個親水基 (離子或極性基團 )和兩條疏水鏈。由各種親水基、疏水基和連接基的不同組合可獲得多種不同結(jié)構(gòu)的雙子

9、表面活性劑。這類表面活性劑具有臨界膠束濃度低、表面活性高、增黏能力強、潤濕性能好等優(yōu)點，在化學驅(qū)油、家用清潔劑、個人護理品、乳化劑、潤濕劑、增溶劑、食品及藥物添加劑、紡織印染助劑及整理劑、殺菌劑、防腐、聚合、藥物及生命科學等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，受到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)表面活性劑不同，雙子表面活性劑中含有至少兩個親水基團（離子頭基）和兩個疏水基團（碳氫鏈、碳硅鏈或碳氟鏈），并在親水基團處或靠近親水基團的疏水基團處由連接基團以化學鍵相連接1-4。其結(jié)構(gòu)如下：陽離子表面活性劑中最重要的是含氮的表面活性劑。目前對陽離子型雙子表面活性劑研究較多的也是含氮原子的，而且主要是季錢鹽型表面活性劑，它們具有

10、生物降解性好、毒性低的特點。陰離子型雙子表面活性劑研究比較廣泛，聯(lián)結(jié)基團比較多樣。非離子雙子表面活性劑能夠制備高效的的阿型乳化劑，并且在極低的濃度下，表現(xiàn)出很高的洗滌效能。目前，對雙子表面活性劑的合成、結(jié)構(gòu)和溶液性質(zhì)已有較詳細的討論，但對其在新材料制造方面的應(yīng)用有待進一步的研究。雙子表面活性劑具有特殊的膠束自組裝行為，表面活性高且分子中連接基和疏水基的組成結(jié)構(gòu)變化多與普通表面活性劑相比可以更多的調(diào)控其聚集體形態(tài)與結(jié)構(gòu)。正是由于這些特點雙子表面活性劑在新材料合成中的應(yīng)用越來越廣泛。 鑒于我國多數(shù)油井產(chǎn)出液中含水率高達90%，開展三次采油研究具有重要意義，表面活性劑在三次采油中的應(yīng)用已受到重視。1

11、.2 雙子表面活性劑的分類1.2.1 陽離子型雙子表面活性劑在陽離子型雙子表面活性劑中研究最多的是季銨鹽型雙子表面活性劑。它們具有生物降解性好、毒性低以及優(yōu)異的性能等優(yōu)點5-7。季銨鹽型雙子表面活性劑的合成較為簡單，一般采用以下方法：1.2.2 陰離子型雙子表面活性劑陰離子型雙子表面活性劑主要有3種類型：磷酸鹽型、磺酸鹽型和羧酸鹽型。（1）磷酸鹽型gemini表面活性劑磷酸鹽型雙子表面活性劑的合成方法主要是在三乙胺和四氫呋喃（干燥）存在下含不同亞甲基數(shù)目的二元醇與三氯氧磷在 0反應(yīng) 30min 后，在攪拌下滴加十二醇，然后水解脫氫，最后用 naoet/etoh 處理制得雙十二烷氧基雙磷酸鹽ge

12、mini 表面活性劑8，其合成路線如下所示：（2）羧酸鹽型gemini表面活性劑羧酸鹽型雙子表面活性劑的合成方法主要有3種3。一種是將二環(huán)氧丙基醚作為連接基團與長鏈脂肪醇反應(yīng)得到二烴基化合物，再與溴乙酸反應(yīng)，經(jīng)酯化水解得到。二是向酒石酸衍生物分子中引入疏水鏈，再水解得到產(chǎn)物。三是以1，2二環(huán)氧十二烷為原料先合成雙鏈化合物，再還原酯化水解制得14。以第三種合成路線為例：（3）磺酸鹽類和硫酸酯鹽類gemini表面活性劑磺酸鹽和硫酸酯鹽類產(chǎn)品是普通表面活性劑中產(chǎn)量最大的一類，如烷基苯磺酸鈉（las）和烷基硫酸鈉（as）等，該類化合物在雙子表面活性劑中也開發(fā)得較早，并已有工業(yè)化產(chǎn)品烷基苯醚磺酸鈉供應(yīng)。

13、由于磺酸鹽及硫酸酯類產(chǎn)品水溶性好、原料來源廣，因此該類產(chǎn)品有可能最先實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，以滿足日化行業(yè)及工業(yè)的應(yīng)用需求。合成方法主要有兩種。第一種方法類似于合成羧酸鹽型gemini表面活性劑的第三種方法，以 1，2-二環(huán)氧十二烷為原料合成雙子表面活性劑9，合成路線如下所示：1.2.3 非離子型雙子表面活性劑非離子型雙子表面活性劑主要類型有：糖類、醇醚和酚醚類。（1）糖類以葡萄糖等糖中的羥基或醛基等活性基團與其它雙活性基團反應(yīng)制備糖基雙子型表面活性劑?，F(xiàn)階段的合成方法有生物酶催化合成法和化學合成法，以后者為主，但合成路線長，收率低，產(chǎn)品成分復(fù)雜，原料昂貴，很難進行工業(yè)化生產(chǎn)。（2）醇醚和酚醚類

14、非離子型gemini表面活性劑醇醚和酚醚類非離子型雙子表面活性劑合成方法與傳統(tǒng)非離子型雙子表面活性劑相同，關(guān)鍵是先把具有疏水鏈的兩部分用連接基連接起來，再進行乙氧基化或丙氧基化15。合成方法反應(yīng)如下：1.2.4 兩性型雙子表面活性劑兩性雙子表面活性劑報道很少，僅有幾個品種。1966 年，andrew t 和guttmann 開發(fā)了一種紡織纖維用柔軟劑，合成了一系列咪唑啉陽離子化合物，它既有柔軟作用，又有洗滌作用，合成較為復(fù)雜。結(jié)構(gòu)式如下：1.3 兩性雙子表面活性劑的優(yōu)良特性與傳統(tǒng)的單烷烴鏈和單離子頭基組成的普通表面活性劑相比，離子型gemini表面活性劑具有如下的優(yōu)越性9-12：（1）更易吸附

15、在氣/液表面，從而更有效地降低水溶液表面張力。（2）更易聚集生成膠束，具有低的臨界膠束濃度cmc。（3）gemini表面活性劑降低水溶液表面張力的傾向遠大于聚集生成膠團的傾向，降低水溶液表面張力的效率是相當突出的。（4）具有很低的 krafft 點。（5）對水溶液表面張力的降低能力和降低效率而言，gemini表面活性劑和普通表面活性劑尤其是和非離子表面活性劑的復(fù)配能產(chǎn)生更大的協(xié)同效應(yīng)。（6）具有良好的鈣皂分散性質(zhì)。（7）在很多場合，是優(yōu)良的潤濕劑。（8）具有很高的降低油/水界面張力的能力，對原油有很好的增溶性，良好的抗鹽和抗沉積及潤濕能力。1.4 兩性雙子表面活性劑的制法1.4.1 通過磺化、

16、季銨化及酯化反應(yīng)，合成了一種新型的兩性雙子表面活性劑在裝有電動攪拌器、排氣與吸收裝置、分液漏斗的三口燒瓶中，加入一定量的月桂 酸，加熱熔化后，在攪拌下以10滴/ min的速度逐滴加入氯磺酸，n月桂酸n氯磺酸1:1.4，滴加完后，繼續(xù)反應(yīng)67 h。用水-丙酮混合溶劑( v水v丙酮= 1:0.10.7) 在50 左右加熱大約5min，溶解后靜置冷卻，析出晶體。過濾，得到片狀晶體，再用混合溶劑反復(fù)沖洗直到晶體為白色，在40 條件下烘干，得中間產(chǎn)物-磺酸基月桂酸13。將 n，n-二甲基乙醇胺和十二烷基溴代烷以摩爾比為1:1.1的量加入到具塞錐形瓶中，在60下磁力攪拌4 h。加入丙酮，冷卻后有白色的晶體

17、產(chǎn)生，過濾、干燥，得中間產(chǎn)物羥乙基n，n-二甲基十二烷基溴化銨。在安裝有分水裝置的三口瓶中，依次加入等摩爾比的(1) 和(2) 、甲苯、催化劑（對甲基苯磺酸) ，用油浴控制溫度在120左右，反應(yīng)時間為8 h。減壓蒸餾，得褐色粘稠狀液體。在80加入乙酸乙酯，進行重結(jié)晶，在50條件下將抽濾得的晶體溶于異丙醇，加入適量的質(zhì)量濃度為20%氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)ph為78，冷卻有晶體析出，過濾，干燥，得到目標產(chǎn)物。1.4.2 通過以下反應(yīng)，合成了一種新型的兩性雙子表面活性劑（1）取7.5g濃鹽酸加入到帶有攪拌器溫度計和冷凝裝置的三口燒瓶中，將其放入恒溫水浴加熱至80，之后將18.5g的環(huán)氧氯丙烷采用滴流裝置

18、緩慢滴入三口燒瓶中，邊滴加邊攪拌，滴加完成后再反應(yīng)4 h結(jié)束得到中間產(chǎn)物的粗產(chǎn)物。將粗產(chǎn)物移至分液漏斗中，來回搖晃三次后靜置分層。分出下層有機相將有機相用蒸餾水洗滌至中性得到中間產(chǎn)物 1，3-二氯-2-丙醇。（2）在三口燒瓶中加入一定量的無水乙醇作為溶劑，之后加入37.2g pocl3和催化劑，水浴加熱至28，將（1）中制備的中間產(chǎn)物緩慢滴加到燒瓶中。采用微弱真空反應(yīng)4.5h，最終得到另一中間產(chǎn)物2-（o-磷酰二氯）-1，3-二氯丙烷。將反應(yīng)產(chǎn)物滴加入過量的冷水中水解5 h，將水解產(chǎn)物用乙醚萃取得到目標產(chǎn)物。（3）將裝有攪拌器、溫度計和回流冷凝裝置的250ml 三口燒瓶安置于恒溫水浴中，在燒瓶

19、中加入一定量的無水乙醇作為反應(yīng)溶劑，然后依次加入（2）制備的磷酸單酯和2 倍摩爾比的十六烷基二甲基叔胺，在72左右恒溫反應(yīng)16h，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物在堿性條件下完全溶于水，且不出現(xiàn)渾濁。最后將反應(yīng)產(chǎn)物中的無水乙醇蒸出得到淺黃色粘稠產(chǎn)物即為最終目標產(chǎn)物18。1.5 兩性雙子表面活性劑的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀兩性雙子表面活性劑是近年來發(fā)展較快的一類新型表面活性劑，是表面活性劑領(lǐng)域研究的熱點之一，其合成方法與性能研究受到人們的廣泛關(guān)注。早期研究的雙子表面活性劑比較簡單，一般是聯(lián)接基團連接兩個頭基和烷基鏈都相同的結(jié)構(gòu)，不過最近reiko oda等合成并研究了含碳氟鏈的雙子表面活性劑。近幾年來，世界各國對他的研究興

20、趣異常高漲，其中尤以法 charlessadron 的 zana組、美國紐約市立大學brooklyn學院的rosen組、美國emory大學的menger組和日本 osaka大學的nakatauji組為代表。1999年，福州大學的趙劍曦對國外雙子表面活性劑的研究做了系統(tǒng)的綜述，引起了國內(nèi)相關(guān)研究單位的重視。最初對雙子型表面活性劑的研究內(nèi)容是其合成方法和結(jié)構(gòu)，后來逐步擴展至界面行為、聚集體性質(zhì)、協(xié)同效應(yīng)、體像性質(zhì)以及應(yīng)用等方面。對雙子表面活性劑的研究成果基本集中在其分子結(jié)構(gòu)和合成方法上，而在性質(zhì)（如雙子表面活性劑的微觀形態(tài)、膠團化及其規(guī)律性、雙子表面活性劑的特殊空間三維結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用等）和應(yīng)用方面的

21、數(shù)據(jù)和成果較少，這也是由于雙子表面活性劑的結(jié)構(gòu)特殊性或制備方法的特殊性，導(dǎo)致其的大規(guī)模生產(chǎn)受到目前技術(shù)或經(jīng)濟的限制19。目前，國內(nèi)外的學者已經(jīng)意識到這些問題，正在加大關(guān)于雙子表面活性劑的性質(zhì)和應(yīng)用上的研究。我國在兩性雙子表面活性劑方面的研究起步較晚，1997年，肖建新等首先發(fā)表了孿連表面活性劑的綜述文章，1999年，福州大學趙劍曦發(fā)表一篇有關(guān)國外雙子表面活性劑的研究概況，對雙子表面活性劑的概念和優(yōu)異性能進行了闡述，引發(fā)了我國學者的極大興趣。2000年以來，有關(guān)雙子表面活性劑的合成、性質(zhì)及應(yīng)用的研究報道開始增加。2002年華東理工大學的雙烷鏈陽離子表面活性劑研究申報了國家自然科學基金課題并得到批

22、準和自主。目前已報道合成的兩性雙子型表面活性劑有：雙季銨鹽陽離子表面活性劑，含酯基雙季銨鹽陽離子表面活性劑，二壬基苯酚縮合以及甘氨酸衍生物雙子季銨鹽表面活性劑。我國近幾年來主要集中在對雙季銨鹽型雙子表面活性劑的研究，其它相關(guān)研究報道較少。1.6 兩性雙子表面活性劑的應(yīng)用前景雙子表面活性劑目前在我國還處于研究階段，沒有進行大批量生產(chǎn)，但是它憑借著其優(yōu)異的性能在很多方面都得到了廣泛的關(guān)注15-17，主要應(yīng)用于以下幾個方面：（1）制備新材料表面活性劑可用于制備納米材料的模板劑和抗黏接劑。1998年，vander voort等人發(fā)現(xiàn)通過控制陽離子型雙子表面活性劑的烷基鏈長度以及連接基的長度可以制備不同

23、晶格、不同孔徑的高質(zhì)量純硅膠。markmorey等人利用雙子表面活性劑制備介孔分子篩 ti-mcm-8，將目前金屬參入立方晶中孔物質(zhì)。（2）緩蝕殺菌lissel等人將雙子表面活性劑用于殺菌劑，發(fā)現(xiàn)雙烷基季銨鹽類雙子表面活性劑有很好的殺菌性。m.elachouri 等人研究了雙烷基季銨鹽雙子表面活性劑在1mol/lhcl 溶液中的緩蝕性能，采用了重法、電化學極化和電化學阻抗光譜研究其緩蝕機理，表明該表面活性劑是很好的陰極緩蝕劑。（3）三次采油雙子表面活性劑的濃度小，粘度高，可有效的改變油水流度比，擴大波及體積，可波及到聚合物波及不到空間，驅(qū)出那里的原油；具有更高的表面活性和降低油/水界面張力的能

24、力，對原油有很好的增溶作用，良好的抗鹽、抗沉積和潤濕性能。另外，在堵水、調(diào)剖和開發(fā)低滲透率薄油層方面具有應(yīng)用前景，因此有望廣泛用于三次采油領(lǐng)域。（4）治理污水與土壤rosen等人研究了表面活性劑對2-萘酚的吸附情況，發(fā)現(xiàn)吸附有雙子表面活性劑的介質(zhì)（蒙脫土），比吸附有普通表面活性劑的介質(zhì)對水中2-萘酚的吸附量大、效率高。用雙子表面活性劑水溶液的增溶性和增流性，將其注入地下，是一種去除地下水中非液體和吸附在深層土壤中污染物的好方法。（5）增溶分散choi等人研究了雙子表面活性劑在染料分散中的增溶作用，比較了普通表面活性劑和雙子表面活性劑的增溶效果，結(jié)果表明雙季銨鹽的增溶能力強于普通表面活性劑。此外

25、，雙子表面活性劑的染色率也大于普通表面活性劑。綜上所述，雙子表面活性劑是具有優(yōu)良性能的新一代表面活性劑，它具有高的表面活性，良好的水溶性和增溶性等優(yōu)點，能大大的降低油/水界面張力，具有廣泛的商業(yè)應(yīng)用前景，極具商業(yè)開發(fā)價值。目前我國對于雙子表面活性劑的研究都處于研究階段，能否進行工業(yè)化生產(chǎn)取決于原料成本價格及能否符合環(huán)保要求。如若能降低成本，它必然將在多個領(lǐng)域取代傳統(tǒng)表面活性劑。因此大規(guī)模的研究雙子表面活性劑的各種合成工藝以使其早日實現(xiàn)工業(yè)化成為一項非常有意義的工作。1.7 課題提出的目的和意義由文獻報道可知，雙子表面活性劑由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點而具有比傳統(tǒng)的單頭基表面活性劑更低的臨界膠束濃度和更

26、低的 cmc值，且在較低的濃度下即具有優(yōu)異的粘度特性，由此得出其作為一種驅(qū)油劑應(yīng)用于三次采油的可能性。本文主要從雙子表面活性劑的臨界膠束濃度、表面張力、油/水界面張力和粘度方面分別考察了各自的理化性能，對于一種表面活性劑來說，其臨界膠束濃度越低，則在應(yīng)用時候所需要加入的量越少，成本也越低；通過增加雙子表面活性劑的粘度，可以降低油水流度比，提高其波及系數(shù)；對于驅(qū)油來說，油/水界面張力是一個非常重要的因素，油/水界面張力越低，表面活性劑的驅(qū)油效果越好。因此，我們希望通過對于合成的雙子表面活性劑的理化性能研究，為其用于驅(qū)油以提高原油的采收率提供理論指導(dǎo)，并通過復(fù)配篩選出性能較好的一種復(fù)配體系應(yīng)用于現(xiàn)

27、場驅(qū)油，從而進一步提高原油的采收率。2 實驗部分2.1 實驗原料及儀器2.1.1 實驗主要原材料十二胺、3氯2羥基磺酸鈉、異丙醇、季銨鹽、二氯三甘醇、thf（四氫呋喃）、三乙胺、乙酸乙酯、乙醇、二氯甲烷2.1.2 實驗主要儀器自動控溫水浴反應(yīng)裝置；真空干燥箱；三口燒瓶；自動攪拌器；核磁共振儀；激光粒度分析儀；紅外光譜儀，透射電子顯微鏡等測試儀；恒壓滴液漏斗；旋蒸儀。2.2 雙子表面活性劑的合成方法2.2.1 單鏈氨基磺酸鹽表面活性劑的合成在裝有機械攪拌器、溫度計、回流冷凝管和恒壓低液漏斗的500ml四口燒瓶中加入十二胺（0.2mol）和220ml異丙醇，用濃度為6mol/l的氫氧化鈉水溶液調(diào)節(jié)

28、反應(yīng)液的ph為8.5，加入相轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移催化劑四丁基溴化銨（0.001mol），升溫至50，并維持在此溫度下開始滴加含有2氯代乙基磺酸鈉（0.18mol）的60ml水溶液，滴加完畢，升溫至85，反應(yīng)6h。冷卻后旋蒸除掉溶劑，粗產(chǎn)物用乙醇重結(jié)晶，抽濾得濾餅，真空干燥得白色粉末狀固體為中間體n十二烷基氨基乙基磺酸鈉，產(chǎn)物收率為82.4%。 （中間體）2.2.2 雙子氨基磺酸鹽表面活性劑的合成在500mol三口燒瓶中加入中間體n十二烷基氨基乙基磺酸鈉（0.15mol）、無水碳酸鈉（0.2mol）和無水乙醇200ml，升溫至80，緩慢滴加含有1,3二氯2丙醇（0.08mol）的60ml乙醇溶液，反應(yīng)回流1

29、2h。將反應(yīng)液冷卻過夜，有沉淀析出，抽濾，用少量丙酮洗滌，濾餅用甲醇和丙酮的混合溶液重結(jié)晶，抽濾得濾餅，真空干燥后得白色固體粉末即為產(chǎn)品，收率為78.6%。與上述類似的操作，將1,3二氯2丙醇改成1,8二氯三甘醇，最終得到白色固體粉末為最終產(chǎn)品，收率為74.2%。 （終產(chǎn)物）2.3 雙子表面活性劑的結(jié)構(gòu)表征2.3.1 紅外光譜測試分子結(jié)構(gòu)紅外吸收光譜(ir：infrared absorption spectrometry)是一種分子振動轉(zhuǎn)動光譜，它是由分子的振動和轉(zhuǎn)動而引起能量的躍遷，所以又稱為振轉(zhuǎn)光譜。紅外光譜在化學領(lǐng)域中主要用于有機分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究，例如測定分子的鍵長、鍵角，進而推斷其立

30、體構(gòu)型等，以及化學組成的分析即化合物的定性、定量，但其中最廣泛的還是化合物結(jié)構(gòu)的鑒定。本文采用德國紅外光譜儀來測定單體及終產(chǎn)物兩性雙子表活劑結(jié)構(gòu)。 圖1.單鏈氨基磺酸鹽表面活性劑的紅外吸收 圖2.兩性雙子氨基磺酸鹽表面活性劑的紅外吸收2.3.2核磁共振氫譜采用德國bruker avance av-400型超導(dǎo)脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀對單鏈表面活性劑及終產(chǎn)物兩性雙子表面活性劑的結(jié)構(gòu)進行測試。見表1. -ch3 -ch2-ch2-ch2-nh- -nh-ch2-ch(oh)-ch2-ch2-ch(oh)-ch2-och2ch2o-單鏈表活劑 0.85（t,3h)1.05(m,20h)4.4(t,

31、2h)3.5(s,1h)3.323.46(m,5h)1.25(s.1h)雙子表活劑 0.87（t,6h)1.10(m,40h)4.5(t,4h)3.4(s,2h)3.223.45(m,10h)1.26(s.2h)3.523.87(m,6h)表1 兩種產(chǎn)物核磁共振氫譜數(shù)據(jù)綜合圖1圖2及表1數(shù)據(jù)，可見合成表面活性劑樣品的分子結(jié)構(gòu)與合成路線所示的目標物分子結(jié)構(gòu)相符。終產(chǎn)物為氨基磺酸型雙子表面活性劑。2.4 性能評價2.4.1 兩性雙子表面活性劑表面活性測試表面活性劑的物化性能較多，但最根本的性能是表面吸附和溶液中形成膠團，而衡量這兩個基本性能優(yōu)劣的指標是表面張力和臨界膠團濃度的高低。因此，對新合成出

32、來的表面活性劑，測定它們的表面張力和臨界膠團濃度對指導(dǎo)該系列表面活性劑的開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。溶液表面張力的降低可作為表面活性劑表面活性大小的量度，以 cmc 時的表面張力降低值作為表面張力降能力的量度，即為cmc，它也是表面活性劑的主要性能參數(shù)，測定表面活性劑不同濃度溶液的表面張力，作出lgc曲線，按轉(zhuǎn)折點兩側(cè)直線部分外延，相交點的表面張力就是 cmc。表面張力是液體的重要性質(zhì)，也是表面活性劑溶液非常重要的性質(zhì)。以其確定表面活性劑的表面活性，并計算表面活性劑在溶液表面的吸附量，從而能夠了解表面活性劑在界面過程中所起作用的機理。測定表面張力的方法極多，如環(huán)法、滴體積(滴重)法、吊片法、最大氣泡

33、法、懸滴法、毛細管上升法等。本文采用環(huán)法對gemini 型表面活性劑溶液的表面張力進行了測定。 分別稱量一定質(zhì)量的gemini 表面活性劑放入若干個燒杯中，在攪拌器的作用下溶解，配成不同濃度的溶液。本實驗采用環(huán)法來測量各種濃度的表面張力。在本文中，根據(jù)前面所合成的 兩性雙子表面活性劑作樣品，測定它們的表面活性。實驗時的室溫為25 。以gemini表面活性劑的摩爾濃度為橫坐標，表面張力為縱坐標作圖，結(jié)果如圖3-1所示： 圖1.兩性雙子表面活性劑的表面張力曲線由圖可知，該表面活性劑的表面張力隨著濃度的增大表面張力值呈現(xiàn)減小的局勢，當c=1.2mmol.l-1時，表面張力值為32.5mn.m-1，當

34、濃度繼續(xù)增大表面張力值趨于穩(wěn)定?？芍?，在濃度為1.2mmol.l-1時，此表面活性劑溶液的表面張力降到平衡值，濃度再增大已達不到降低表面張力的作用。線性分子已成球狀膠團分布，直鏈卷曲不能再次進入到氣液過度界面，來降低表面張力。在相同濃度下，氨基磺酸鹽型的表面活性劑比傳統(tǒng)表面活性劑具有更高的表面活性，cmc值較傳統(tǒng)表面活性劑更低。這是因為，gemini 型表面活性劑離子頭處通過化學鍵聯(lián)接，組織了表面活活性劑有序聚集過程中離子頭基的分散力，減少了具有相同電性的離子頭基間的靜電力以及頭基水化層的障礙，促進了表面活性劑離子的緊密排列，所以極大地提高了表面活性。因此，此表面活性劑具有較好的表面活性。2.

35、4.2 兩性雙子表面活性劑起泡性測試兩性表面活性劑在其等電區(qū)的溶解度最小，吸附性最強，這種特性對其泡沫性能的影響程度取決于在這種溶解度下實際的單體濃度到底幾何。高cmc有利于起泡，但穩(wěn)泡則要求使得gibbsmarangoni效應(yīng)最好的特定濃度。泡沫的不穩(wěn)定性歸結(jié)于液膜的排液作用，這種作用使得氣泡的泡壁變薄，并最終導(dǎo)致泡沫破裂。排液作用會使氣泡泡壁緊張，表面張力隨之增大，因而存在溶液自發(fā)的修復(fù)變薄區(qū)域的行為，關(guān)鍵的因素是不同部位的分子填充由于緊張而造成的表面空缺的速度。如果溶液中表面活性劑濃度很高，遷移速度很快，表面變薄區(qū)域?qū)⒉荒鼙３指弑砻鎻埩顟B(tài)，此時，gibbsmarangoni效應(yīng)對維持泡

36、沫穩(wěn)定性將不起作用；如果溶液中表面活性劑濃度過低，則表面張力過高，同樣不利于泡沫生成和穩(wěn)定。因此，如果將溶液中表面活性劑的濃度維持在一定的合適濃度范圍內(nèi)，既使得保持較低的表面張力，同時液膜空缺又不是很快的被填充，那么就會有利于維持泡沫的穩(wěn)定。在室溫條件下,將200 ml待測溶液倒入混調(diào)器中,恒定轉(zhuǎn)速混調(diào)60 s后將液體及泡沫傾注1000 ml量筒中,記錄初始的起泡體積(v0)及析出基液為100 ml時的時間(即泡沫半衰期t1/2)。見圖2.圖3. 圖2.溫度對不同濃度的兩性雙子表面活性劑水溶液初始泡沫量的影響圖3.溫度對不同濃度的兩性雙子表面活性劑水溶液半衰期的影響由圖2可知，,隨著溫度的升高

37、, 該表面活性劑水溶液的初始起泡體積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當溫度為60時，泡沫量達到最大值,從整體趨勢來看，泡沫量上升及下降的幅度不大。因為隨著溫度的升高,液體膨脹,分子間距離增大,表面活性劑分子動能增加,易擺脫水的束縛逃逸到水面,表面吸附量增加,起泡能力增強。由圖3可知，隨著溫度的上升, 該表活劑水溶液的泡沫半衰期顯著下降，泡沫的穩(wěn)定性下降。這是由于,泡沫在低溫和高溫下的衰變過程不同，低溫時主要是氣體擴散過程;高溫時,由于最上面的泡膜上側(cè)總是向上凸的,這種彎曲面有利于蒸發(fā),溫度越高蒸發(fā)越快,液膜越來越薄,最后自行破滅,因此在溫度較高時，泡沫破滅的速度較快，半衰期較短。從起泡體積和泡沫半衰期

38、隨溫度的變化曲線來看, 該表面活性劑在高溫或低溫條件下均有較好的表面活性，且其具有較好的耐溫性。2.4.3 兩性雙子表面活性劑油/水界面活性的測試gemini型表面活性劑與相應(yīng)的具有相同疏水基團的普通單鏈表面活性劑相比，具有獨特的性能：低臨界膠束濃度、高表面活性和較好的潤濕性能等，近年來受到極大重視。表面活性劑的物化性能較多，衡量三次采油的表面活性劑性能優(yōu)劣的主要指標是界面張力。測定界面張力的方法較多，主要有滴重法(滴體積法)、旋滴法、等密度法、掛環(huán)法、靜滴法(躺滴法)、吊片法和旋轉(zhuǎn)滴液法七種，它們適用于液/液ift的測定，研究中常使用旋轉(zhuǎn)液滴法，這是一種目前測量低 ift 最準確的技術(shù)。本實

39、驗使用texas-500型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀進行ift的測定。本文將gemini表面活性劑與非離子表面活性劑復(fù)配配制成濃度分別為0.1 %、0.2 %、0.4 %、0.8 %四種不同濃度的溶液，在不同的的時刻里測定其油/水ift，測定結(jié)果如下圖4所示： 圖4.兩性雙子表面活性劑在不同濃度下的界面張力（ift)隨時間的變化從圖4可以看出，gemini表面活性在較低的濃度下，可以將油/水ift維持超低水平。gemini表面活性劑的濃度越低，達到最低ift所花的時間越長，低ift維持的時間也越長；gemini表面活性劑的濃度越大，達到最低ift的時間越短，低ift所維持的時間也越短；但是當gemini

40、表面活性劑的濃度達到某一值時，超低ift就不再出現(xiàn)。另外，在較高溶液濃度下，油/水ift只是在某一時刻達到最低，隨著時間的延長，業(yè)已形成的低ift會逐漸升高，并且，隨著gemini表面活性劑濃度的增加，油/水界面張力上升的速率也增大。以上情況一般可以認為，是由于吸附速率導(dǎo)致表面上的表面活性劑濃度逐漸達到平衡的過程。事實上，表面活性劑分子在油/水ift 的吸附過程可以看作是兩個過程：一是溶質(zhì)即表面活性劑分子由體相擴散到次表面層(指緊挨著表面的層)；二是表面活性劑分子由表面層吸附到界面。顯然，這兩個過程都會影響到表面活性劑分子由水相中向油/水界面擴散及排列速度，也就是會影響到動態(tài) ift的特征。2

41、.4.4 兩性雙子表面活性劑的吸附性的測試表面活性劑在地層中的吸附對驅(qū)油技術(shù)起著極為重要的作用，直接影響表面活性劑溶液與原油間的界面張力、驅(qū)油效率等。同時表面活性劑還能改變巖石的潤濕性，潤濕反轉(zhuǎn)結(jié)合超低的界面張力使得原油從親油的碳酸巖上變?yōu)樗腿橐憾或?qū)替至裂縫7，因此對該表活劑的吸附量測定具有重要的意義。按液砂質(zhì)量比7:1分別將不同濃度表面活性劑溶液與巖心加入具塞量筒中，在80烘箱中放置24 h后，用一定濃度的海明1622用兩相滴定法測定吸附后溶液濃度。該雙子表活劑體系在石英砂表面的吸附量測試結(jié)果見圖5. 圖5. 不同濃度的表面活性劑的吸附等溫線由圖5可知，隨著表面活性劑溶液濃度的增大，吸

42、附量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。小于2g/l時，表面活性劑活性劑濃度較低，吸溶液附中以單個表面活性劑分子與巖心外部裸露的正電荷發(fā)生靜電吸引，2g/l-3g/l單層吸附飽和，此時表面活性劑疏水鏈端大多存在于界面中，此時分子間作用力較小，可以繼續(xù)吸附。隨著濃度的增加，吸附量快速增加。當濃度不斷增加時，膠束量較大，膠束與巖心表面的靜電斥力，部分已吸附于石英砂表面的表面活性劑解吸附而增溶進膠束中，因而該雙子表面活性劑在石英砂表面的吸附量降低。2.5 兩性雙子表面活性劑的復(fù)配在實際應(yīng)用中，使用單一表面活性劑的情況是很少的，因為雙子表面活性劑的合成過程一般都比較復(fù)雜且其合成產(chǎn)物的提純會帶來成本的大幅度提高，由

43、于這些經(jīng)濟原因，現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)常采用表面活性劑的復(fù)配體系。復(fù)配即為配置表面活性劑與其它化合物（可以是表面活性劑，也可以是其它物質(zhì)）的混合體系。從實踐中發(fā)現(xiàn)，表面活性劑混合體系常顯示出優(yōu)于單一表面活性劑溶液的特性。表面活性劑復(fù)配后產(chǎn)物可產(chǎn)生協(xié)同作用，稱之為復(fù)配增效作用。（1）形成膠束能力的增效：混合溶液的臨界膠束濃度比兩種單一組分表面活性劑的臨界膠束濃度都低。（2）降低表面張力效率的增效：達到一定表面張力時，混合溶液所需的濃度比兩單一組分表面活性劑所需的濃度都低。（3）降低表面張力效能的增效：混合溶液所達到的表面張力比任何單一表面活性劑cmc時的表面張力都小得多。具有不同親水基的表面活性劑相混合，幾

44、乎都會導(dǎo)致分子間排斥作用降低，使分子排列更加緊密。一種情形是不帶電荷的表面活性劑對帶電荷的表面活性劑的屏蔽作用，如非離子-陰離子表面活性劑混合體系。另一種情形是帶相反電荷的表面活性劑的插入使得原有表面活性劑的電荷密度降低，減少親水排斥性，從而增加了排列的緊密程度，如陽離子-陰離子表面活性劑混合體系，和陰離子-兩性表面活性劑體系都屬于這種類型。兩種表面活性劑分子在膠束形成中，相互吸引的作用越強烈，增效作用越明顯。一般說來，同一系列兩性表面活性劑復(fù)配，其相互作用趨向于理想，沒有明顯的增效作用。兩性或非離子表面活性劑與離子表面活性劑復(fù)配，存在著強烈的相互吸引作用，使復(fù)配后的表面活性有大的提高。因為兩

45、性表面活性劑的分子中同時含有陽離子和陰離子基團，在酸性條件下有利于兩性表面活性劑中的陽離子基團的正電荷密度增大時，兩性表面活性劑有利于降低陰離子表面活性劑的負電荷間的排斥作用，使分子排列更加緊密。兩性表面活性劑其表面活性不如陰、陽離子型表面活性劑強，將其加入陰-陽離子表面活性劑復(fù)配體系，結(jié)果表明有利于改善復(fù)配體系的溶解性能。陰離子-兩性表面活性劑混合體系在水中有強烈的相互作用并形成復(fù)合物，導(dǎo)致它們的一系列性質(zhì)如表面張力、臨界膠束濃度、krafft點和流變性等發(fā)生變化。2.6 兩性雙子表面活性劑在驅(qū)油方面的傳統(tǒng)的單頭基表面活性劑通過自發(fā)吸附于界面或者自發(fā)聚集形成膠束來降低體系的自由能，它的驅(qū)動力

46、來自碳氫鏈間的疏水相互作用。但是，由于離子頭基間的電荷斥力或水化作用引起的分離傾向使得它們在界面或分子聚集體中難以緊密排列，造成表面活性偏低。為了克服這一缺陷，人們進行了大量嘗試，如添加無機電解質(zhì)屏蔽離子頭基間電荷斥力、升高溫度降低頭基的水化傾向及采用合適的二元表面活性劑復(fù)配等，其本質(zhì)作用皆是為了減少表面活性劑分（離）子在聚集狀態(tài)中的分離傾向。傳統(tǒng)的提高表面活性的手段存在很大的局限性，如二元表面活性劑以等比例復(fù)配，在一定范圍內(nèi)大大提高了表面活性，但是由于離子頭基電荷被中和，降低了表面活性劑的水溶性而極易產(chǎn)生沉淀。因此，尋找開發(fā)新的表面活性極高的驅(qū)油用表面活性劑是廣大科研工作者所面臨的問題和任務(wù)

47、。從目前的研究結(jié)果看，雙子表面活性劑具有在很低的濃度下就有很高的表面活性的優(yōu)異性能，可以在加入量很低的情況下使得油水界面張力降低的很多，因此，雙子表面活性劑很可能就是人們所尋找的新型表面活性劑。雙子表面活性劑在驅(qū)油方面的優(yōu)點如下。（1）高表面活性使其在較小的濃度下即可達到超低界面張力，從而可以更大幅度提高驅(qū)油效率。（2）比相應(yīng)的傳統(tǒng)表面活性劑在巖石表面吸附量更低，吸附造成的損失較少，將會很好地提高經(jīng)濟效益。（3）增溶性更強，即增溶相同量原油所需的雙子表面活性劑濃度將比傳統(tǒng)表面活性劑低很多，這對于微乳液驅(qū)油技術(shù)具有潛在的意義。當溶劑為水時，表面活性劑膠束內(nèi)部是疏水鏈的集合體，對油性物質(zhì)溶解性很大

48、。（4）與其他驅(qū)油助劑配伍性更好。目前，雙子表面活性劑與傳統(tǒng)的表面活性劑復(fù)配體系研究較多，都表現(xiàn)出良好的協(xié)同效應(yīng)。這是降低雙子表面活性劑實際應(yīng)用成本的一條有效途徑。（5）改變巖石表面潤濕性已有的研究結(jié)果表明：驅(qū)油效率與巖石的潤濕性密切相關(guān)，且油濕表面導(dǎo)致驅(qū)油效率差，水濕表面導(dǎo)致驅(qū)油效率好。因此，合適的表面活性劑，可以使原油與巖石間的潤濕接觸角增加，使巖石表面由油濕性向水濕性轉(zhuǎn)變，從而降低油滴在巖石表面的粘附功。雙子表面活性劑之所以能夠較普通表面活性劑使接觸角顯著的降低，由于相同電性的離子頭基間產(chǎn)生的靜電斥力以及頭基水化層的影響，將阻礙相鄰兩個表面活性劑分子之間的接近。在吸引和排斥兩種相反作用力

49、下，不論在固/液界面吸附層還是體相的聚集體中，表面活性劑離子彼此頭基間均存在著一定的平衡距離，無法完全緊密地靠攏，這將影響到它們在固/液界面上的吸附層狀態(tài)，以及在溶液中的聚集體形狀，并直接影響到固體界面的性質(zhì)。對于雙子表面活性劑，兩個離子頭基是靠連接基團通過化學鍵而連接的，由此造成了兩個表面活性劑單體離子相當緊密的連接，導(dǎo)致了雙子表面活性劑在降低體系表面能以及改變固體表面性質(zhì)等方面顯示出了比普通表面活性劑具有更加突出的性能。另一方面，對于親油表面，表面活性劑的親油基吸附到親油固體表面上，親水基指向外，親水基水化后相互作用力較弱，表面活性劑形成單吸附層，這是表面活性劑改變固體表面潤濕性的主要原因。對于親水固體表面，表面活性劑在固體表面的吸附而改變固體表面的潤濕性機理與上述親油表面大致相同，只不過是表面活性劑的親水基吸附到親水固體表面上，疏水基指向外，從而將親水表面改變?yōu)槿跤H水或親油表面。并且，由于疏水鏈間的相互作用力足以使表面活性劑在固體表面形成雙層吸附，因此，這一點是固體表面潤濕性沒有發(fā)生翻轉(zhuǎn)的主要原因。3 結(jié)論 1）通過實驗合成出氨基磺酸型兩性雙子表面面活性劑，其臨界濃度值cmc為1.2mmol.l-1，遠遠低于常規(guī)傳統(tǒng)表面活性劑的臨界膠束濃度，表面活性較高。 2）該兩性雙子表面活