摘要

基于三種接枝不同親水基團(tuán)的甜菜堿短鏈氟碳表面活性劑（C4F9SO2NH（CH2）3N+（CH3）2CH2COO-，C4-Ac；C4F9SO2NH（CH2）3N+（CH3）2CH2CH2SO3-，C4-sa；C4F9SO2NH（CH2）3N+（CH3）2CH2CH2PO（OH）O-，C4-pa），研究了不同溫度（0~40℃）對(duì)表面活性劑的表面活性、鋪展能力和發(fā)泡性能等各項(xiàng)理化性能參數(shù)的影響。結(jié)果表明，隨著溫度的提升，各氟碳表面活性劑的臨界膠束濃度（cmc）略有增大，最低表面張力（γcmc）有所減小，其中C4-sa溶液的表面活性相對(duì)更優(yōu)，其cmc可低至2.21 mmol/L，γcmc最低為16.28 mN/m。溫度對(duì)各表面活性劑的鋪展能力存在一定的影響，其趨勢(shì)為先增大后趨于基本不變，且C4-sa的鋪展能力最優(yōu)，與表面張力大小趨勢(shì)一致。發(fā)泡倍數(shù)隨溫度的升高而增大，直至20℃后增加不明顯。低溫時(shí)三種表面活性劑的發(fā)泡性能均有所欠缺，但溫度略有升高時(shí)則性能有所提升，在相同溫度下，C4-sa的發(fā)泡倍數(shù)最高可以達(dá)到6.9倍。總體結(jié)果表明，溫度對(duì)甜菜堿短鏈氟碳表面活性劑的理化性能有一定的影響，低溫下影響尤其顯著，為該系列表面活性劑在不同溫度環(huán)境下的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

氟碳表面活性劑具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、疏水疏油性和熱穩(wěn)定性等特性。由于這些特性，氟碳表面活性劑被廣泛應(yīng)用于消防、化工、礦物加工、皮革等各個(gè)領(lǐng)域。尤其是在消防滅火救援方面，水成膜泡沫滅火劑（AFFF）中最重要的一類化合物即為氟碳表面活性劑，在機(jī)場(chǎng)消防的應(yīng)用中，AFFF是國際民用航空組織指定用于撲滅航空燃油火災(zāi)的滅火劑。這正是由于氟碳表面活性劑將滅火劑水溶液的表面張力降低，覆蓋油面隔絕空氣的同時(shí)又能夠起到降溫的作用。然而，傳統(tǒng)AFFF通常以全氟辛烷磺酸鹽及其相關(guān)化合物為中間體來制備，這些表面活性劑因其長鏈的氟碳成分而表現(xiàn)出卓越的表面活性，但此類化合物在自然環(huán)境中的降解能力十分有限，常規(guī)飲用水和廢水的處理過程中不易脫除。由于此類化合物其毒性和生物富集性而引起的一系列嚴(yán)重的環(huán)境保護(hù)和人體健康安全問題備受關(guān)注。因此，尋求長碳鏈氟碳表面活性劑的有效替代物是一個(gè)迫切需要解決的問題。

研究表明，與長碳氟鏈的化合物相比，短鏈全氟烷基磺酸鹽具有更低的生物富集潛力和更小的急性毒性。關(guān)于縮短碳氟鏈后其性能參數(shù)是否受到顯著影響，國內(nèi)外研究人員開展了一系列工作。張漢飛制備了含4個(gè)氟碳的表面活性劑，具有良好的表面活性，與碳?xì)浔砻婊钚詣?fù)配可進(jìn)一步降低表面張力。楊百勤等合成了一種基于全氟丁基的陽離子氟碳表面活性劑，表面張力為19.8 mN/m，臨界膠束濃度為36.4 mmol/L，在強(qiáng)酸性環(huán)境中具有更高的表面活性。兩性表面活性劑具有耐酸堿性和優(yōu)良的泡沫性能，孫道德等制備了一種羧基甜菜堿型氟碳表面活性劑，測(cè)得最低表面張力為18.53 mN/m，泡沫具有抗鹽性能和耐油性能。國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用的商用表面活性劑產(chǎn)品（Forafac 1157和Forafac 1183）即基于6個(gè)氟碳調(diào)聚物的氟表面活性劑。Wang等制備了一種新型咪唑類短碳鏈氟碳表面活性劑，測(cè)定其最低表面張力為17.81 mN/m，臨界膠束濃度為6.29 mmol/L。由此可見，短碳氟鏈的表面活性劑有望作為PFOS的替代品進(jìn)行應(yīng)用。

然而不同溫度對(duì)表面活性劑的性能可能有一定程度的影響。尤其是機(jī)場(chǎng)消防領(lǐng)域，由于我國機(jī)場(chǎng)分布較廣，消防車滅火需要就近取水，各機(jī)場(chǎng)在冬季和夏季的消防用水水源溫度差異較大（一般在0~40℃）。在低溫下氟碳表面活性劑的性能可能會(huì)受到影響，進(jìn)而影響AFFF的滅火性能。我國國標(biāo)中也僅對(duì)泡沫在室溫下的性能指標(biāo)有所要求，并未嚴(yán)格考慮溫度的影響。因此，將溫度作為影響因素進(jìn)行研究，能夠指導(dǎo)表面活性劑的有效應(yīng)用。本文在溫度為0~40℃的范圍下，研究三種接枝不同親水基團(tuán)的基于短碳氟鏈的甜菜堿型兩性氟表面活性劑的一系列理化性質(zhì)，為此類表面活性劑在不同溫度環(huán)境下的應(yīng)用提供理論依據(jù)。