十二碳炔基非离子Gemini表面活性剂的制备及性能

doi:10.7503/cjcu20240350

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (12): 20240350.doi: 10.7503/cjcu20240350

十二碳炔基非离子Gemini表面活性剂的制备及性能

李雅琪¹, 邢攸美¹^,², 马杰文¹, 张之钧¹^,², 胡斌¹, 方伟华², 尹云舰²(), 吴振¹(), 王国杰¹()

^1.北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083
^2.杭州格林达电子材料股份有限公司, 杭州 311228

收稿日期:2024-07-11 出版日期:2024-12-10 发布日期:2024-10-09
通讯作者: 尹云舰,吴振,王国杰 E-mail:yyj@greendachem.com;wuzhen@ustb.edu.cn;guojie.wang@mater.ustb.edu.cn
作者简介:第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
国家自然科学基金(22005021);北京市自然科学基金(2242044);高校新世纪优秀人才计划项目(NCET-11-0582)

Preparation and Properties of Dodecacarbonyl Alkynyl Nonionic Gemini Surfactants

LI Yaqi¹, XING Youmei¹^,², MA Jiewen¹, ZHANG Zhijun¹^,², HU Bin¹, FANG Weihua², YIN Yunjian²(), WU Zhen¹(), WANG Guojie¹()

^1.School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China
^2.Hangzhou Greenda Electronic Materials Co. ，Ltd. ，Hangzhou 311228，China

Received:2024-07-11 Online:2024-12-10 Published:2024-10-09
Contact: YIN Yunjian, WU Zhen, WANG Guojie E-mail:yyj@greendachem.com;wuzhen@ustb.edu.cn;guojie.wang@mater.ustb.edu.cn
Supported by:
the the National Natural Science Foundation of China(22005021);the Beijing Natural Science Foundation, China(2242044);the Program for New Century Excellent Talents in University, China(NCET-11-0582)

1. ESM to 20240350.pdf(926KB)

摘要/Abstract

摘要：

以2,5,8,11-四甲基-6-十二炔-5,8-二醇和环氧乙烷为原料，三乙胺为催化剂，合成了聚氧乙烯重复单元数分别为2, 4, 5和7的4种非离子Gemini表面活性剂(P1, P2, P3和P4). 通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和¹H核磁共振波谱（¹H NMR）对P1~P4的结构进行了表征，利用表面张力仪和接触角测量仪等研究了不同聚氧乙烯链长度对表面张力、临界胶束浓度(cmc)、润湿性能、泡沫性能和乳化性能的影响. 研究结果表明, 随着聚氧乙烯链长度的增加, 表面活性剂的cmc逐渐增加, cmc处的表面张力(γ_cmc, mN/m)先减小后增大, P2的γ_cmc最小(27.19 mN/m). 此类非离子Gemini表面活性剂均展现出优异的润湿性能, 随着聚氧乙烯链长度增加，其发泡量和乳化能力逐渐增加. 此类具有低表面张力和出色润湿性能的非离子Gemini表面活性剂在半导体显影和工业清洗等领域具有巨大的应用潜力.

关键词: 非离子Gemini表面活性剂, 聚氧乙烯链, 表面张力, 临界胶束浓度, 润湿性

Abstract:

Nonionic Gemini surfactants are a new class of highly efficient surfactants with low surface tension and excellent wettability， which have great potential for application in the field of advanced wet electronic chemicals. Four nonionic Gemini surfactants with different polyoxyethylene chain lengths（n） are synthesized from 2，5，8，11- tetramethyldodec-6-yne-5，8-diol and ethylene oxide， namely P1（n=2）， P2（n=4）， P3（n=5） and P4（n=7）. The chemical structures of the surfactants are identified by Fourier transform infrared（FTIR） and ¹H nuclear magnetic resonance（NMR） spectra. The alkyl chain of the 2，5，8，11-tetramethyldodec-6-yne-5，8-diol is hydrophobic and the polyoxyethylene chain is hydrophilic， so the hydrophilic/hydrophobic ratio of the surfactant can be adjusted by adjusting the length of the polyoxyethylene chain. The effects of different polyoxyethylene chain lengths on surface tension， critical micelle concentration（cmc）， wetting ability， foam performance， and emulsification capacity are investigated. With increasing the polyoxyethylene chain length， the polarity and hydrophilicity of the surfactant increases， leading to a gradual increase in the cmc. The surface tension at cmc（γ_cmc， mN/m） decreases and then increases with increasing polyoxyethylene chain length， among which the γ_cmc of P2 is the lowest， 27.19 mN/m， exhibiting excellent surface activity； P2 shows excellent wetting properties with the lowest contact angle of 48° on polytetrafluoroethylene（PTFE） substrate. The foaming and emulsifying properties increase with the length of the polyoxyethylene chain， and P2， P3， and P4 show excellent foaming and emulsifying properties. The excellent emulsifying properties of the surfactants are also illustrated by optical micrographs of droplet size and distribution aggregation. By investigating the effects of different polyoxyethylene chain lengths on the surface tension， cmc， wettability， foaming performance， and emulsifying property of dodecacarbonyl alkynyl nonionic Gemini surfactants， we have provided a theoretical basis for the structure-property relationship of surfactants， which is of great significance in promoting the practical applications in the field of wet electronic chemicals.

Key words: Nonionic Gemini surfactant, Polyoxyethylene chain, Surface tension, Critical micelle concentration, Wettability

中图分类号:

O647.2

TrendMD:

李雅琪, 邢攸美, 马杰文, 张之钧, 胡斌, 方伟华, 尹云舰, 吴振, 王国杰. 十二碳炔基非离子Gemini表面活性剂的制备及性能. 高等学校化学学报, 2024, 45(12): 20240350.

LI Yaqi, XING Youmei, MA Jiewen, ZHANG Zhijun, HU Bin, FANG Weihua, YIN Yunjian, WU Zhen, WANG Guojie. Preparation and Properties of Dodecacarbonyl Alkynyl Nonionic Gemini Surfactants. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(12): 20240350.

图/表 10

Fig.1 FTIR spectra of 2,5,8,11⁃tetramethyldodec⁃6⁃yne⁃5,8⁃diol(a), P1(b), P2(c), P3(d) and P4(e)

Fig.2 Surface tension curves of P1, P2, P3 and P4 with the surfactant concentration

Fig.3 Variation of the fluorescence intensity ratio(I1/I3) versus the lgc of P1, P2, P3 and P4

Fig.4 Photographs of the variation of the contact angles versus the concentrations of P1—P4

Table 1 Aggregation and adsorption parameters for P1, P2, P3 and P4 at 25 ℃

Surfactant	10³ cmc/（mol∙L^-1）	γ_cmc/（mN∙m^-1）	10⁶Γ_max/（mol∙m^-2）	A_min/nm²	pc₂₀	cmc/c₂₀	ΔG⁰_{m ic}/（kJ∙mol^-1）	ΔG⁰_{a ds}/（kJ∙mol^-1）
P1	0.85	27.97	2.94	0.56	4.22	13.97	-27.47	-42.44
P2	1.44	27.19	2.70	0.62	4.46	41.09	-26.16	-42.75
P3	2.27	27.49	2.56	0.65	4.21	37.06	-25.03	-42.43
P4	2.72	31.19	2.21	0.75	4.20	43.25	-24.59	-43.05

Fig.5 Variation of the foaming volume versus the concentrations of P1, P2, P3 and P4

Fig.6 Variation of the foaming stability versus the concentrations of P1, P2, P3 and P4

Fig.7 Variation of the emulsifying property versus the concentrations of P1, P2, P3, and P4

Fig.8 Micrographs of emulsion drops of P1(A1—A4), P2(B1—B4), P3(C1—C4) and P4(D1—D4) with the concentration of 0.1 g/L(A1—D1), 1.0 g/L(A2—D2), 2.0 g/L(A3—D3) and 3.0 g/L(A4—D4)

Fig.9 Oil removal efficiency of deionized water, P1, P2, P3 and P4

参考文献 52

1	Li C. J.， Yang W. H.， He W.， Zhang X. D.， Zhu J. F.， Energy Stor. Mater.， 2021， 43， 1—19
2	Mukherjee S.， Shanmugam G.， Small， 2023， 19（19）， 2206906
3	Sorrenti A.， Illa O.， Ortuño R. M.， Chem. Soc. Rev.， 2013， 42（21）， 8200—8219
4	Hosseinpour S.， Götz V.， Peukert W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（47）， 25143—25150
5	Zhao W. W.， Wang Y. L.， Acta Chim. Sin.， 2019， 77（8）， 717—728
	赵微微，王毅琳. 化学学报， 2019， 77（8）， 717—728
6	Bi X.， Li M. G.， Lu M.， You J. G.， Xue J.， Yu H. H.， Jiang Z. W.， Tang T.， Chem. Res. Chinese Universities， 2023， 39（5）， 782—789
7	Jiménez⁃Peñalver P.， Castillejos M.， Koh A.， Gross R.， Sánchez A.， Font X.， Gea T.， J. Cleaner Prod.， 2018， 172， 2735—2747
8	Luengo G. S.， Fameau A. L.， Léonforte F.， Greaves A. J.， Adv. Colloid Interface Sci.， 2021， 290， 102383
9	Soussan E.， Cassel S.， Blanzat M.， Rico⁃Lattes I.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2009， 48（2）， 274—288
10	Sahoo B. N.， Han S. Y.， Kim H.， Ando K.， Kim T.， Kang B.， Klipp A.， Yerriboina N. P.， Park J.， Ultrason. Sonochem.， 2022， 82， 105859
11	Moharram K. A.， Abd⁃Elhady M. S.， Kandil H. A.， El⁃Sherif H.， Energy Convers. Manage.， 2013， 68， 266—272
12	Pan Y. Q.， Ge B. Q.， Zhang Y. L.， Li P.， Guo B. G.， Zeng X. Y.， Pan J. G.， Lin S.， Yuan P.， Hou L. X.， J. Mol. Liq.， 2021， 336， 116222
13	Liu Z. L.， Zhao G.， Brewer M.， Lv Q.， Sudhölter E.， Adv. Colloid Interface Sci.， 2021， 294， 102467
14	Kiani S.， Rogers S. E.， Sagisaka M.， Alexander S.， Barron A. R.， Energy Fuels， 2019， 33（4）， 3162—3175
15	Liu M. H.， Acta Phys.⁃Chim. Sin.， 2020， 36（10）， 15—16
	刘鸣华. 物理化学学报， 2020， 36（10）， 15—16
16	Ren W. H.， Shi Y. T.， Chen L. L.， Yang S.， Zhang S. T.， Liu X. H.， Ren X. L.， Li H. R.， Chem. Res. Chinese Universities， 2023， 39（5）， 845—856
17	Brycki B.， Szulc A.， J. Mol. Liq.， 2021， 344， 117686
18	Gaudin T.， Rotureau P.， Pezron I.， Fayet G.， J. Colloid Interface Sci.， 2018， 516， 162—171
19	Turchi M.， Karcz A. P.， Andersson M. P.， J. Colloid Interface Sci.， 2022， 606， 618—627
20	Das S.， Nguyen Q.， Patil P. D.， Yu W. L.， Bonnecaze R. T.， Langmuir， 2018， 34（36）， 10650—10658
21	Leite A. C.， Ferreira A. M.， Morais E. S.， Khan I.， Freire M. G.， Coutinho J.， ACS Sustainable. Chem. Eng.， 2018， 6（1）， 590—599
22	Zhao W. W.， Wang Y. L.， Adv. Colloid Interface Sci.， 2017， 239， 199—212
23	Ni Y. L.， Xing Y. M.， Hu T.， Yin Y. J.， Li X. Y.， Zhang Z. J.， Wang X. D.， Yu H. G.， Tianjin Chem. Ind.， 2021， 35（5）， 87—90
	倪芸岚，邢攸美，胡涛，尹云舰，李潇逸，张之钧，王小栋，余红刚. 天津化工， 2021， 35（5）， 87—90
24	Pal N.， Hoteit H.， Mandal A.， J. Mol. Liq.， 2021， 339， 116811
25	Menger F. M.， Mbadugha B. N. A.， J. Am. Chem. Soc.， 2001， 123（5）， 875—885
26	Ao M. Q.， Xu G. Y.， Zhu Y. Y.， Bai Y.， J. Colloid Interface Sci.， 2008， 326（2）， 490—495
27	Zhou H. T.， Wu H. Y.， Yang Y. P.， Leng X.， Liang Y. P.， Lian P.， Song Y. L.， Yi Z. W.， Liu J. P.， Jia H.， RSC Adv.， 2017， 7（51）， 32413—32418
28	Sharma R.， Kamal A.， Abdinejad M.， Mahajan R. K.， Kraatz H. B.， Adv. Colloid Interface Sci.， 2017， 248， 35—68
29	Gan C. S.， Cai K. L.， Qu X. L.， Li H.， Wei L. G.， Cheng R.， J. Mol. Liq.， 2019， 283， 781—787
30	Zhu X. C.， He M.， Zhang W.， Wei H. B.， Lyu X. J.， Wang Q. B.， You X. F.， Li L.， J. Cleaner Prod.， 2020， 257， 120496
31	Shaban S. M.， Ismael E. H. I.， Elsharif A. M.， Elged A. H.， El Basiony N. M.， J. Mol. Liq.， 2022， 367， 120416
32	Liao R. F.， Shi L. L.， Zhou Y.， Jia C.Y.， Feng J. T.， Zhang W. N.， He， J. B.， Arabian J. Chem.， 2023， 16（10）， 105111
33	Hudson R. L.， Gerakines P. A.， Yarnall Y. Y.， Icarus， 2023， 396， 115499
34	Schriver A， Coanga J. M.， Schriver⁃Mazzuoli L.， Ehrenfreund P.， Chem. Phys.， 2004， 303（1/2）， 13—25
35	Wang X.， Qian J. F.， Sun Z. H.， Zhang Z. H.， He M. Y.， RSC Adv.， 2021， 11（60）， 38054—38059
36	Dong Q. W.， Li X.， Dong J. X.， Colloids Surf.， A， 2022， 649， 129419
37	Dong Q. W.， Li X.， Dong J. X.， Chem. Eng. Sci.， 2022， 258， 117747
38	Hua C. L.， Zhang R.， Zuo X. C.， Liu R. Q.， Fine Chem.， 2020， 37（12）， 2504—2509
	花昌林，张锐，左星成，刘芮祺. 精细化工， 2020， 37（12）， 2504—2509
39	Li Y. X.， Sun Y. Q.， Zhou J. J.， Di Serio M.， Zhang Y.， Sun J. Y.， Liang H. B.， Liu Y. Q.， J. Mol. Liq.， 2022， 355， 118985
40	Gao S. F.， Synthesis， Physicochemical Properties and Application of Novel Phenyl⁃containing Betaine Surfactants， China University of Petroleum， Beijing， 2020
	高世峰. 新型芳基甜菜碱表面活性剂的合成、理化性质及应用研究，北京：中国石油大学， 2020
41	Negm N. A.， EI Farargy A. F. M.， Mohammed D. E.， Mohamad H. N.， J. Surfactants Deterg.， 2012， 15（4）， 433—443
42	Zhang S. N.， Zhang J.， Song X. Q.， Jing X. L.， Chin. J. Spectrosc. Lab.， 2010， 27（4）， 1231—1236
	章苏宁，张健，宋晓秋，经晓兰. 光谱实验室， 2010， 27（4）， 1231—1236
43	Biswal N. R.， Paria S.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2011， 50（10）， 6138—6145
44	Paria S.， Biswal N. R.， Chaudhuri R. G.， AIChE J.， 2015， 61（2）， 655—663
45	Ravazzano C.， Ferreira G. A.， Colloids Surf.， A， 2024， 687， 133531
46	Kanokkarn P.， Shiina T.， Santikunaporn M.， Chavadej S.， Colloids Surf.， A， 2017， 524， 135—142
47	Mustan F.， Politova⁃Brinkova N.， Rossetti D.， Rayment P.， Tcholakova S.， Colloids Surf.， A， 2022， 633， 127874
48	Matsubara H.， Kimura T.， Miyao R.， Shin Y.， Ikeda N.， Colloids Surf.， A， 2021， 625， 126915
49	Cui Z. G.， Fundamentals of Surfactants， Colloids， and Interface Chemistry， Chemical Industry Press， Beijing， 2019， 289—290
	崔正刚. 表面活性剂、胶体与界面化学基础，北京：化学工业出版社， 2019， 289—290
50	Chen Y. W.， Synthesis and Surface Aggregation Performance Research of Carboxyl⁃based Amphoteric Surfactants， Shandong University， Jinan， 2021
	陈雅雯. 含羧基两性型表面活性剂的合成及表面聚集性能研究，济南：山东大学， 2021
51	Xu Z. W.， Cheng Q. Q.， Zhou X. D.， Color. Technol.， 2022， 138（5）， 565—578
52	Zhang Q. H.， Li Y. L.， Song Y. B.， Li Y.， Wang Z. F.， J. Mol. Liq.， 2018， 258， 34—39

[1]	郑子睿, 李子璐, 赵克非, 吴天岳, 张晨辉, 高玉霞, 杜凤沛. 生物基表面活性剂七叶皂素的界面行为[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3107.
[2]	张嘉懿, 丁臻尧, 王丹丹, 陈礼平, 封心建. 基于多孔金结构的三相界面酶电极的制备及高效电化学酶传感性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3167.
[3]	蒋华义,刘梅,齐红媛,梁爱国,王玉龙,孙娜娜,武哲. 三种钢基疏水表面微观形貌的分形特征及其对润湿性的影响[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(6): 1313.
[4]	梁维平, 赵晓辉, 安东, 徐乾, 叶志文. 四硅氧烷Gemini咪唑表面活性剂的合成及表面性能[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(10): 2009.
[5]	田为军, 张兴旺, 王骥月, 丛茜. 水黾多腿并排表面的疏水性能[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(8): 1726.
[6]	黄海龙, 李红玉, 张雷, 任天瑞. 聚氧乙烯醚型表面活性剂的合成及表面性质[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(6): 1330.
[7]	胡亚微, 贺惠蓉, 马养民, 杨秀芳. ZnO/Ag复合膜的制备及其润湿性转换研究[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(2): 295.
[8]	刘海燕, 顾大明, 刘国宇, 赵秀丽, 陈成, 徐克明. 新型Gemini咪唑表面活性剂的合成及表面性能[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(2): 401.
[9]	杨百勤, 路国超, 邢航, 周洪涛, 高岸涛, 肖进新. 全氟壬烯氧基苯磺酸钠与烷基季铵盐的相互作用[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(12): 2765.
[10]	王姝瑛, 李敏, 龚光明, 王景明, 吴俊涛, 江雷. 静电纺丝制备具有浸润性梯度的聚酰亚胺纳米纤维膜[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(05): 1090.
[11]	杨芳, 黎钢, 张松梅, 祁健, 刘荣, 徐念. 壬基酚聚氧乙烯醚二聚和三聚表面活性剂的合成及表面性质[J]. 高等学校化学学报, 2010, 31(7): 1465.
[12]	吴秋华, 魏天柱, 梁芳, 宋溪明, 韩光喜, 张国林. 聚丙烯酰胺/聚L-谷氨酸苄酯接枝共聚物的合成及其胶束制备[J]. 高等学校化学学报, 2008, 29(8): 1650.
[13]	陈晓玲,吕田,陈翔 . 超疏水性表面在冷凝条件下的润湿特性[J]. 高等学校化学学报, 2008, 29(5): 969.
[14]	王晓春,张磊,宫清涛,王琳,张路,李振泉,赵濉,俞稼镛 . 不同结构烷基苯磺酸钠水溶液的泡沫性能及动态表面张力[J]. 高等学校化学学报, 2007, 28(11): 2118.
[15]	辛志荣,赵郁霞,侯万国,尹立刚,邱召明,刘晓丽,柳婵,殷敬华 . 新型聚乙烯接枝共聚物的制备与表征[J]. 高等学校化学学报, 2007, 28(10): 1990.

十二碳炔基非离子Gemini表面活性剂的制备及性能

Preparation and Properties of Dodecacarbonyl Alkynyl Nonionic Gemini Surfactants

RichHTML

PDF (PC)

补充材料

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 52

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价