多親水基型 Gemini 界面活性劑之合成及其界面性質
Synthesis and surface activity of Multi-Hydrophilic Gemini surfactants.
董泯言、賴秋君、陳耿明 國立台灣科技大學 高分子工程所 E-mail: [email protected]
ABSTRACT: A series of multi-hydrophilic Gemini surfactants containing anionic and multi-nonionic hydrophilic moieties were synthesized by reacting Polyoxyothylenated stearyl ethyl , maleic anhydride and sodium hydrogen sulfite to form sulfate-group-containing addition product. The structure of these surfactants were confirmed by FT-IR spectra . These surfactants exhibit good surface properties, including surface tension, foaming, wetting and pH buffer.
摘要：本研究以聚乙二醇十八烷基醚與馬來酸酐進行反
應之後再導入磺酸鈉鹽，合成一系列含陰離子基團及多 個非離子基團之多親水基型 Gemini 界面活性劑。所合 成的產物經 FT-IR 光譜確認其構造。此一系列界面活性 劑具有良好的界面性質，包括表面張力、起泡性、濕潤 性和 pH 緩衝能力。
簡介
界 面 活 性 劑 的 構 造 包 含 一 個 親 水 基(hydrophilic group)及一個疏水基(hydrophobic group)，近年來，一種 新型的界面活性劑：Gemini 界面活性劑 1-3被廣為討 論，其構造為兩個親水基與兩個疏水基利用spacer 連接 成為兩邊對稱的結構。Gemini 界面活性劑比傳統界面 活性劑具有更佳的界面性質，包括較低的cmc、較佳的 濕潤性、分散性、泡沫穩定性等性質4-6，因而被廣泛的 研究與應用。
一般界面活性劑分子結構中含有僅含有單一親水 基團與單一疏水基團，其因構造簡單及低分子量等本身 性質的限制，使其界面性質常無法滿足應用上的需求，
因此，如何改良傳統界面活性劑之構造及性質甚為需要
7-9。本研究以聚乙二醇十八烷基醚、馬來酸酐在酯化反 應後，再利用亞硫酸氫鈉導入陰離子基團於 spacer 處，
合成一系列多親水基型 Gemini 界面活性劑並測試其各 種界面性質。
實驗 一、合成步驟：
Step1：如 Scheme (1)所示，將聚乙二醇十八烷基 醚置於四口反應瓶加熱至 80℃使其熔融，加入馬來酸酐 攪拌均勻後，緩緩加熱至 175~180℃，恆溫 8 小時。
Step2：如 Scheme (2)所示，溫度降至 90℃後，將 亞硫酸氫鈉配成水溶液後，加入至反應瓶中，於 reflux 狀態下恆溫反應 2 小時。
EO 鏈段數 7 15 20 30
產物代號 1807 1815 1820 1830
二、界面性質測試：
表面張力測試以自讀式表面張力儀測定其在不同 濃度的表面張力。起泡性以Ross-Miles 法測定10，樣品 濃度 1g/l。濕潤性以接觸角計測定，樣品濃度為 2g/l，
由測定值計算其 2θ值。pH 緩衝能力以 pH meter 測定，
樣品濃度 1g/l。
結果與討論 一、構造分析：
圖(一)所示為所合成產物之 FT-IR 光譜分析圖，CH2
對稱伸縮震動吸收位置在 2858cm-1處及非對稱伸縮震動 吸收在 2921cm-1處，1582~1744cm-1處有 C=O 的震動吸 收，C-H 的吸收是在 1430~1503cm-1處，-SO3的吸收是在 1150~1250cm-1處，不飽和酯 C=O 基的吸收在 1731 cm-1 處。
二、表面張力：
當界面活性劑加入水溶液中時，由於界面活性劑本 身構造中含有親水基團與疏水基團，親水基團會在水溶 液中，而疏水基團會突出液面排列而導致液體表面自由 能減少，造成降低表面張力的現象。室溫25℃時，純水 的表面張力約為72.8 dyne/cm。水溶液的表面張力隨著 界面活性劑濃度的增加而降低，當濃度至某一定值時，
表面張力會呈現一定值，此濃度即為臨界微胞濃度 (cmc)。本研究所合成之產物均具有降低表面張力的能 力，如圖(二)所示，而隨著 ethylene oxide 鏈段的增加，
其表面張力值增高，降低表面張力能力下降，降低表面 張力能力大小依序為1830<1820<1815<1807，此即 1830 之ethylene oxide 鏈段較長，水分子具有甚大之向內引 力，界面活性劑之疏水基在水面上難以規則緊密的吸附 排列所致11,12。
三、起泡性：
低起泡性是界面活性劑在某些工業應用方面必須 有的重要性質，例如使用在紡織工業的染色助劑。一般 陰離子型界面活性劑的起泡值約在20cm，非離子型界面 活性劑的起泡值約在10cm。圖(三)為所合成的產物與市 售 陰 離 子 型 界 面 活 性 劑 SDBS(sodium dodecylbenzene sulfonate)的起泡值，顯示出所合成的產物皆具有較低的 起泡性，這是因為合成產物中的親水基與疏水基的無序 排列，所以不容易整齊排列於氣泡周圍，也就不易在表 面形成穩定彈性薄膜7。
四、濕潤性：
固體表面有吸附氣體或液體的能力，當液體與固體 表面接觸時，常需將已吸附的氣體趕走，始能吸附液 體，此現象稱為溼潤(wetting)。在測定上可藉由接觸 角來判斷濕潤性的大小，本研究是以棉胚布及壓克力板 作為濕潤的對象，由表(一)可看出所合成之產物的接觸 角皆比水小，所以具有較好的濕潤性。所合成產物間濕 潤性的差異是因為隨著ethylene oxide 基團的增加，親水 性愈大，表面張力值愈高，表面自由能愈大，濕潤的親 和力愈小，也就較不易滲透、擴張，故所測得的接觸角 就愈大，則濕潤效果就愈差13。
五、pH 緩衝能力：
在纖維染色整理過程中，常需加入不同的酸鹼藥 劑，增進織物的各種性質，如柔軟性、均染性等，且一 般陰離子界面活性劑的界面性質受pH 影響很大，故其 必須具備pH 緩衝能力。由圖(四)可知純水的 pH 緩衝能 力很小，對合成產物而言，皆具有pH 緩衝能力，這是 因為產物具有陰離子基團能與H+離子結合，使溶液中的 H+離子濃度緩慢增加的緣故。
結論
本研究以聚乙二醇十八烷基醚、馬來酸酐、亞硫酸 氫鈉合成一系列多親水基型 Gemini 界面活性劑，所合 成產物皆經由 FT-IR 光譜確認其構造。此一系列產物皆 具有降低表面張力之性質，而表面張力值隨著 ethylene oxide 鏈段之增加而降低表面張力的能力相對減小。合 成產物經與SDBS 比較顯示其具有低起泡性，且兼具良 好的濕潤性與pH 緩衝能力。
參考文獻
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13. Wang, H.R, Chen, K.M, Colloid. Surface A, 281, 190 (2006).
Scheme (1)：
O O
O 2 C18H37O(CH2CH2O)nH + 1
C18H37O(CH2CH2O)nCCH CHC(OH2CH2C)nOH37C18
O O
Scheme (2)：
C18H37O(CH2CH2O)nCCH CHC(OH2CH2C)nOH37C18 + HSO3Na
O O
C18H37O(CH2CH2O)nCCH2CHC(OH2CH2C)nOH37C18
O O
SO3Na
表(一)、合成產物之濕潤性
3000 2500 2000 1500 1000 500
1830 1820 1815 1807
Transmittance (%)
Wavelength (cm-1)
圖(一)、合成產物之 FT-IR 圖譜
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
35 40 45 50 55 60 65 70 75
Surface tension (dyne/cm)
Concentration (wt%)
1807 1815 1820 1830
圖(二)、合成產物之表面張力-濃度圖
接觸角(2θ) 單位：deg.
濕潤性
產物 壓克力板 棉胚布
H
2O 72 142
1807 57.3 127
1815 62.7 129
1820 66.7 130
1830 67.7 137
0 1 2 3 4 5 6 7
SDBS 1807 1815 1820 1830
產物
泡沫高度 (cm)
起泡高度 穩定高度
圖(三)、合成產物之起泡性
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
2 3 4 5 6 7
pH
0.5N HCl (ml)
H2O 1807 1815 1820 1830
圖(四)、合成產物之 pH 緩衝能力
