多親水基Gemini界面活性劑對分散染料分散性之研究

多親水基型 Gemini 界面活性劑對分散染料分散性之研究 Dispersibility of Multi-Hydrophilic Gemini surfactants on disperse dye.

董泯言、賴秋君、陳耿明*

國立台灣科技大學 高分子工程所

摘要：

本研究主要在探討多親水基 Gemini 界面活性劑 對分散染料在水溶液中分散性的影響。從染液的分散性 和粒徑測量的結果發現界面活性劑的存在對染料分散 性有顯著的增進。利用 UV-vis 光譜對分散染料和界面活 性劑的相互作用進行之研究，證實染液中有染料-界面活 性劑複合體的存在。

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。

分散染料是一種低分子量、疏水性強、水溶性很低 的非離子型染料 ⁷，其主要是以分散狀態懸浮於水溶液 中，因而容易產生凝集現象，在染料生產過程中通常會 加入界面活性劑（分散劑）來防止凝集和沉降現象的產 生。當分散染料於聚酯織物的高溫染色過程中，因為容 易有二次凝集的現象產生，故分散劑在高溫狀態下的穩 定性就顯得相當重要 ⁸。當分散劑具有高溫穩定性時，

其在高溫狀態下仍可與分散染料產生相互作用而形成 親水性複合體進而防止染料二次凝集現象的產生。本研 究報告將探討此一系列產物對分散染料染液之高溫分 散效果、結合粒徑分佈情形與染料相互作用之影響。

實驗

一、實驗試藥：

(1)多親水基 Gemini 界面活性劑，其結構如圖(一)所示。

C18H37O(CH2CH2O)nCCH2CHC(OH2CH2C)nOH37C18

O O

SO3Na n = 7、15、20、30

Compound：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

圖(一)、多親水基型 Gemini 界面活性劑產物結構圖

(2)分散染料 C.I. Disperse Red 60，其結構如圖(二)所示。

O

O NH2

OH O

圖(二)、染料結構圖

二、實驗方法：

(1) 粒徑分佈：

利用動態光散射儀測定其粒徑與分佈百分比。溶液 配方：助劑濃度 1g/l，染料濃度 0.2g/l，pH 值為 4.5，25

℃。

(2) 高溫分散性：

溶液配方：助劑濃度 0.5g/l，染料濃度 1g/l，pH 值 為 4.5，於 130℃恆溫 1hr，降溫至 90-95℃，以 5A 濾紙 過濾。經由下列式子計算：

高溫分散性 (%) = 染液過濾後濃度 染液原始濃度 (3) 染料相互作用：

染料經精製後，配成一定濃度之染液，再與不同濃 度之產物溶液以相同體積充分混合，測試其 UV-vis 光譜 吸光度(A)之變化。

結果與討論

(1) 粒徑分佈：

藉由一系列產物分別與 C.I. Disperse Red 60 共存之 染液中，兩者結合粒徑的測試探討於聚酯纖維或織物染 色之中加入所合成的一系列產物後，染料分子對水的親 合性。一般而言，結合粒徑越小、分佈越窄，其具有較 好安定性。由圖（三）可看出所合成產物皆具有良好的 分散能力，表示染料在產物的水溶液中較均勻分散。

(2) 高溫分散性：

聚酯纖維利用分散性染料於高溫高壓下進行染色 時，因為分散染料在高溫下具低水溶性與凝集性，故需 於染液中加入分散劑，使染料不易產生凝集。而分散劑 必須在高溫高壓下也能保持良好之分散性，才有助於染 料向聚酯纖維內部擴散、防止染料凝集、不抑制最終染 著、不使染料變色及適度之緩染性與均染性等作用。表 (一)顯示產物與分散染料 C.I. Disperse Red 60 之高溫分 散性，由表可知產物皆具有良好的高溫分散性，此乃由 於產物之 EO 鏈段可將凝集之染料部份溶化，染料較不 易產生二次凝集，即對染料的高溫分散性較佳；而藉由 產物結構與分散染料產生一定程度的相互作用而有所 提升。高溫分散性隨著 EO 數量增加，其分散性愈好，

由於產物之 EO 數量增加，微胞外圍結構（corna）的親 水性增加，可將凝集之染料部份溶化，染料較不易凝 集，即對染料的高溫分散性較佳。而產物Ⅰ因為其表面 張力值最低，能有效降低分散粒子表面自由能，故其亦 具有較佳之高溫分散性。

(3) 染料相互作用：

在染浴中，界面活性劑存在時，界面活性劑與染料 間具有親和力，產生相互作用，而形成所謂的複合體

（complex），複合體形成後會改變染料與界面活性劑溶 液之光譜之吸收特性。

將所合成之產物與 C.I. Disperse Red 60 染料作用，

由圖(四)至圖(七)顯示 C.I. Disperse Red 60 染料與不同

的產物之相互作用圖。由於產物的添加使得染液 UV 吸 收光譜之λmax由 524nm 往短波長方向移動至 519nm，這 是 因 為 產 物 的 疏 水 基 與 染 料 存 在 hydrophobic interaction，產生新的複合體而伴隨藍移現象（blue shift）

的發生 ^9-10，而隨著產物濃度的提升，其形成的微胞數 目越多，而把複合體分散或溶解於溶液中，使染液吸光 度增加。

結論

經由測量一系列多親水基 Gemini 界面活性劑與分 散染料之結合粒徑分佈與高溫分散性可發現一系列產 物皆具有良好的分散性質，其原因是因為產物具有降低 表面自由能的能力與親水性微胞結構包覆染料所導 致；經由 UV-vis 光譜可確認產物與分散染料產生相互作 用形成複合體，使分散染料溶解度上升，提升染料分散 均一性。

參考文獻

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5. R. Zana, Adv. Colloid Interfac., 97, 205(2002).

6. F. M. Menger, J. S. Meiper, Angew. Chem. Int., 39,1906 (2000).

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8. H. J. Liu, L. H. Lin, K. M. Chen, J. Appl. Polym. Sci., 88, 1236 (2003).

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10. T. S. Choi, Y. Shimizu, H. Shirai, K. Hamada, Dyes &

Pigments, 50, 55 (2001).

表(一)、化合物之高溫分散性

Compound Dispersibility (%)

Ⅰ 95.7

Ⅱ 90.6

Ⅲ 91.8

Ⅳ 97.3

Blank 25.6

0 1 2 3 4 5 6

0 5 10 15 20

q%

Diameter (μm) IV

III I II Blank

圖(三)、產物與染料 C.I. Disperse Red 60 之粒徑大小分 佈圖

400 500 600 700

0.0 0.1 0.2 0.3

0.4 Dye: 6.4 x 10-5M

A = Blank B = 1.9x10^-4M C = 3.7x10^-4M D = 6.0x10^-4M E = 7.5x10^-5M

Absorbance

Wavelength (nm) E

D C B A

圖(四)、合成產物Ⅰ與染料 C.I. Disperse Red 60 之相互 作用圖

400 500 600 700

0.0 0.1 0.2 0.3

0.4 Dye: 6.4 x 10-5M

A = Blank B = 1.2x10^-4M C = 2.5x10^-4M D = 3.9x10^-4M E = 4.9x10^-4M

Absorbance

Wavelength (nm) E

D C B A

圖(五)、合成產物Ⅱ與染料 C.I. Disperse Red 60 之相互 作用圖

400 500 600 700 0.0

0.1 0.2 0.3

0.4 Dye: 6.4 x 10-5M

A = Blank B = 1.2x10^-4M C = 2.4x10^-4M D = 3.2x10^-4M E = 4.0x10^-4M

Absorbance

Wavelength (nm) E

D C B A

圖(六)、合成產物Ⅲ與染料 C.I. Disperse Red 60 之相互 作用圖

400 450 500 550 600 650 700

0.0 0.1 0.2 0.3

0.4 Dye: 6.4 x 10-5M

A = Blank B = 7.4x10^-5M C = 1.5x10^-4M D = 2.4x10^-4M E = 3.0x10^-4M

Absorbance

Wavelength (nm) E

D C B A

圖(七)、合成產物Ⅳ與染料 C.I. Disperse Red 60 之相互 作用圖