劉 兵 ， 張 威 ， 王豐收

（1.中國日用化學研究院有限公司，山西太原 030000；2.上海發(fā)凱化工有限公司，上海 201505）

2-十一烷基-N-磺酸基-N-羥乙基咪唑啉（IMDCHPS）又被稱為咪唑啉磺酸鹽，是一種高效的咪唑啉類表面活性劑，低毒、溫和、無刺激、耐硬水，兼具良好的去污、起泡和乳化性等[1-3]。咪唑啉類表面活性劑被廣泛應用于日用化工、油田化工、金屬表面處理、紡織、采礦等領域。目前市場上量產(chǎn)的咪唑啉類表面活性劑為羧酸鹽類[4]，相比咪唑啉羧酸鹽，咪唑啉磺酸鹽在耐鹽、乳化及緩蝕等方面表現(xiàn)更突出。國外學者對于咪唑啉磺酸鹽兩性表面活性劑在緩蝕方面的應用研究較多，且取得了較大進展[5-8]。隨著市場對高效表面活性劑的需求越來越大，合成表面活性更優(yōu)異的咪唑啉磺酸鹽勢在必行[9-11]。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：月桂酸，羥乙基乙二胺（AEEA），3-氯-2-羥基丙磺酸鈉（CHPS-Na）、NaOH、H3PO4和IPA（分析純，上海晶純試劑有限公司），帆布（上海染料公司）。

儀器：VERTEX 70紅外光譜儀（德國布魯克公司），K100表面張力儀（德國克呂士公司），Ross-Miles泡沫儀（中國日用化學工業(yè)研究院）。

1.2 合成方法

IMD：在帶有溫度計、直形冷凝管以及電動攪拌裝置的四口燒瓶中加入161.5 g月桂酸、60.0 g AEEA和0.4 g H3PO4，控制真空度為13.3 kPa，升溫至130～180℃進行脫水酰胺化反應，再升溫至230℃進行咪唑啉環(huán)化反應，蒸餾出未反應的AEEA，降溫后得到黃色IMD。測定產(chǎn)物酸值，得月桂酸轉(zhuǎn)化率為98.6%。

IMDCHPS：在帶有溫度計、回流冷凝管及電動攪拌裝置的四口燒瓶中加入CHPS-Na 43.9 g（過量），用IPA和H2O作為溶劑，攪拌溶解，再加入30.0 g IMD，升溫至90℃，加入NaOH 8.9 g，恒溫反應5.0 h，得黃色液體即為目標產(chǎn)物。通過測試產(chǎn)物中游離酰胺的質(zhì)量分數(shù)確定產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率為98.5%。合成路線如下：

1.3 測試

表面張力：將產(chǎn)物配制成一系列梯度濃度的溶液，在25℃下使用表面張力儀-吊環(huán)法測定。

耐無機鹽性能：分別配制0、0.4、0.8 mol/L的NaCl水溶液，測試對IMDCHPS表面張力的影響。

泡沫性能：根據(jù)GB/T 7462—1994，用改進的Ross-Miles法進行測試，分別記錄30 s、3 min和5 min時的泡沫體積。

潤濕性：根據(jù)GB/T 11983—1989，采用帆布沉降法測定，重復10次，取平均值。

乳化性能：室溫下準確配制5.0 g/L IMDCHPS溶液，移取20 mL至量程為100 mL的具塞量筒中，再加入20 mL大豆油，蓋緊瓶塞，上下猛烈振蕩50次，靜置計時，記錄下層析出10 mL水所需的時間[12]。乳化時間越長，表示乳化能力越好。

2 結果與討論

2.1 表征

2.1.1 核磁共振氫譜

由圖1可知，4.80是重水的化學位移；0.90是—CH3的化學位移；1.20是長烷基鏈段上—CH2—的化學位移；3.31、3.25是咪唑啉環(huán)上—CH2—的化學位移；2.23是咪唑啉環(huán)鄰位（α位）上—CH2—的化學位移；1.60是羧基β位（間位）上—CH2—的化學位移；3.65是羥乙基上鄰近羥基的—CH2—化學位移，另一個—CH2—經(jīng)季銨鹽化，出峰在3.25；2.40～2.60是羥基丙磺酸上接咪唑啉的—CH2—化學位移；3.65是羥基丙磺酸上羥基鄰位氫的化學位移；4.10是羥基丙磺酸上磺酸基鄰位的—CH2—化學位移。由以上分析可知，目標產(chǎn)物中含有烷基、咪唑啉環(huán)、季胺基團和羥丙基磺酸鈉等主要官能團。

圖1 IMDCHPS的核磁共振圖譜

2.1.2 紅外光譜

由圖2可知，1 461 cm-1為—CH3和—CH2—的彎曲振動吸收峰，1 541 cm-1為N—H的彎曲振動吸收峰，1 626 cm-1為CN的伸縮振動吸收峰，1 739 cm-1為CO的振動吸收峰，2 854 cm-1為C—N的振動吸收峰，3 292 cm-1為酰胺的振動吸收峰，2 958 cm-1為亞甲基—CH2—的伸縮振動峰，1 421 cm-1為—OH的面內(nèi)彎曲振動峰，1 051 cm-1為—SO3的伸縮振動峰，官能團特征明顯。

圖2 IMDCHPS的紅外吸收光譜

2.2 IMDCHPS的性能

2.2.1 表面張力

由圖3可知，隨著產(chǎn)物濃度的增大，溶液表面張力顯著降低；當增大至一定濃度時，溶液表面張力不再有明顯變化，cmc=9.0×10-4mol/L，γcmc=26.6 mN/m，說明IMDCHPS具有良好的表面活性。

圖3 IMDCHPS的γ-lg c曲線

2.2.2 耐無機鹽性能和潤濕性

由圖4可知，在NaCl濃度分別為0、0.4、0.8 mol/L時，IMDCHPS的cmc略微降低，γ略微升高?？傮w來說，NaCl濃度對月桂基咪唑啉的表面活性影響不大，IMDCHPS具有一定的耐鹽性，具體數(shù)值見表1。

圖4 IMDCHPS在不同濃度NaCl溶液中的γ-lg c曲線

從表1還可知，隨著NaCl濃度的增大，IMDCHPS的潤濕時間縮短，潤濕性能逐漸提高。

表1 IMDCHPS在不同濃度NaCl溶液中的表面活性和潤濕性

2.2.3 泡沫性能

由表2可知，IMDCHPS的起泡及穩(wěn)泡效果較好，在純水中泡沫更為豐富。

表2 IMDCHPS在不同濃度CaCl2溶液中的泡沫體積

2.2.4 乳化性能

IMDCHPS的乳化時間為18 min，表明其對大豆油的乳化力較好。

2.3 性能對比

由表3可知，與十一烷基咪唑啉羧酸鹽（IMDC）相比，IMDCHPS的表面活性更高；發(fā)泡能力略差，穩(wěn)泡性能相當；潤濕性略差。

表3 IMDCHPS與IMDC的性能對比

3 結論

（1）以月桂酸和AEEA為原料，H3PO4為催化劑合成IMD，轉(zhuǎn)化率為98.6%；IMD再與CHPS-Na反應制備了IMDCHPS，轉(zhuǎn)化率為98.5%。

（2）IMDCHPS有高效的表面活性（γcmc=26.6 mN/m，cmc=9.0×10-4mol/L），良好的發(fā)泡及穩(wěn)泡性能，較好的耐鹽性能，對大豆油的乳化力較好。