三种不同类型甜菜碱表面活性剂的发泡及增稠性能研究

三种不同类型甜菜碱表面活性剂的
发泡及增稠性能研究
王培义1 闫铨钊1 梁晓军2
(1.郑州轻工业学院化学工程系,郑州450002;2.郑州大学化工学院,郑州450002)
摘要:分别测定了水中十二烷基甜菜碱(DB)、椰油酰胺丙基甜菜碱(CAPB)和十二烷基羟丙基磺基甜菜碱(DHSB)在不同温度、硬度、p H值及其不同质量分数下的发泡性能,并用上述3种甜菜碱分别与AES和6501复配,测定了它们的增稠性随温度、p H值、NaCl的质量分数及3种甜菜碱在溶液中质量分数的变化。

结果表明:在测量范围内,3种甜菜碱的发泡性随温度和在溶液中质量分数的升高而升高,且几乎不受水中CaCO3质量浓度的影响。

DHSB的发泡性受其在溶液中质量分数和p H值的影响较大,在w(甜菜碱)<0.15%和p H= 5条件下,DHSB的发泡性较DB和CAPB差;当p H=9时,其发泡性优于DB和CAPB。

添加甜菜碱的体系易被NaCl增稠,3种甜菜碱的增稠性随NaCl的质量分数的增加均出现最大值,其峰值是未加甜菜碱的6～7倍,且在微酸性条件下甜菜碱的增稠效果更为明显。

关键词:甜菜碱　两性表面活性剂　发泡性　增稠性
甜菜碱类表面活性剂具有优良的洗涤发泡性、增稠性、抗硬水性以及低刺激性、调理性、抗菌性、生物降解性等特点,广泛应用于日用品及工业助剂配方中[1]。

在甜菜碱类表面活性剂中最主要的品种是十二烷基甜菜碱(DB)、椰油酰胺丙基甜菜碱(CAPB)、十二烷基羟丙基磺基甜菜碱(DHSB)等。

有关此类表面活性剂的合成与性能已有研究报道[1～3]。

甜莱碱类表面活性剂具有多种功能,但在许多液体洗涤剂配方中选用它的主要原因是由于它具有优良的协同增稠作用及发泡、稳泡作用。

笔者进一步研究了几种甜菜碱表面活性剂的发泡性能以及它对以AES为主的表面活性剂体系的增稠性能。

1　实　验
1.1　主要原料及仪器
十二烷基甜菜碱(DB),w=29.92%;椰油酰胺丙基甜菜碱(CAPB),w=34.65%;十二烷基羟丙基磺基甜菜碱(DHSB),w=36.40%;脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES),w=72.63%;月桂酸二乙醇酰胺(6501,1∶1型)均为工业品。

其他为分析纯。

Ross2Miles泡沫仪;NDJ21型旋转粘度计。

1.2　测试方法
发泡性采用G B/T1317316—91法测定;粘度采用G B5561—85法测定。

2　结果及讨论
2.1　甜菜碱类表面活性剂的发泡性能
2.1.1　3种甜菜碱的发泡性在不同温度下随其在溶液中质量分数的变化
在去离子水中,分别测定了DB、CAPB、DHSB在质量分数为0.05%～0.30%时的泡沫高度,结果见图1。

图1　不同温度下甜菜碱的质量分数与泡沫高度的关系
由图1可见,此类表面活性剂具有优良的发泡性能,在测量范围内,3种甜菜碱的发泡性均随温度和在溶液中质量分数的升高而升高。

w(甜
收稿日期:20020311;修改稿收到日期:20030113。

作者简介:王培义(1961),教授,主要从事表面活性剂、合成洗涤剂、化妆品等精细化学品的教学与研究工作,已发表论文40余篇。

2003年3月
精　细　石　油　化　工
SPECIAL ITY PETROCHEMICALS
第2期
菜碱)=0.05%时,DB 的发泡性优于CAPB 和DHSB ;而w (甜菜碱)=0.3%时,DHSB 的发泡性优于DB 和CAPB 。

在测定温度范围内,w (DHSB )<0.1%时,发泡性较差。

2.1.2　3种甜菜碱的发泡性在不同硬水中随其
在溶液中质量分数的变化
在40℃,CaCO 3的质量浓度分别为0,150mg/L 和250mg/L 的硬水中,分别测定了DB 、CAPB 和DHSB 在不同质量分数时的泡沫高度,结果见图2。

图2　不同硬度水中甜菜碱的质量分数与泡沫高度的关系A —
ρ(CaCO 3)=0mg/L ;B —ρ(CaCO 3)=150mg/L ;C —
ρ(CaCO 3)=250mg/L 由图2可见,在测定范围内,甜菜碱系表面活性剂具有优良的抗硬水性,DB 和CAPB 的发泡性几乎不随水中CaCO 3的质量浓度的变化而变化。

DHSB 的发泡性随水硬度的增加而提高,如w (DHSB )=0.1%、无CaCO 3时,泡高为157mm ;ρ(CaCO 3)=150mg/L 时,泡高为167mm ;ρ(Ca 2CO 3)=250mg/L 时,泡高为174.5mm 。

在硬水中,DHSB 的发泡性随其在溶液中质量分数的增加而有较大提高,如w (甜菜碱)<0.1%时,其发泡性明显不如DB 和CAPB ;而当w (甜菜碱)>0.2%时,其发泡性优于DB 和CAPB 。

3种甜菜碱的优良抗硬水性是因为其分子中包含一个大的极性亲水头,这一结构特征,决定了它具有强的抗硬水性[2]。

2.1.3　3种甜菜碱的发泡性在不同p H 值条件下随其在溶液中质量分数的变化
在40℃去离子水中,分别测定了DB 、CAPB 和DHSB 在不同p H 值条件下的泡沫高度,结果见图3。

由图3可以看出,在测定p H 范围内,DB 和CAPB 的泡沫高度随p H 值的变化不大。

而DHSB 的发泡性受p H 值的影响较大,在p H =5,w (甜菜碱)<0.15%时,DHSB 的发泡性较DB 和
CAPB 差,而在p H =9时,其发泡性优于DB 和CAPB 。

因此DHSB 在应用中为了达到较好的发
泡性能,不仅在溶液中要达到一定的质量分数,而
且要控制体系p H 值为中性或碱性。

图3　不同p H 条件下甜菜碱质量分数与泡沫高度的关系
2.2　甜菜碱系表面活性剂的增稠性能2.2.1　3种甜菜碱在不同温度下的增稠性能
取10g AES 、5g 6501混合均匀,分别加入不同质量分数的DB 、CAPB 和DHSB ,加水至100g ,分别测定20,40,60℃时的粘度,结果见图4所示。

图4　不同温度下甜菜碱的质量分数与粘度的关系
由图4可见,不同温度下体系的粘度随甜菜碱的质量分数的增加而提高,随温度的升高而降低。

当w (甜菜碱)<3%时,增稠效果不明显;当w (甜菜碱)>3%时,3种甜菜碱才有较好的增稠效果,且DB 和CAPB 的增稠性优于DHSB 。

如20℃,w (甜菜碱)=4.0%时,DB 和CAPB 的粘度均为5.9×10-2Pa ・s ;而DHSB 的粘度为3.36×10-2Pa ・s 。

甜菜碱类两性表面活性剂的增稠作用是由于其分子中带正、负电荷中心彼此间的相互作用,使其临界胶团浓度比相应的阴离子表面活性剂低,与阴离子表面活性剂混合易形成棒状胶团,粘度增大[2]。

2.2.2　N aCl 对体系粘度的影响
取10g AES 、5g 6501,甜菜碱2g (100%计),加水至100g 。

向该体系中加入不同质量分数的NaCl ,在25℃分别测定其粘度,并与不加甜菜碱时进行比较,结果见图5。

11第2期王培义等.三种不同类型甜菜碱表面活性剂的发泡及增稠性能研究　
图5　NaCl的质量分数与粘度的关系
1—AES+6501+CAPB;2—AES+6501+DHSB;
3—AES+6501+DB;4—AES+6501
由图5可以看出,体系粘度均随NaCl的质量分数的增加出现最大值,其峰值是未加甜菜碱的6～7倍,表明添加甜菜碱的体系易被NaCl增稠。

这是因为NaCl的加入使表面活性剂溶液中胶团的双电层压缩,减少了离子头之间的相互作用,胶团聚集数增加形成六角型的棒状胶团,溶液的粘度增加。

NaCl过量后,正负离子聚集在棒状胶团的周围,晶相平衡受到破坏,晶相结构由六角型的棒状胶团转向层状结构,溶液粘度下降[5]。

2.2.3　p H值对3种甜菜碱增稠性的影响
取10g AES、5g6501、甜菜碱2g(100%计),加入部分水溶解均匀,用稀磷酸或KOH溶液调整体系p H值,然后加水至100g,在25℃测定体系粘度,结果见表1。

表1　p H值对甜菜碱增稠性的影响
组成
η/(mPa・s)
p H=5p H=7p H=9
AES+6501+DB24940.010.4 AES+6501+CAPB28241.29.3 AES+6501+DHSB26643.8 6.5 AES+650137.617.0 2.6
表1结果表明,随着体系p H值的降低、体系粘度增加,且添加甜菜碱的体系粘度增加幅度较不加甜菜碱的体系大,因此,3种甜菜碱的增稠作用在微酸性(p H=5左右)条件下更为明显。

3　结　论
a.试验表明,3种甜菜碱均具有优良的发泡性能,其发泡性随温度和在溶液中质量分数的升高而升高,且几乎不受水中CaCO3的质量浓度的影响。

DHSB的发泡性受其在溶液中的质量分数和p H值的影响较大,在p H=5、w(甜菜碱)< 0.15%时,DHSB的发泡性低于DB和CAPB,但当w(甜菜碱)>0.2%后,其发泡性优于DB和CAPB;当p H=9时,不论在溶液中的质量分数低还是高,其发泡性均优于DB和CAPB且不受质量分数的影响。

b.在试验范围内,在以AES和6501为主表面活性剂的体系中,加入甜菜碱,当w(甜菜碱) >3%后,具有明显的增稠效果,且在微酸性条件下更为明显。

NaCl对上述体系具有明显的增稠效果,体系的粘度随NaCl的质量分数的增加出现最大值,其峰值是未加甜菜碱的6～7倍,说明添加甜菜碱的体系易被NaCl增稠。

参　考　文　献
1　陆光崇.纯椰油酰胺丙基甜菜碱不会引起皮肤过敏[J].日用化学品科学,1998,(5):36
2　方云.两性表面活性剂[M].北京:中国轻工业出版社,2001.
113～139
3　章志兴.新型两性表面活性剂椰油酰胺丙基甜菜碱CAB230 [J].日用化学工业,1994,(1):50～52
4　王宝林,曲德仁,张新春.烷醇酰胺丙基甜菜碱的合成、性能及应用[J].表面活性剂工业,1993,(1):31～36
5　王培义.氯化钠对表面活性剂水溶液粘度的影响[J].表面活性剂工业,1992,(2):15～19
STU DY ON FOAMING AN D THICKENING PROPERTIES OF
3DIFFERENT TYPES OF BETAINE SERIES SURFACTANTS
Wang Peiyi1,Yan Quanzhao1and Liang Xiaojun2
(1.Depart ment of Chem ical Engi neeri ng,Zhengz hou Instit ute of L ight Indust ry,Zhengz hou450002, Chi na;2.School of Chem ical Engi neeri ng,Zhengz hou U niversity,Zhengz hou450002,Chi na)
Abstract:The foaming properties of dodecyl dimethyl betaine(DB),cocoa nut fatty amido propyl 21 精　细　石　油　化　工2003年
棉籽油酸单乙醇酰胺硫酸酯盐的合成
及其在ASP 驱油中的应用
3
唐　军1 贾殿赠2 张红艳2
(1.新疆大学理化测试中心,乌鲁木齐830046;2.新疆大学化学化工学院,乌鲁木齐830046)
摘要:为了提高石油采收率,用不经提纯的棉籽油脚为原料,制得棉籽油酸单乙醇酰胺硫酸酯盐。

通过正交实验,找出了硫酸酯化的优化条件为:反应温度90℃,酰胺/硫酸(摩尔比)=1∶1.2,反应时间50min 。

将硫酸酯盐与酰胺进行复配,与碱和聚合物构成三元复合驱油体系,可与克拉玛依七东一区原油形成5×10-3mN/m 的超低界面张力。

关键词:酰胺化　酯化　棉籽油脚　表面活性剂　三元复合驱
目前,我国多数油井产出液中含水量已高达
90%,三次采油显得越来越重要[1]。

表面活性剂驱是三次采油研究的一个重要方向,其中高效、廉价表面活性剂的研制,驱油机理,体系配方等都是迫切需要解决的问题。

烷醇酰胺作为非离子表面活性剂,广泛用于洗涤剂、化妆品及其他工业领域,同时,它也可用于制备其他表面活性剂[2]。

烷醇酰胺硫酸酯盐具有优良的洗涤去污能力、钙皂分散能力和复配性能等特点[3～5],笔者用棉籽油精制剩下的油脚为原料,不经提纯直接进行改性,制备出驱油用烷醇酰胺硫酸酯盐类表面活性剂,研究了与棉籽油酸单乙醇酰胺复配后对原油形成的超低界面张力。

1　实　验1.1　原料及仪器
棉籽油脚,新疆尉犁县油脂化工厂,水解后其中脂肪酸含量约50%～60%。

单乙胺醇、氢氧化钠、氯化钠、浓硫酸、甲醇、浓盐酸、氢氧化钾、对甲苯胺、碳酸钠、均为分析纯。

聚丙烯酰胺(HPAM ),相对分子质量14×106,水解度27%。

原油,克拉玛依油田七东一区,地层温度34.3℃。

Bio 2Rad F TS 240型红外光谱仪;XZD 23型全
收稿日期:20020517;修改稿收到日期:20030102。

作者简介:唐军(1971),硕士,主要从事仪器分析及表面化学的教学与研究工作。

3新疆大学青年教师科研启动基金资助。

betaine (CAPB )and dodecyl hydroxy 2propyl sulfobetaine (DHSB )were determined at different tempera 2tures ,hardnesses of water ,p H values and mass concentrations of these 3kinds of betaine in the solution re 2spectively ,and the thickening properties of the mixture of these 3kinds of betaine and AES ,6501were de 2termined at different temperatures ,p H values ,addition amounts of NaCl and mass concentration of these 3kinds of betaine in solution respectively.The results demonstrated that the foamabities of these betaines in 2creased with the increasing of temperature and mass concentration of these betaines in solution ,but the con 2centration of CaCO 3in water has no effect practically ;and the mass concentration of betaines in solution and p H value have a great influence on the foamability of DHSB ,i.e.its foamability is rather poor than DB and CAPB at w (betaine )<0.15%and p H =5;but is better than DB and CAPB at any concentrations within the measured range and p H =9.The solution of these betaines are apt to thicken with addition of NaCl ,the highest viscosity is 6
7times as inexixtence of the betaine and the thickening effeet of the betaine is more
obvious at the weak acidity.
K ey w ords :betaine ;amphoteric surfactant ;foamability ;thickening power
2003年3月
精　细　石　油　化　工
SPECIAL ITY PETROCHEMICALS
第2期。