Gemini 表面活性剂的研究进展

Gemini 表面活性剂的研究进展
摘要: Gemini 表面活性剂由于其新奇的分子结构,具有高表面活性、超低界面张力、强协同效应等特性,因而在乳化、洗涤、增溶等方面有广阔的应用前景。

本文概述了Gemini 表面活性剂的结构与性能、主要合成方法,应用及前景。

关键词:表面活性剂结构合成应用
Gemini 表面活性剂是一类具有特殊分子结构的表面活性剂, 它是通过一个联结基团将
两个单烷基链单头基普通表面活性剂在离子头基处以化学键连接在一起的二聚体。

由于Gemini 表面活性剂所具有的特殊结构, 从而具有某些特殊的性质, 特别是具有更高的表面活性及其他物理化学特性。

由于近年来国内外对Gemini 表面活性剂合成和性能研究的快速发展,为高表面活性的Gemini 表面活性剂的广泛应用提供了基础。

1、 Gemini 表面活性剂的结构特征
Gemini 表面活性剂可视作是由两个同一或几乎同一的两亲成分, 在其头基或靠近头基
处由联结基团通过化学键将两亲成分连接而成( 如图1) 。

与传统单链表面活性剂分子相比, Gemini 表面活性剂分子最大的不同就是有间隔链。

研究表明间隔链的性质及位置对Gemini 表面活性剂的物化性能的影响很大, 一般来说, 间隔链
应靠近Gemini 表面活性剂的亲水基, 间隔链远离亲水基直至靠近疏水链的另一端时, 该物质
即变为另一种特殊的表面活性剂, 即Bolaform 型表面活性剂。

Gemini 表面活性剂的结构特点如下:
( 1) 至少有两个疏水链和两个亲水基。

( 2) 疏水链可以是不同链长的碳氢链。

( 3) 亲水基可以是阴离子型, 如硫酸酯基、磺酸基、磷酸基和羧酸基等; 也可以是阳离子型, 如季铵盐、酰胺类和胺类等; 或者为非离子型, 如多元醇型、酚醚型和糖苷型等。

同一分
子中的两个亲水基可以不同。

( 4) 根据间隔链的弯曲性, 可分为刚性和柔性。

前者包括较短的碳氢链, 如亚二甲苯基、对二苯代乙烯基和乙炔基等; 后者包括较长的碳氢链, 如聚氧乙烯链、杂原子等。

由于含有杂原子, 间隔链的组成也不相同, 其疏水和亲水的能力也不同, 又可将其分为疏水和亲水两类。

( 5) 大部分Gemini 表面活性剂具有两个相同的疏水链和亲水基。

还有同时具有3个或4个两亲成分的三聚体、四聚体等低聚表面活性剂。

理论上三聚体或四聚体表面活性剂中不同头基的组合比二聚体表面活性剂要多,
2、Gemini表面活性剂的特性
Gemini表面活性剂与传统表面活性剂相比有许多特性
（1）Gemini表面活性剂的临界胶束浓度比相应的传统表面活性剂低1-2个数量级.
（2）Gemini表面活性剂更易吸附在气/液表面,在降低水的表面张力方面比相应的传统表面活性剂更有效.
（3）Gemini表面活性剂有很低Krafft的点.
（4）与传统表面活性剂,特别是两性表面活性剂的复配表现出很好的协同效应.
（5）一些Gemini表面活性剂在较低的浓度下具有明显的流变性、粘弹性、凝胶化等特性.
3、Gemini 表面活性剂的制备
Gemini 表面活性剂的合成方法多样,主要可归属为下述4 种方法:
(1) 用连接基团将两个双亲体在头基处键合起来.
(2) 用连接基团先将两个尾链联结起来,再接上(或形成) 头基.
(3) 用连接基团先将头基联结起来,再接上尾链.
(4) 先合成一端的疏水链与头基(或选用这样的原料) ,引入连接基团后再加入另一端的头
基与疏水链. 此法多用于不对称Gemini 的合成.
Gemini 分子的合成受反应条件的影响很大,而Gemini 表面活性剂的分离提纯往往也是其制备过程中的关键步骤之一. Gemini 分子的合成涉及较多的副反应,常会产生一些疏水链或亲水基团与Gemini分子相同的副产物,很难分离. 由于Gemini 表面活性剂通常带有电荷,用柱层析法时易被固定相吸附,分离效果不佳,因而主要的分离方法为萃取和重结晶.萃取和重结晶的溶剂选择十分考究,常能决定实施萃取与重结晶的成败,常用的溶剂为丙酮、乙醚、乙醇、乙酸乙酯、正己烷等及其混合溶剂.
4、Gemini 表面活性剂的应用
4.1 高效乳化剂、洗涤剂
因为具有更高的表面活性, Gemini 表面活性剂可以用于生产高效洗涤剂、乳化剂。

在减少表面活性剂用量的情况下,达到甚至超过单链表面活性剂的效果。

大大减少了生产中原料的用量和副产品的生成量,有效地保护了环境。

4.2 化妆品
Gemini 表面活性剂在溶液相中的浓度随着CMC 值的降低而降低。

因此,该类表面活性剂对皮肤,眼睛的刺激相对较低,可以在温和型的个人护理品,尤其是在婴幼儿的个人护理品中用。

4.3 高效增溶剂
极低的CMC 值,使得Gemini 表面活性剂在很低的浓度下即可形成胶束,既而达到增溶的效果。

因此,该类表面活性剂可以用做高效增溶剂。

同样,由于其显著的增溶效果, Gemini 表面活性剂,尤其是离子型的,可以和一些不溶于水的表面活性剂复配使用。

这些不溶于水的表面活性剂虽然能使水的表面活性降到很低,但由于水溶性较差,达不到理想的润湿效果。

而通过复配,既大幅度降低表面张力,又改善了润湿能力[ 27 ] 。

4.4 发泡剂
Gemini 表面活性剂的疏水链在界面的排列较单链表面活性剂更为紧密,能够在界面形成粘性更大的、更稳定的界面膜。

因此具有更大的乳液稳定性和泡沫稳定性。

目前,用含011 %二聚表面活性剂的乳化剂就可得到稳定的乳状液。

4.5 乳化复配助剂
离子型表面活性剂从结构上说,有两个极性基团,有两倍的电荷,它能更强烈地吸引电中性的或带相反电荷的表面活性剂。

因此,当复配表面活性剂中含有Gemini 表面活性剂时,能取得更好的复配效果。

由于在一定浓度下,Gemini 表面活性剂表现出一定的黏弹性。

因此,在化妆品的配方中加入一定的Gemini 表面活性剂将有助于化妆品黏度的形成。

5 结语
经过近20 年的发展,现已合成了上百种Gemini表面活性剂,其结构与性质、应用等方面的研究也取得了很大进展 . 但也存在不少有待解决的问题,如Gemini 分子的合成路线一般比较复杂,条件较苛刻,原材料价格昂贵,与环境友好方面受重视不够,严重制约了其实际应用. 未来经过科学工作者的努力,特别是考虑原子经济性合理进行Gemini 分子设计和合成,寻找到经济高效的分离方法,广泛深入地开展多方面性能研究,重视环境友好Gemini 分子的开发,加强与普
通表面活性剂的复配研究以降低成本,Gemini 新一代表面活性剂必然会获得迅猛发展和广泛应用.
6参考文献:
(1)金家红柳长习Gemini表面活性剂及其应用三峡大学学报(自然科学版) 2007.12
(2)查敏丁运生 Gemini 型表面活性剂的研究与应用进展日用化学品科学 2008.3
(3)胡利利 Gemini 表面活性剂的性能及应用日用化学品科学 2007.3
(4)施来顺张仁哲 Gemini表面活性剂的研究进展石油沥青 2007.2
(5)张辉洪新球强西怀郭敏 Gemini 表面活性剂的研究进展及其在制革工业中的应用
前景皮革科学与工程2008.4。