以六氟丙烯二聚体为基础的氟表面活性剂的合成及性能研究

摘要

氟表面活性剂凭借其性能上的优势在多个领域中发挥着不可替代的作用。在已有的氟表面活性剂产品中全氟辛烷磺酸（盐）、全氟辛基磺酰氟及其衍生物（通称为PFOS）占有着很大的比重。但是这类物质的使用是有风险的。2009年国际上就将这类物质列入持久性有机污染物的名单，并且逐步开始在全球范围内禁用。国外的科研进展要远优于我国在这方面的发展，很多研究成果并不公开报道都以专利的形式保护起来。所以我国在这方面的科研工作进展越发缓慢，国内需要付出高额的代价向国外公司购买氟表面活性剂产品。本文的工作目的就是要研究开发新型的氟表面活性剂产品，并从中寻找影响表面性能的因素，一方面是希望能合成出性能较好、成本较低的氟表面活性剂，另一方面也是希望对今后氟表面活性剂的开发提供一定的实验和理论支持。
　　 本文选用的原料六氟丙烯二聚体(D-2)是仅次于四氟乙烯的第二大产量的简单氟化物。产品成本会比较低，原料供应量也充足。所以本文用六氟丙烯二聚体(D-2)与2-二甲氨基乙胺[H2N(CH2)2N(CH3)2]和3-二乙胺基丙胺[H2N(CH2)3N(C2H5)2]通过亲核取代反应制取了N，N-二甲基-N’-（2-二氟甲基-1-五氟乙基）全氟丙烯基乙二胺[(CF3)2C=C(C2F5)NH(CH2)2N(CH3)2]和N,N-二乙基-N’-(2-二氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基丙二胺[(CF3)2C=C(C2F5)NH(CH2)3N(C2H5)2]两种中间体。进而用盐酸酸化得到两种盐酸盐型产物;再用四种溴代烷烃与两种中间体反应得到八种季铵盐型阳离子氟表面活性剂;再用氯乙酸钾与两种中间体反应得到两种甜菜碱型两性氟表面活性剂产物。在纯水中测试了所合成的十二种氟表面活性剂产物的表面张力性能，发现这些产物都具有比较低的表面张力值和较低的临界胶束浓度(cmc)，阳离子型产物的表面张力值均低至25mN·m-1。并且也发现了吊片法测试阳离子产物时的不足。实验结果显示，所合成的氟表面活性剂的表面性能主要由疏水部分的疏水性能决定，而中间链长和亲水头基上微小的变化并不能引起表面张力上显著的变化，但是这两个中间链长的增加和头基体积的增大都会使得cmc下降。然后进一步重点研究了八种季铵盐型阳离子氟表面活性剂产物。分别测试了在强酸性、强碱性和外加盐情况下的对cmc的影响。通过测试发现强酸性条件和外加盐条件下都会使cmc下降，前者的作用是避免了季铵盐分子的水解，后者的作用类似与盐析的影响。在强碱性条件下季铵盐类物质会生成季铵碱，所以在测试中发现表面张力值大幅升高已不具有高的表面性能，所以就没有再做进一步的测试分析。另外在石蜡和对苯二甲酸乙二醇酯(PET)两个低表面能表面上做接触角测试发现中间链长的和亲水头基体积的增大均会对结果造成不利的影响。
　　 最后通过抗菌性能测试，从最小抑制浓度(MIC)结果中分析出链长、头基对抗菌性能的影响，中间链长和季铵化链长的增加都会增强抗菌性能，另外氟碳结构对比碳氢结构也会有更好的抗菌性能。

目录

摘要

1 引言

1．1 氟表面活性剂

1．1．1 氟表面活性剂的分类

1．1．2 氟表面活性剂的结构和特性

1．1．3 氟表面活性剂的合成

1．1．4 氟表面活性剂的应用

1．1．5 氟表面活性剂的研究进展

1．2 研究目的

1．3 研究内容

2 N，N-二甲基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基乙二胺和N，N-二乙基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基丙二胺盐酸盐、季铵盐、甜菜碱型产物的合成和表征

2．1 中间体N，N-二甲基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基乙二胺和N，N-二乙基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基丙二胺的合成

2．1．1 试剂

2．1．2 主要仪器设备

2．1．3 反应原理

2．1．4 合成方法

2．1．5 结构表征

2．2 N，N-二甲基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基乙二胺和N，N-二乙基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基丙二胺的盐酸盐的合成

2．2．1 试剂

2．2．2 仪器

2．2．3 反应原理

2．2．4 实验步骤

2．3 N，N-二甲基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基乙二胺和N，N-二乙基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基丙二胺的季铵盐的合成

2．3．1 试剂

2．3．2 实验仪器

2．3．3 实验原理

2．3．4 实验步骤

2．4 N，N-二甲基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基乙二胺和N，N-二乙基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基丙二胺甜菜碱的合成

2．4．1 试剂

2．4．2 仪器

2．4．3 实验原理

2．4．4 实验步骤

2．5 中间体反应条件的确定

2．6 合成实验结果

3 N，N-甲基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基乙二胺和N，N-二乙基-N’-(2-三氟甲基-1-五氟乙基)全氟丙烯基丙二胺盐酸盐、季铵盐、甜菜碱型产物的性能研究

3．1 表面性能测试

3．1．1 纯水条件下的表面张力测量

3．1．2 强酸条件下的表面张力测量

3．1．3 强碱条件下的表面张力测量

3．1．4 外加盐条件下的表面张力测量

3．2 纯水条件下化合物Ⅰ～Ⅻ表面张力研究

3．2．1 不同的亲水头基对cmc的影响

3．2．2 疏水部分链长的不同对cmc的影响

3．3 强酸性和强碱性条件对季铵盐类阳离子氟表面活性剂的表面张力和cmc的影响

3．3．1 强酸性条件下季铵盐类阳离子氟表面活性剂的表面张力和cmc

3．3．2 强碱性条件下季铵盐类阳离子氟表面活性剂的表面张力

3．4 外加盐条件下季铵盐类阳离子氟表面活性剂的表面张力和cmc

3．5 接触角的测量

3．5．1 接触角测量结果及分析

3．6 抗菌性能测试

3．6．1 实验部分

3．6．2 最小抑制浓度测试结果

3．6．3 抗菌性能结果分析

4 总结

4．1 结论

4．2 创新之处

参考文献

致谢

附录

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