CN107243294A - 一种双季铵盐表面活性剂及其合成方法 - Google Patents

一种双季铵盐表面活性剂及其合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及表面活性剂,提供一种双季铵盐表面活性剂,其化学名为双季铵盐二溴化N,N‑二(长链烷基二甲基)‑3‑氧杂‑1,5‑戊二铵;双季铵盐表面活性剂的合成方法,其合成包括以下步骤:(1)在装有搅拌器和2个滴液漏斗的三颈烧瓶中加入0.1mol二乙胺,再分别在2个滴液漏斗中加入0.05mol二氯乙烷和0.05mol重量/体积百分比为40%的氢氧化钠溶液,制得四乙基乙二胺;(2)在装有冷凝回流装置的三颈烧瓶中加入溴代十二烷、四乙基乙二胺以及无水乙醇进行反应,然后再进行重结晶分离提纯后制得双季铵盐表面活性剂。本发明解决了现有用于涤纶织物生产时的双季铵盐表面活性剂的合成不易的问题。

Description

一种双季铵盐表面活性剂及其合成方法
技术领域
本发明涉及表面活性剂,尤其涉及一种双季铵盐表面活性剂及其合成方法。
背景技术
涤纶(PET)是20世纪50年代开始工业化生产的,由于具有一系列优良性能,应用遍及服装、装饰、产业等各大领域,产量居三大合成纤维之首。然而PET分子中缺少亲水基团,涤纶吸湿性很差,易起球,产生静电,在65%相对湿度,25℃,吸湿率仅为0.4%,体积电阻系数高达1016Ω·cm[1]。在低湿度的场合中更易积聚静电荷。PET的静电问题给其加工和应用带来很多麻烦:受静电的影响,涤纶在纺纱、加捻、织造和针织、染色和整理、裁剪和缝纫等每一生产工序中都会有一定的困难,甚至造成品质问题;在穿着时,使人产生不舒服感,织物易吸附灰尘,又容易引起电荷积累。与棉、麻、真丝等天然面料相比,涤纶的静电问题严重影响其工业的发展。现代社会人们对服装面料舒适及卫生性的要求越来越高,因此,解决涤纶的抗静电性已成为当前聚酯工业中十分重要的课题。
采用表面活性剂对织物进行整理,使纤维表面亲水性加强是目前最常用的方法。当空气的相对湿度提高时,纤维表面形成水的吸附层,比电阻降低。用于抗静电整理的表面活性剂种类很多,其抗静电性能对提高可纺性能以及经济效益各有差异。由于表面活性剂对涤纶纤维的亲和力小,多次洗涤后效力下降很快。但这种整理方法简单廉价,尽管耐水洗牢度很低,却一直被多数企业所采用。常用的表面活性剂包括:
1、阴离子型表面活性剂:烷基膦酸酯类化合物用于涤纶纤维纺丝油剂,无论对长丝或短纤维,都具有良好的抗静电性。抗静电剂P就是烷基膦酸酯和二乙醇胺的缩合物。
2、阳离子型表面活性剂:该类抗静电剂一般是季铵盐类,活性离子带有正电荷,对纤维的吸附能力较强,具有优良的柔软性、平滑性、抗静电性及一定的耐洗性。在较低的相对湿度下,季铵盐抗静电剂就具有相对较高的保水能力,因此抗静电效果很好。例如,国产抗静电剂TM和十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐(抗静电剂SN)。
3、两性表面活性剂:甜菜碱羧酸型和磺酸型两性活性剂的吸附性能强、摩擦系数低、抗静电性能强、耐热性较好。如α-吡咯烷酮-5-羧酸钠的吸湿性很强,当相对湿度为58%时,其吸湿率为61%。用它处理的涤纶织物给人柔软舒适的感觉。
4、非离子型表面活性剂:这一类整理剂具有如—OH、—CONH2和聚醚基等亲水性基团。例如,脂肪胺和脂肪酰胺的聚醚衍生物都是良好的抗静电剂。
以上所举四类表面活性剂的抗静电性能,从全面性能来考虑,以阳离子和两性表面活性剂性能最好,非离子型表面活性剂较差。
为此双季铵盐二溴化N,N-二(长链烷基二甲基)-3-氧杂-1,5-戊二铵应运而出,此双季铵盐表面活性剂是一种新型的阳离子表面活性剂,其结构式如下:
它属于双子表面活性剂,与传统表面活性剂不同的是,双季铵盐表面活性剂分子中含有2个亲水基和2个疏水基,其亲水基由连接基团通过化学键连接在一起。由于双子表面活性剂具有不同于传统表面活性剂的特殊结构,致使其具有更高的表面活性以及其他一系列独特的物理化学性质。
双季铵盐本身的亲水性要比脂肪伯胺、脂肪仲胺和脂肪叔胺大得多,它足以使表面活性作用所需的疏水端溶入水中,双季铵盐阳离子上带的正电荷使它能牢固地被吸附在带负电荷的涤纶纤维表面。由于这一性能的存在,使它在抗静电性能方面获得了长足的发展和应用。双季铵盐型表面活性剂的抗静电作用是基于它在涤纶纤维材料表面的取向能力和分子中极性基与空气中水的缔合能力。双季铵盐都带有2个或多个疏水基长链和较强的亲水基团,当用其处理涤纶纤维时,其长链疏水基团向疏水性纤维表面结合,亲水基伸向空气,在空气与纤维的界面上定向排列,使纤维的表面形成了一个水的吸附层,其中还有能够在水层中移动的Br-或Cl-,起到了离子导电的作用,从而降低了涤纶纤维的比电阻,加快了静电的逸散,因而抗静电效果显著。
随着双季铵盐的碳数增大,双季铵盐的长链烷基疏水性能增加,从而增加了其与疏水性纤维的结合,增强了纤维的抗静电效果。但由于相同质量的不同双季铵盐在水中溶解的量不同,随着碳数的增加,双季铵盐的溶解量变小。因此我们将采用双季铵盐二溴化N,N-二(长链烷基二甲基)-3-氧杂-1,5-戊二铵表面活性剂作为抗静电剂,对涤纶织物进行抗静电整理,研究讨论它的结构、浓度等条件对其抗静电性能的影响,从而找出一组最佳的提高织物抗静电性的条件。因此如何稳定有效的合成一种基于双季铵盐二溴化N,N-二(长链烷基二甲基)-3-氧杂-1,5-戊二铵的双季铵盐表面活性剂作为涤纶织物的抗静电剂是一个亟待解决的问题。
发明内容
因此,针对上述的问题,本发明提出一种新的双季铵盐表面活性剂及其合成方法,该双季铵盐表面活性剂对涤纶纤维进行抗静电整理后,可以得到的具有优异抗静电性能的涤纶纤维,且该双季铵盐表面活性剂合成方法简单、成本造价低。
为解决此技术问题,本发明采取以下方案:一种双季铵盐表面活性剂,其化学名为双季铵盐二溴化N,N-二(长链烷基二甲基)-3-氧杂-1,5-戊二铵,结构式如下:
一种双季铵盐表面活性剂的合成方法,包括以下步骤:
(1)在装有搅拌器和2个滴液漏斗的三颈烧瓶中加入0.1mol二乙胺,再分别在2个滴液漏斗中加入0.05mol二氯乙烷和0.05mol重量/体积百分比为40%的氢氧化钠溶液,在恒温水浴20℃-25℃中反应,同时搅拌器的低速搅拌,以交替滴加方式轮流滴加二氯乙烷和氢氧化钠溶液,制得四乙基乙二胺,其化学反应式为:
(2)在装有冷凝回流装置的三颈烧瓶中加入0.15mol溴代十二烷、0.05mol四乙基乙二胺以及无水乙醇50mL,在恒温水浴锅中逐渐升温至75℃-85℃,回流反应47h-49h,然后再进行重结晶分离提纯后制得双季铵盐表面活性剂,其化学反应式为:
进一步的,所述步骤(1)中搅拌器的转速为30-60转/min。
通过采用前述技术方案,本发明的有益效果是:通过采用二乙胺和二氯乙烷以及氢氧化钠制得四乙基乙二胺,再将四乙基乙二胺与溴代十二烷在无水乙醇内反应制得双季铵盐二溴化N,N-二(长链烷基二甲基)-3-氧杂-1,5-戊二铵,从而合成一种新的双季铵盐表面活性剂,本发明的双季铵盐表面活性剂的分子由2条疏水链、2个亲水基和1个间隔基组成,间隔基在靠近极性基团的部位将2个疏水基连接起来。它属于双子表面活性剂,是一种新型的表面活性剂。由于双子表面活性剂具有不同于传统表面活性剂的特殊结构,致使其具有更高的表面活性以及其他一系列独特的物理化学性质,本发明的合成方法步骤简捷,反应条件很好控制,同时此新的双季铵盐表面活性剂有较高的纯度和表面活性,用它对涤纶织物进行抗静电整理后,可以得到的具有优异抗静电性能的涤纶纤维。并且本发明的双季铵盐表面活性剂的技术指标可达到以下几项:
1.纯度:≥95%;
2.表面张力(25℃)/(mN/m):≤32;
3.临界胶束浓度/(mmol/L):≤1;
而使用本发明的双季铵盐表面活性剂后涤纶织物抗静电性能指标可达到:感应静电压/kV:≤0.7;衰减时间/s:≤0.4,本发明的双季铵盐表面活性剂合成方法简单、稳定且造价成本低,可广泛应用于涤纶织物等的抗静电剂。
具体实施方式
现通过具体实施方式对本发明进一步说明。
优选的本发明的双季铵盐表面活性剂,其化学名为双季铵盐二溴化N,N-二(长链烷基二甲基)-3-氧杂-1,5-戊二铵,结构式如下:
本发明的双季铵盐表面活性剂的合成方法,包括以下步骤:
(1)在装有搅拌器和2个滴液漏斗的三颈烧瓶中加入0.1mol二乙胺,再分别在2个滴液漏斗中加入0.05mol二氯乙烷和0.05mol重量/体积百分比为40%的氢氧化钠溶液,在恒温水浴20℃中反应,同时搅拌器的低速搅拌,搅拌器的转速为40转/min,以交替滴加方式轮流滴加二氯乙烷和氢氧化钠溶液,制得四乙基乙二胺,其化学反应式为:
其中重量/体积百分比为40%的氢氧化钠溶液是由40g的氢氧化钠溶解于100ml的水配制而成;
(2)在装有冷凝回流装置的三颈烧瓶中加入0.15mol溴代十二烷、0.05mol四乙基乙二胺以及无水乙醇50mL,在恒温水浴锅中逐渐升温至80℃,回流反应48h,然后再进行重结晶分离提纯后制得双季铵盐表面活性剂,其化学反应式为:
本发明的所述步骤(1)中搅拌器的转速以30-60转/min为佳,步骤(2)中在恒温水浴锅中逐渐升温至75℃-85℃为宜,回流反应时间以47h-49h为宜。
本发明通过采用二乙胺和二氯乙烷以及氢氧化钠制得四乙基乙二胺,再将四乙基乙二胺与溴代十二烷在无水乙醇内反应制得双季铵盐二溴化N,N-二(长链烷基二甲基)-3-氧杂-1,5-戊二铵,从而合成一种新的双季铵盐表面活性剂,本发明的双季铵盐表面活性剂的分子由2条疏水链、2个亲水基和1个间隔基组成,间隔基在靠近极性基团的部位将2个疏水基连接起来。它属于双子表面活性剂,是一种新型的表面活性剂。由于双子表面活性剂具有不同于传统表面活性剂的特殊结构,致使其具有更高的表面活性以及其他一系列独特的物理化学性质,本发明的合成方法步骤简捷,反应条件很好控制,同时此新的双季铵盐表面活性剂有较高的纯度和表面活性,用它对涤纶织物进行抗静电整理后,可以得到的具有优异抗静电性能的涤纶纤维。并且本发明的双季铵盐表面活性剂的技术指标可达到以下几项:
1.纯度:≥95%;
2.表面张力(25℃)/(mN/m):≤32;
3.临界胶束浓度/(mmol/L):≤1;
而使用本发明的双季铵盐表面活性剂后涤纶织物抗静电性能指标可达到:感应静电压/kV:≤0.7;衰减时间/s:≤0.4,本发明的双季铵盐表面活性剂合成方法简单、稳定且造价成本低,可广泛应用于涤纶织物等的抗静电剂。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明,但所属领域的技术人员应该明白,在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内,在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化,均为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双季铵盐表面活性剂,其特征在于:其化学名为双季铵盐二溴化N,N-二(长链烷基二甲基)-3-氧杂-1,5-戊二铵,结构式如下:
2.一种双季铵盐表面活性剂的合成方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)在装有搅拌器和2个滴液漏斗的三颈烧瓶中加入0.1mol二乙胺,再分别在2个滴液漏斗中加入0.05mol二氯乙烷和0.05mol重量/体积百分比为40%的氢氧化钠溶液,在恒温水浴20℃-25℃中反应,同时搅拌器的低速搅拌,以交替滴加方式轮流滴加二氯乙烷和氢氧化钠溶液,制得四乙基乙二胺,其化学反应式为:
(2)在装有冷凝回流装置的三颈烧瓶中加入0.15mol溴代十二烷、0.05mol四乙基乙二胺以及无水乙醇50mL,在恒温水浴锅中逐渐升温至75℃-85℃,回流反应47h-49h,然后再进行重结晶分离提纯后制得双季铵盐表面活性剂,其化学反应式为:
3.根据权利要求1所述的双季铵盐表面活性剂的合成方法,其特征在于:所述步骤(1)中搅拌器的转速为30-60转/min。
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