TWI625350B

TWI625350B - 甜菜鹼－矽氧烷型界面活性劑、其製備方法與應用

Info

Publication number: TWI625350B
Application number: TW105119900A
Authority: TW
Inventors: 林麗惠; 蔡春恩; 葉湘芸
Original assignee: 萬能學校財團法人萬能科技大學
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2018-06-01
Also published as: TW201800449A

Abstract

本發明為一種甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑、其製備方法與應用，係先透過聚矽氧烷與聚氧乙烯醚鏈段結合，將水不溶性聚矽氧烷之改質，使具有更優異的化學穩定性和低皮膚刺激性，其後再透過縮合反應技術將經改質之聚矽氧烷與親水性甜菜鹼類結合，大幅提升水溶性及界面特性。甜菜鹼與各種類型染料、界面活性劑及化妝品原料相容性好，在酸性及鹼性條件下均有優良的穩定性，對皮膚刺激性低，生物降解性好，並具有優良的濕潤性。本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑具有優異之分散能力、乳化能力、潤濕性、潤滑性、光澤性、質感特性之外，同時兼具了生物可分解天然環保之特性，可廣泛應用於染整、化妝品、清潔用品、食品乳化等相關產業用途上。

Description

甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑、其製備方法與應用

本發明為一種甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑、其製備方法與應用，係先透過聚矽氧烷與聚氧乙烯醚鏈段結合，將水不溶性聚矽氧烷之改質，使具有更優異的化學穩定性和低皮膚刺激性，其後再透過縮合反應技術將經改質之聚矽氧烷與親水性甜菜鹼類結合，大幅提升水溶性及界面特性。甜菜鹼與各種類型染料、界面活性劑及化妝品原料相容性好，在酸性及鹼性條件下均有優良的穩定性，對皮膚刺激性低，生物降解性好，並具有優良的濕潤性。本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑具有優異之分散能力、乳化能力、潤濕性、潤滑性、光澤性、質感特性之外，同時兼具了生物可分解天然環保之特性，可廣泛應用於染整、化妝品、清潔用品、醫藥品、食品乳化等相關產業用途上，具有優異產業應用性與市場取代性。用於紡織染整業是一極佳之染整助劑，織物經合成產物均染及固色處理後對皮膚無傷害性，於染整加工使用後之廢水可被微生物所分解，對環境不具污染性；本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性研究結果可作為工業上乳化及紡織染整業染料分散技術應用。

近年來，由於工業之發展迅速，因而產生二項影響人類生存之嚴重問題，一為能源危機，一為環境污染。能源危機主要起因於石油之大量消費，人類所使用之物品又過分依賴石油原料，造成石油能源之短缺，且由於以石油為原料之產品，甚多不易自然分解。大量之廢棄物，造成地球上嚴重之環境汙染，為減少此現象，污染物之處理技術、減少污染物產生之工程技術及可分解性原材料之開發，甚受重視。

生物性界面活性劑(Biosurfactant)是微生物在代謝過程中分泌出的具有一定生物活性的次級代謝產物，與一般界面活性劑相同，生物性界面活性劑也是透過由親水基和疏水基兩部份组成，但生物性界面活性劑比合成界面活性劑更具有潛在的優勢，包括：生物可分解、無毒或低毒、具有良好的環境相容性等，因此可用作化妝品和藥品的添加劑；可用工業廢物生產，以減少工業三廢；具有更好的起泡性，在某些環境條件(如高、低溫度、pH值、鹽類濃度)下具有更高的選擇性和專一性；結構多樣化，可適用於特殊領域用途。目前生物性界面活性劑的應用已經涉及到石油、化工以及環境等眾多領域。

可分解型界面活性劑又稱為暂時性界面活性劑或可控半衰期的界面活性劑(surfactants with controlled half-live)，其最初的定義是：在完成其應用功能後，透過酸、鹼、鹽、熱或光的作用能分解成非界面活性物質或轉變成新界面活性化合物的一類界面活性劑。這類界面活性劑分子極性端和疏水鏈之間往往含有穩定性有限的弱鍵，該弱鍵的裂解將可直接破壞分子的界面活性，也就是通常所說的界面活性劑初级分解。依照可分解官能基的不同一般可將可分解型界面活性劑分為縮醛型和縮酮型兩大類。與一般界面活性劑相比較，可分解型界面活性劑具有更好的環保概念，這類界面活性劑可以排除一些複雜情况。近年來，人們對可分解型界面活性劑的認識已不斷深化和發展。對於環境影響的大小和生物可分解性的快慢已逐漸成為判斷界面活性劑好壞的一個很重要的指標。

反應型界面活性劑是指帶有反應基團的界面活性劑，它不僅具有界面活性，而且能夠與所吸附的基體產生化學反應，永久地鍵結到基體表面成為基體的一部份。反應型界面活性劑典型的兩個特徵是：1.具有界面活性，能參與化學反應，並且反應後也不喪失其界面活性；2.其分子結構中除了親水基團和疏水基團以外，還應有反應性基團。在很多情况下，使用反應型乳化劑可很好地解决傳統化學藥劑帶來的各種問題，製備得到表面潔淨、带有功能基團的聚合物。反應型界面活性劑的出現開闢了界面活性劑合成及應用的新領域。它可以廣泛用於乳液聚合、溶液聚合、分散聚合、功能性高分子以及奈米材料的製備等各個方面。

矽氧烷(siloxane)界面活性劑因其成本低、應用價值高，在工業上廣泛被應用於濕潤及乳化劑使用，又因其具有滑順、控油、持久、防水及光澤效果，使其在製藥、化妝品之應用上已變得逐漸重要，矽氧烷在紡織工業亦具有廣泛之用途，包括消泡劑、潤滑劑及撥水性、柔軟度等性能提升，矽氧烷具有高度的柔順性且具有多個甲基致使其具有較低之內聚能，然矽氧烷本身為水不溶性，於實際應用上仍有其不便利性，本發明團隊已將此水不溶性矽氧烷經馬來酸酐(maleic anhydride)和聚乙二醇(polyethylene glycols)改質後，成為含聚酯之水溶性高分子，此系列高分子並具有優異之界面性質，包括表面張力、起泡性、濕潤性。在應用性質方面，此系列水溶性高分子可應用於酸性染料染尼龍纖維上，作為均染劑之用，增加與染料間之親和力，降低染料-界面活性劑複合體之擴散速率。

甜菜鹼是一種從甜菜中發現的生物鹼，其分子式為C₅H₁₁NO₂。可作為兩性型界面活性劑用於去汙劑中，能與各種類型染料、界面活性劑及化妝品原料具有較佳的相容性，在酸性及鹼性條件下均有優良的穩定性，對皮膚刺激性低，生物降解性好，並具有優良的濕潤性，此外，作為界面活性劑更具有效降低表面張力的功能。

而矽氧烷為矽和氧組成的半有機的高分子和非均相高分子化合物，可用於織物材料的抗菌，常被用作潤滑劑。為提高聚矽氧烷多功能用途及符合綠色環保需求，本發明將上述兩種不同基材結合而具有各方的優點，合成製備本發明新式甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑。本發明使用天然甜菜鹼類作為親水基團，以及聚氧乙烯醚鏈段來改質矽氧烷，所得之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑，除具優異乳化分散之界面活性效果外，並具備低毒性、生物可分解性，且對人體無害。本發明所合成之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑對工業產品乳化及染整工業染料分散之發展有極大之效果及幫助，此外亦可用於化妝品、食品乳化及藥物釋放等用途。

本發明係關於一種甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑、其製備方法及應用，由聚矽氧烷疏水基(Hydrophobic group)及甜菜鹼類親水基(Hydrophilic group)組合而成，因其特殊之化學構造，故在極低濃度下就易被吸附於溶液之表面或界面，進而改變溶液表面或界面自由能，使其降低表面張力，產生濕潤、滲透、泡沫、乳化、分散及溶化等特性。

本發明係利用甜菜鹼類、聚氧乙烯醚(EO)鏈段與聚矽氧烷化合物製備出一系列具有良好之生物可分解性、不會對環境造成污染，且性質優異之水溶性界面活性劑。本發明為一種甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑、其製備方法與應用，本發明先透過聚矽氧烷與聚氧乙烯醚(EO)鏈段結合，將水不溶性聚矽氧烷之改質，使具有更優異的化學穩定性和低皮膚刺激性，之後再與本身為可生物分解原料的甜菜鹼反應而得，甜菜鹼是一種從甜菜中發現的生物鹼，能與各種類型染料、界面活性劑及化妝品原料具有較佳的相容性，在酸性及鹼性條件下均有優良的穩定性，對皮膚刺激性低，生物降解性好，並具有優良的濕潤性，結合此兩種材料的優點。透過縮合反應技術將水不溶性之聚矽氧烷與親水性甜菜鹼類結合，構成含有親疏水特性之基團，大幅提升水溶性且展現出其本身所具備之優異特性，使其在使用上有更廣泛的產業應用性，此外，更進一步改善生物可分解之效率。本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑具有優異之分散乳化能力、潤濕、潤滑以及提升光澤質感特性之外，同時兼具了生物可分解天然環保之特性，可廣泛應用於染整、化妝品、清潔用品、食品乳化、醫藥品乳化、醫藥藥物釋放等相關產業用途上，具有優異產業應用性與市場取代性。用於紡織染整業是一極佳之染整助劑，織物經合成產物均染及固色處理後對皮膚無傷害性，於染整加工使用後之廢水可被微生物所分解，對環境不具污染性；本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性研究結果可作為工業上乳化及紡織染整業染料分散技術應用。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑，利用甜菜鹼類、聚氧乙烯醚(EO)鏈段與聚矽氧烷化合物製備出一系列具有良好之生物可分解性、不會對環境造成污染，且性質優異之水溶性界面活性劑，係由聚氧乙烯醚鏈段(選自：聚乙二醇、聚環氧乙烷、聚氧乙烯)連結聚矽氧烷化合物，再與甜菜鹼類化合物反應而形成。具有通式(I)之結構，如下所示其中R代表有機基團，包含相同或相異之選自氫原子、羥基(-OH)、烷基(C₁~C₁₀)、苯基之至少一種，y為1~20、z為1~20之整數，n為聚氧乙烯醚鏈段重複單位數，其值為5~5000，w為聚矽氧烷重複單位數，其值為1~200，其中X^-選自羧酸根、磺酸根、硫酸根、磷酸根、-OH根之至少一種離子。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備方法，係包含下列步驟：(a)聚矽氧烷化合物與聚氧乙烯反應，在10~220℃反應1~24 小時，得反應物A；(b)反應物A與環氧氯化烷化合物反應，在10~80℃反應1~10小時，得反應物B；(c)反應物B與二甲胺，於在40~100℃反應2~8小時，得反應物C；(d)反應物C與鹵烷酸化物反應，於60~110℃反應5~20小時，得甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之產物。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備方法，其中該矽氧烷化合物，選自結構中以重複的Si-O為主鏈，矽原子上連接有機基團的聚合物，其通式為[R_sSiO_4-s/2]_w，其中R代表有機基團包含相同或相異之選自氫原子、醇基(OH)、烷基(C₁~C₁₀)、苯基，s為0~4，w為矽原子上連接的有機基團重複單位數目，為1~200之整數，較佳為20~100之整數。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備方法，其中該環氧氯化烷化合物，選自：環氧氯丙烷、環氧氯丁烷、環氧氯戊烷、環氧氯己烷、環氧氯庚烷、環氧氯辛烷至環氧氯二十烷。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備方法，其中該聚氧乙烯醚鏈段選自：聚乙二醇化合物(PEG)、聚環氧乙烷(PEO)或聚氧乙烯(POE)。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備方法，其中該鹵烷酸化物具有下列化學結構：，其中H選自氟、氯、溴、碘之鹵素，X^-選自羧酸根、磺酸根、硫酸根、磷酸根、-OH根之至少一種離子，z為1~20之整數。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備方法，其中步驟(a)~(d)合成溫度為10~220℃，合成時間為1~24小時，步驟(a)觸媒選自：四異丙醇鈦(IV)(Titanium isopropoxide(IV))、硫酸(Sulfuric acid)、鹽酸(Hydrochloric acid)之至少一種或其組合，步驟(b)反應物A環氧氯化烷化合物反應，在鹼性(1~10%之氫氧化鈉、氫氧化鉀溶液)、觸媒選自：溴化四丁基銨(Tetrabutylammonium bromide,TBAB)、苯甲基三乙基氯化銨、三辛基甲基氯化銨、四甲基溴化銨之條件下反應。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之結構分析

IR：Perkin-Elmer Spectrum One(Perkin Elmer Cetus Instruments,Norwalk,CT)，將樣品濃縮、真空烘乾去除水分後，塗磨於KBr鹽片上進行測試。

紅外線光譜儀(FT-IR)是透過分子吸收紅外光區輻射作用引起振動和轉動能階的遷移所產生的紅外線吸收光譜來鑑定化合物，大多用於官能基之鑑定。因所有分子皆具有固定能量，造成鍵拉伸與彎曲，而原子擺動及搖動導致其他分子產生振動現象。然而，一個固定分子之官能基僅能在相當特定能階之特定頻率產生彎曲或振動，而當分子受紅外光照射時，僅當光的頻率與件的振動頻率相同時，振動的鍵才能吸收能量。

本發明所合成甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑其分析結果如圖一所示，在3449~3647cm^-1為O-H特性吸收峰、-CH₂對稱伸縮震動及非對稱伸縮震動吸收波鋒分別在2864cm^-1、2918cm^-1之位置、1650~1670cm-1為C=C特性吸收峰、1460cm^-1為-CH-非對稱伸縮震動吸收峰、1230cm^-1為C-N特性吸收峰、1050~1200cm^-1為-SO₃特性吸收峰、1040~1110cm^-1為C-O特性吸收峰、800~1000cm^-1為C-C特性吸收峰，顯示本發明所述甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑結構之官能基的特性吸收峰。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之性能分析：

1.基本性質

(1)表面張力：Japan Kaimenkaguka CBVP-A3 Surface Tensiometer(Kyowa interface Science Co.,Japan)，以數字型吊白金片(式)表面張力測定儀測定之。儀器先完成校正手續，將白金片用酒精燒過，等冷卻後再吊於掛勾上，將玻璃皿洗淨烘乾後，注入待測液。(約八分滿)，啟動儀器開關，升降臺會緩慢上升，當白金片觸及液面時，升降臺會自動停止，記錄穩定時之測定值。重複上述步驟數次，求其平均值。本發明所合成甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑其分析結果如圖二所示。

(2)接觸角：FACE CA-5 Contact Angle meter，放置一塊標準板於待測試料臺上，以注射針筒吸取試樣溶液，並控制液滴之大小約為20mm。上升試料臺使標準板沾到液滴，此時液滴即滴落在標準板上(開始計時)，依正確的操作步驟調整儀器，1分鐘後由接目鏡直接讀取角度(θ)，而2θ即為接觸角。本發明所合成甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑其分析結果如圖三所示。

(3)起泡性：以Ross and Miles法測定，配製0.1wt%之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑水溶液500ml，放入試樣槽中。固定馬達之流速為400ml/min，1小時後，記錄計量筒內泡沫高度，此為泡沫最大高度。關掉幫浦，3分鐘後再記錄泡沫高度，此即為泡沫安定度。本發明所合成甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑其分析結果如圖四所示。

(4)螢光性質：螢光光譜儀具有高靈敏度、樣品使用量少等優點，用螢光試劑芘(pyrene)來確認分子凝聚的親和力，描述微胞聚集的特性，可藉此得知甜菜鹼-矽氧烷界面活性劑之臨界微胞濃度範圍。主要分光儀器參數包含激發和放射光譜型式，微細的振動構造，量子率和水溶液中的極性，這些性質和微環境都有相互關係，可用來預測疏水性。Aminco-Bowman Series2 Luminescence Spectrometer，取0.2ml芘(pyrene)酒精溶液於100ml燒杯內，放於40℃烘箱內將酒精烘乾。甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑水溶液配製0.1wt%，攪拌均勻。秤取20g胺基酸型界面活性劑溶液到已烘乾之燒杯內。超音波震盪15分鐘。激發波長335nm，放射波長350~450nm。本發明所合成甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑其分析結果如圖五所示。

(5)導電度：染色工程中，染色溶液是利用染料和各種界面活性劑混合搭配而成，在染浴內，因分子吸引力而形成各種型態的微胞，而影響微胞的形成跟導電度有關。導電度過高會引起染色不均，染料粉體不能均勻分散，造成粉體有團聚現象，因此染料和界面活性劑之導電度必須控制，方能達到均染之效果。導電度計儀器須先校正，清洗偵測電極。配製1wt%甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑溶液，固定溫度25℃，並記錄之。依序加入純水稀釋，測其不同濃度之導電度。本發明所合成甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑其分析結果如圖六所示。

(6)生物可分解率(BOD₅/COD Index)：BOD₅生化需氧量代表廢水中可被生物分解部份的有機物，COD化學需氧量則可代表廢水中全部的有機物質，故式(1)中BOD₅/COD值愈大，表示廢水中所含的污染物質可被微生物分解之所佔比例大，即廢水之生物分解性較佳。因此，BOD₅與COD比值的測定為鑑定廢水生物可分解性的最簡易方法。

以下將BOD₅/COD×100%分為三種情況：

(一)BOD₅/COD×100%≧60%：廢水中所含的有機物大都可被生物所分解。

(二)BOD₅/COD×100%≒20%：廢水中所含的有機物不容易被生物分解，微生物需加以馴化。

(三)BOD₅/COD×100%≒0%：廢水中含有毒性物質，不太容易以生物處理法處理。

COD化學需氧量Chemical Oxygen Demand Spectrophotometer,HACH,Model DR/2800 Chemical Oxygen Demand Reactor,Rocker,Model CR25

(一)配製不同濃度之樣品溶液2.00ml，放置比色管內。

(二)將比色管放入COD加熱器中，待上升至溫度120℃

(三)冷卻至室溫後，即以COD化學需氧量分光光度計之儀器讀取數值。

BOD₅生化需氧量

(一)配製不同濃度之樣品溶液420ml，放置褐色血清瓶內。

(二)添加營養源膠囊與活性污泥1ml於褐色血清瓶內。

(三)以密封膏塗抹於瓶口，蓋上瓶塞裝置於培養箱(恆溫20℃)內。

(四)五日後即以BOD₅生化需氧量之儀器讀取其數值。

此測試結果，如表1、2所示。

2.乳化性質

乳化液(Emulsions)為一種膠體溶液，其組成為兩互相混合或部份混合之液體，其中以小粒子狀態存在之一相稱為分散相，即不連續相。一般而言，分散相之粒子直徑大約為0.1~10μm。另外，存在於乳狀液中之另一相稱為分散介質，即為連續相。藉由外力(機械力)或自然變化使其安定化，此方法稱之為乳化機械的強制分散乳化法。

當乳狀液形成時，增加兩相之接觸面積，液滴需穩定分散於介質中為非自發性行為，此分散狀態將往欲縮小接觸面積方向進行，即分為完整兩相，出現分層現象。因此需加入第三種物質使乳狀液形成並穩定存在，而此物質為乳化劑，即所謂界面活性劑。另外，乳狀液之電荷也影響乳狀液之形成以及穩定性，當粒子具有帶電狀態對於乳狀液之穩定性具有其重要作用。而粒子周圍電荷來源分為兩種分別為：

(一)若界面活性劑屬離子型，則本身會解離產生電荷，又因其屬性不同所解離出之電荷也有所不同。

(二)若界面活性劑屬非離子型則是由乳狀液中粒子與分散介質相互摩擦而產生電荷。當粒子附有電荷時，則粒子與粒子之間將有靜電斥力存在，使粒子間相互不接觸與聚集，使乳狀液能安定存在。

乳化性質測定方法：

(一)配製1wt%之本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑與其它不同型界面活性劑溶液。

(二)秤取10wt%(O/W)之荷荷巴油與各不同型界面活性劑溶液。

(三)以均質機(Ultra Turrax T25 Homogenizer)在轉速11,000rpm下攪拌10min，靜置10min，形成各種乳液。

(四)各種不同乳液之黏度測試

(五)以界面電位儀(Colloidal Dynamics,Zeta Probe Analyzer)測定各乳液之界面電位(Zeta電位)。

(六)以粒徑分析儀(Particle Size Distribution Analyzer)測定各乳液液滴之粒徑大小及分佈。

(七)量筒測試。

(八)離心分析。

此測試結果，如圖七~十六所示。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑具有優異之分散乳化能力、潤濕潤滑以及提升光澤質感特性之外，同時兼具了生物可分解天然環保之特性，可廣泛應用於染整、化妝品、清潔用品、食品乳化等相關產業用途上，具有優異產業應用性與市場取代性。

圖一、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之紅外線光譜圖

圖二、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之表面張力測試圖

圖三、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之接觸角測試圖

圖四、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之起泡及泡沫穩定性圖

圖五、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之螢光光譜圖

圖六、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之導電度測試圖

圖七、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之界面電位測試圖

圖八、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之平均粒徑分佈圖

圖九、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑(PEG2000)與其它界面活性劑乳化10wt%荷荷巴油之乳液(O/W)的黏度比較圖

圖十、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑(PEG2000)與其它界面活性劑乳化10wt%荷荷巴油之乳液(O/W)的離心圖

圖十一、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑(PEG2000)與其它界面活性劑乳化10wt%荷荷巴油之乳液(O/W)的量筒測量圖

圖十二、非離子型界面活性劑(C₁₄H₂₂O(C₂H₄O)n)乳化10wt%荷荷巴油之乳液(O/W)的界面電位(Zeta電位)圖

圖十三、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑(PEG2000)乳化10wt%荷荷巴油之乳液(O/W)的界面電位(Zeta電位)圖

圖十四、陰離子型界面活性劑(SDS)乳化10wt%荷荷巴油之乳液(O/W)的界面電位(Zeta電位)圖

圖十五、陽離子型界面活性劑(CTAB)乳化10wt%荷荷巴油之乳液(O/W)的界面電位(Zeta電位)圖

圖十六、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑(PEG2000)與其它界面活性劑乳化10wt%荷荷巴油之乳液(O/W)的界面電位(Zeta電位)比較圖

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備與性質測定

使用材料：

(1)聚矽氧烷(Siloxane)，如下通式x=1~200，實施例中x=42

(2)聚氧乙烯醚鏈段，分子量分別為：2000、4000、6000、8000(g/mol)之聚乙二醇(PEG)

(3)二甲胺

(4)環氧氯丙烷

(5)ClCH₂CH₂CH₂SO₃Na

(6)氫氧化鈉

(7)四異丙醇鈦(IV)(Titanium isopropoxide(IV))

(8)溴化四丁基銨(Tetrabutyl ammonium bromide,TBAB)

(9)荷荷巴油

(10)非離子界面活性劑：C₁₄H₂₂O(C₂H₄O)n，n為9或10，(TritonX-100)

(11)陰離子界面活性劑：十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate，SDS)

(12)陽離子界面活性劑：溴化十六烷三甲基銨(Cetyl trimethyl ammonium bromide，CTAB)

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之合成，步驟如下：

(1)將聚乙二醇(2000、4000、6000、8000、10000)1mol和聚矽氧烷1mol及1g四異丙醇鈦(IV)(Titanium isopropoxide(IV))觸媒，在150℃反應6小時，得反應物A。

(2)將反應物A加入環氧氯丙烷，在3%氫氧化鈉與溴化四丁基銨(Tetrabutyl ammonium bromide,TBAB)觸媒存在下，於約55℃反應約5小時，得反應物B。

(3)將反應物B加入二甲胺，於約70℃反應約4小時，得到反應物C。

(4)將反應物C加入ClCH₂CH₂CH₂SO₃Na後，於約85℃反應約10小時，得甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之產物。

本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之基本性質

(1)表面張力

界面活性劑加入水溶液中會使表面張力下降，乃因界面活性劑本身結構中含親、疏水基團，在溶液中親水基部份會留在水中，而疏水基部份會吸附突出水面排列所致。此排列方式會降低表面上水分子之不對稱氫鍵力，導致表面自由能減少，故造成表面張力降低之現象。純水在25℃時，表面張力值大約為72.8mN/m，然而隨界面活性劑濃度增加，表面張力值隨之降低。當濃度增加量達到一定程度時，界面活性劑分子在溶液中開始以疏水基相互吸引聚集而形成所謂的微胞，當微胞開始形成之濃度稱臨界微胞濃度(Critical Micelle Concentration；cmc)。

圖二為本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之表面張力測試圖，其結果顯示隨隨PEG之分子量增加，表面張力隨之降低，而PEG之分子量增加其結構中具較高比例的EO鏈，使鏈段中氧原子與水分子以氫鍵的結合比例較高，導致產物在水中的親水性增加，且於表面吸附狀況呈鋸齒狀，而當濃度增加其分子於表面排列密集且雜亂，故當濃度增加表面張力值無依序降低。

(2)接觸角

濕潤為固體或液體表面之流體相被另一流體相所置換之現象。一般如固體表面之空氣像被水或油等液體相置換之情形稱濕潤(wetting)。液體表面分子因受內部分子引力之作用，形成一種欲縮小表面積之引力，故液滴皆成水滴球狀。若加入界面活性劑，則可幫助水濕潤固體表面達到濕潤效果，濕潤及滲透性之大小，一般是由接觸角來表示。

圖三為本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑在濃度1wt%下於不同測試板之接觸角測試結果，水在各式測試板所測得之角度為Acrylic約80、PVC約70、Teflon約100，而本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之接觸角所測得之數據皆小於水，故具有濕潤之效果。

(3)起泡性

起泡性為界面活性劑特性之一，氣泡係屬液體薄膜包圍氣體所形成之物質，此種薄膜易形成但較難破裂，經過攪動即會產生許多氣泡，當眾多氣泡密集在一起，中間只隔著一層薄膜者即為泡沫。界面活性劑加入水溶液中以機械攪拌方法使空氣進入溶液中，形成溶液包成之氣泡，此時瞬間生成疏水基朝向氣泡內部，親水基朝向溶液相吸附，氣泡在溶液中藉由浮力上升，衝擊溶液表面，而與吸附在溶液表面之界面活性劑分子形成二分子膜，若滿足適當條件則氣泡將從表面升至外部空氣以兩分子膜包圍氣泡逸散在空氣中。在染色過程中常需加入界面活性劑提高染色品質，然而在操作過程中因機器轉動而氣體進入染液中導致泡沫產生。過多泡沫會阻礙染液與纖維接觸導致染色不均等問題，因此在染色整理工程中所使用之界面活性劑需具較低之起泡性質。

圖四為本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑中EO鏈比例最高以及最低之產物比較圖，一般而言陰離子系列界面活性劑之起泡力約在20cm以上，而本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑結構中含Si之結構，具有消泡之功能故一系列產物屬低起泡性。此系列產物中EO鏈親水性比例較高，起泡力較高而泡沫穩定度無較大變化。

(4)螢光性質

在微胞和微環境系統中，物理化學技術的應用在研究上已為相當重要之工具。使用螢光試劑芘(Pyrene)來去認分子凝聚的獨特親和力，利用界面活性劑與分子間相互作用探討其放射性質以及微胞聚集之特性。主要分光儀器參數包括激發(Excitation)和放射(Emission)光譜形式、微細振動結構、量子率以及溶液中的極性。

圖五為本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之螢光光譜圖，可藉由螢光強度大小來判斷產物之親水性大小，如結果所示隨EO鏈親水性比例增加其螢光強度隨之增強，其中產物PEG8000之螢光強度最大，表示此EO鏈較能與Pyrene分子適當結合產生相互作用，而EO鏈比例過大導致吸附情況較無秩序，進而影響螢光特徵。

(5)導電度

電導係指物質讓電流通過之能力，溶液由陰陽離子之移動而產生電流，因離子移動速率隨溫度升高而變快，故電導隨溫度升高而增加。水中電導經單位標準化後稱為導電度，水中之電解質會解離成離子，而具有導電之功能，故導電度之大小為水中電解質含量多寡之指標。溶液所測之電導與電極之面積成正比，與電極距離成反比，故一般將其換算為面積1cm²，距離1cm之值，此即為導電度。水之導電度極小，一般均以微姆歐/公分(μmho/cm，μS/cm)表示。

圖六為本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之導電度測試圖，由導電度測試結果一系列產物濃度達0.1%導電度明顯增加，在濃度達1%時，EO鏈親水性比例增加，導電度隨之增加。

(6)生物可分解率

生化需氧量(Biochemical oxygen demand，簡寫為BOD₅)，是水體中的好氧微生物在一定溫度下將水中有機物分解成無機質，這一特定時間內的氧化過程中所需要的溶解氧量。化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，簡寫為COD)是以化學方法測量水樣中有機物被強氧化劑氧化時所消耗之氧的相當量，用以表示水中有機物量的多寡。水樣在一定條件下，以氧化1升水樣中還原性物質所消耗的氧化劑的量為指標，折算成每升水樣全部被氧化後，需要的氧的毫克數，以mg/L表示。它反映了水中受還原性物質污染的程度。該指標也作為有機物相對含量的綜合指標之一。生化需氧量和化學需氧量(COD)的比值能說明水中的難以生化分解的有機物占比，微生物難以分解的有機污染物對環境造成的危害更大。BOD₅/COD的比率反映出了污水的生物降解能力。BOD₅與COD接近或是較顯著之百分比(典型為28天之內之百分比為60%或以上)則可稱該物質是可生物分解的。

表1為本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之於0.01%濃度之可分解指數表，由結果顯示一系列產物之BOD₅/COD之百分比皆大於60%，而其中只有PEG10000者未達60%，故本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑具有生物可分解性。

本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之乳化性能

(1)界面電位

乳化液(Emulsions)為一種膠體溶液，其組成為兩互相混合或部份混合之液體，其中以小粒子狀態存在之一相稱為分散相，即不連續相。一般而言，分散相之粒子直徑大約為0.1~10μm。另外，存在於乳狀液中之另一相稱為分散介質，即為連續相。在膠體化學中，認為固體膠體粒子在溶液中其表面具有電雙層存在，固體顆粒表面帶有正電荷，與在溶液中帶有負電荷之離子相互吸引使固體表面分佈呈層狀，即所謂Stern層。在電場中固體顆粒會沿剪力表面(Surface of Shear)相對於水而移動，剪力表面內之離子與固體表面之間的結合緊密牢固，會隨剪力表面相對移動，使剪力表面外之離子呈擴散狀態分佈於溶液中，而剪力表面與溶液本體間之電位差即為界面電位(ζ，zeta電位，Zeta Potential)。

圖七為本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之界面電位測試圖，由結果顯示產物中PEG10000具有較大之電位絕對值，故於粒子間具有較大之電荷斥力以利於乳液之分散穩定性。

(2)粒徑大小及分佈

乳化作用是兩種不溶的液體，其中一種是以直徑約0.1~5μm的微小粒子狀態，均勻分散在另外一種液體中的操作處理稱為乳化作用。乳液中粒子的大小，可辨識乳化能力程度，一般而言，粒徑分布範圍愈窄，粒徑愈小，而乳化安定性較佳，而乳化液的粒子，不隨時間的改變而發生融合作用，即具優良的穩定性。

乳液的品質和分散相的液滴大小相關，一般乳化作用之目的是為了維持液滴的狀態，液滴的大小不可隨時間增長而產生劇烈的增大，液滴穩定度會依據界面活性劑的乳化能力有所不同，而乳化程序包括兩步驟：(一)乳液比表面積增加時，液滴破壞及變形，(二)由界面活性劑所形成新界面的穩定性。

而添加乳化劑的作用有三種：(a)降低界面張力的作用、(b)經由吸附的過程促使粒子表面獲得機械的保護作用、(c)經由離子性的運用，促使粒子相互間產生排斥作用。

圖八為本發明甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑對橄欖油作乳化液之平均粒徑分佈圖，所測得粒徑大小介於1~4μm之間，透過粒徑分佈圖，可觀察到，當使用PEG2000之平均粒徑較小，且液滴之粒徑範圍較窄，展現單波峰的曲線，顯現大多數的乳液液滴粒徑大小較為一致，具高穩定性，而其他產物之乳化液則產生布朗運動使分子凝集而呈現粒徑範圍較寬。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑(其中選用聚乙二醇PEG2000者)與習知非離子界面活性劑(C₁₄H₂₂O(C₂H₄O)n)、陰離子界面活性劑(十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate，SDS))、陽離子界面活性劑(溴化十六烷三甲基銨(Cetyl trimethyl ammonium bromide，CTAB))之乳化性能比較，如圖九~十六所示。

圖九為四種不同型界面活性劑與荷荷巴油乳化後之黏度圖，可看出四種乳化液皆為牛頓流體。

圖十為四種不同型界面活性劑與10wt%荷荷巴油乳化後乳液之離心圖，一開始就可看到陽離子型界面活性劑乳化效果不好，油水分離情形較嚴重，離心5分鐘後四種界面活性劑皆有分離的結果，且可看到離心30分鐘後，非離子、本發明之甜菜鹼-矽氧烷型、陰離子型界面活性劑乳化分離情形已穩定，而陽離子型界面活性劑乳化液的分離情況又更明顯。

量筒測量可探討乳化液的安定性，可由圖十一看到隨著時間的增長，非離子、陰離子型界面活性劑乳化量筒高度變化不大，較為安定，而陽離子型界面活性劑乳化液與甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑乳化液皆有分層，油水分離，但陽離子型界面活性劑乳化液比甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑嚴重，且隨時間變化較大，顯示本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之乳化較陽離子型界面活性劑為安定。

界面電位(Zeta電位)絕對值越大，表示膠體粒子之間的排斥力越大，分散性越佳，越不易產生凝集現象，顯現乳液穩定性高。圖十二~十五為四種界面活性劑之個別界面電位(Zeta電位)圖，橫軸為pH，縱軸為界面電位(Zeta電位)值，隨著pH的增加界面電位(Zeta電位)值也增加，其中使用非離子型界面活性劑之乳化液，當酸鹼數值到達pH7時界面電位(Zeta電位)之變化趨於穩定狀態；甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑乳化液則於偏酸性環境下界面電位(Zeta電位)變化趨勢較為緩慢，而從pH7~pH10鹼性環境時界面電位(Zeta電位)下降趨勢變快；陰離子型界面活性劑乳化液則隨著酸鹼值於pH3~pH10的變化下界面電位(Zeta電位)有下降的趨勢；而陽離子型界面活性劑乳化液在酸性及鹼性環境變化緩慢，但酸鹼值趨於中性時界面電位(Zeta電位)數值下降較為明顯。

並由圖十六各種界面活性劑乳化液之界面電位(Zeta電位)比較圖，可得知甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑在pH10~pH11時有最大的界面電位(Zeta電位)絕對值，顯示本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑在鹼性環境下之乳化安定效果最好，且比陰離子界面活性劑還要更好，而陰離子型界面活性劑的界面電位(Zeta電位)絕對值較大，表示乳液穩定性比其它界面活性劑高。

本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑與習知非離子、陰離子、陽離子界面活性劑之生物可分解性比較，如表2所示

當生物可分解率大於60%時代表廢水中所含的有機物大都可被生物所分解，表2為四種不同型界面活性劑在濃度0.1%之生物可分解指數表，帶入可分解公式後，結果顯示甜菜鹼-矽型界面活性劑大於60%，分解率最高，可達到環境友善的效果。

由本發明之實施例與比較例之比較，顯示本發明之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑，比習知其它界面活性劑具有更優異之性質，不論是乳化安定性、分散性、或生物可分解性等均有較優異之表現，確實可以作為綠色、環保之良好界面活性劑。

本發明之發明特徵、內容與優點及其所達成之功效，將本發明以實施例之表達形式詳細說明如上，而於文中所使用之表列，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，不應就所附之表列的比例侷限本發明於實際實施上的專利範圍，合先敘明。

Claims

一種製備甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備方法，係包含下列步驟：(a)聚矽氧烷化合物與聚氧乙烯反應，得反應物A；(b)反應物A與環氧氯化烷化合物反應，得反應物B；(c)反應物B與二甲胺，得反應物C；(d)反應物C與鹵烷酸化物反應，得甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑。
如申請專利範圍第1項之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備方法，其中該聚矽氧烷化合物選自結構中以重複的Si-O為主鏈，矽原子上連接有機基團的聚合物，其通式為[R_sSiO_4-s/2]_w，其中R代表有機基團，包含相同或相異之選自氫原子、醇基(OH)、碳數1至10之烷基、苯基，s為0~4，w為聚矽氧烷重複單位數，其值為1~200；環氧氯化烷化合物，選自：環氧氯丙烷、環氧氯丁烷、環氧氯戊烷、環氧氯己烷、環氧氯庚烷、環氧氯辛烷至環氧氯二十烷；其中聚氧乙烯鏈選自：聚乙二醇、聚環氧乙烷(PEO)及聚氧乙烯(POE)；鹵烷酸化物具有下列化學結構：，其中H選自氟、氯、溴、碘之鹵素，X^-選自羧酸根、磺酸根、硫酸根、磷酸根、-OH根之至少一種離子，z為1~20之整數。
如申請專利範圍第1項之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備方法，其中步驟(a)~(d)合成溫度為10~220℃，合成時間為1~24小時，步驟(a)進一步包括觸媒選自四異丙醇鈦(IV)、硫酸、鹽酸之至少一種及其組合，步驟(b)反應物A與環氧氯化烷化合物之反應進一步係在鹼性及觸媒存在條件下反應，該觸媒選自溴化四丁基銨、苯甲基三乙基氯化銨、三辛基甲基氯化銨、四甲基溴化銨之至少一種。
一種甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑，係由如申請專利範圍第1至第3項中任一項之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑之製備方法而得，其具有下列通式之化學結構：其中R代表有機基團，包含相同或相異之選自氫原子、羥基(-OH)、碳數1至10之烷基、苯基之至少一種，y為1~20、z為1~20之整數，n為聚氧乙烯鏈重複單位數，其值為5~5000，w為聚矽氧烷重複單位數，其值為1~200，其中X^-選自羧酸根、磺酸根、硫酸根、磷酸根、-OH根之至少一種。
一種分散劑材料，其係使用含如申請專利範圍第4項之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑為構成材料者。
一種乳化劑材料，其係使用含如申請專利範圍第4項之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑為構成材料者。
如申請專利範圍第6項之乳化劑材料，其係用於作為化妝品乳化劑、食品乳化劑、醫藥品乳化劑之應用領域。
一種生物可分解環保材料，其係使用含如申請專利範圍第4項之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑為構成材料者。
一種染色方法，其係使用如申請專利範圍第4項之甜菜鹼-矽氧烷型界面活性劑為染整助劑者。