TWI729872B

TWI729872B - 改質甜菜鹼界面活性劑之製備及其應用

Info

Publication number: TWI729872B
Application number: TW109121823A
Authority: TW
Inventors: 蔡春恩; 林麗惠; 黃姿晴
Original assignee: 萬能學校財團法人萬能科技大學
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-06-01
Also published as: TW202200263A

Abstract

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑，係將甜菜鹼以酸改質，再將改質甜菜鹼、分散性良好之聚乙二醇與脂肪酸反應而得改質甜菜鹼界面活性劑產物，本發明之改質甜菜鹼界面活性劑係作為分散劑，應用於纖維染整助劑、無機奈米粉體之分散劑領域中，以及作為乳化劑，應用於化妝品、醫藥品、食品、工業製品之乳化領域中。

Description

改質甜菜鹼界面活性劑之製備及其應用

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。環保和安全乃為未來界面活性劑工業發展的主要推動力。對界面活性劑污染可能產生的危害、降解性能和在環境中的累積性能等進行環境安全性評價具有十分重要的意義。習知技術中一般認為，陽離子界面活性劑的毒性較大，常用來殺菌消毒；陰離子型界面活性劑具有一定毒性；非離子型界面活性劑的毒性相對較小，但有的降解產物毒性很大，使用後常須丟棄，容易造成環境汙染，因此在使用界面活性劑時，除考慮其界面活性及機能性外，是否造成環境汙染之評估，甚為重要。

可分解型界面活性劑又稱為暫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級分解。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況。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。

界面活性劑在全球穩定發展的趨勢下，為相關產業的發展提供了優異的環境，對於產品的結構、品項、性能與技術上要求也越來越高。因此，開發安全、溫和、天然、可生物分解以及具有特殊作用的界面活性劑，為新產品的開發與應用提供了良好的基礎。

甜菜鹼是一類性能優良的兩性表面活性劑，在較寬的pH範圍內具有良好的表面活性以及複配性能，具有極好的硬水性、低毒、良好的抗靜電、殺菌以及較低的刺激性等。

甜菜鹼是一種從甜菜中發現的生物鹼，自然界中甜菜是含甜菜鹼最多的植物之一。甜菜鹼為白色結晶型粉末，味甘甜，易溶于水、乙醇，難溶於乙醚、氯仿。甜菜鹼屬於兩性化合物，水溶液呈中性，具有很強的保濕性，且化學結構牢固，性質穩定，能耐200℃以下的高温，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。

甜菜鹼作為非離子表面活性劑還廣泛應用於日化、印染等行業。在生產日化行業中可用做兩性表面活性劑、保濕劑(其保濕性約是丙三醇的12倍，山梨糖醇的3倍)、殺菌劑、防黴劑等；由於在動物代謝中作為氨基酸及甲基供給體，可以降低膽鹼及甲硫銨酸的需求量，參與酶促反應，因此可作為減肥劑；甜菜鹼還可作為滲透保護劑、自由基清除劑或皮膚抗衰劑。在精細化工上甜菜鹼被用做生產有機胺的原料及作為油漆、染料的生產原料和被用來生產聚合物等。

聚乙二醇是一種親水性高分子化合物，擁有良好的生物及物理化學性質，當聚乙二醇和其它分子偶合時，其許多優良性質也會隨之轉移到結合物中，本發明將以聚乙二醇為原料，聚乙二醇重複單位數為：10~20000來合成界面活性劑。

聚乙二醇(PEG)，是由重複的氧乙烯基組成的線性鏈狀結構，兩端各有1個羥基，PEG最突出特性是它與各種溶劑的廣泛相容性，廣泛的黏度範圍和吸濕性，因而在表面活性劑、潤滑劑和增塑劑的生產中作為中間體起著十分重要的作用。PEG的應用及市場PEG的應用有兩種方式：一種是PEG包含在最終產品中，例如：醫藥用的油膏、軟膏、洗液、栓劑、片劑和非腸道用溶液；在化妝品中的牙膏、發乳、除臭劑、洗淨膏；造紙工業中用於壓光紙；尼龍纖維、黏合劑、洗滌劑、焊劑、清漆及照相顯影劑等。另一種是為許多產品提供潤滑性，如：金屬、瓷磚、瓷品的成形潤滑劑，紡絲和紡織纖維、制輪胎和醫療外科縫線的潤滑劑，乳膠泡沫製成的脫膜劑等。

辛酸甘油酯(包括單辛酸甘油酯、二辛酸甘油酯和三辛酸甘油酯)屬於中鏈甘油酯，中鏈甘油酯就是指含有中鏈飽和脂肪酸(主要是辛酸和癸酸)的甘油酯。辛酸甘油酯除了具備中鏈甘油酯這個特徵之外，它的單酯還是一種優良的食品防腐劑和表面活性劑。

許多研究表明辛酸、癸酸和月桂酸的脂肪酸比其脂肪酸形式更能抑制細菌。研究證明辛酸、辛酸甘油酯和辛酸鹽對一系列細菌都有殺菌作用，如大腸桿菌，也證明中鏈脂肪酸中己酸、辛酸對大腸桿菌和沙門氏菌的抑菌能力強於癸酸。本發明之改質甜菜鹼界面活性劑，係以選自C2~C30之脂肪酸為原料。

隨著人們對於水體污染的重視，可降解表面活性劑的研究越來越受到重視，新的表面活性劑應更溫和、更安全、更高效，對環境的影響程度也應更小。因此本發明使用保濕性強低刺激性的甜菜鹼，及同樣具保濕能力能降低pH值的辛酸，搭配不同分子量的聚乙二醇，三種皆為綠環保型材料，對環境無害，可適用於嬰幼兒的皮膚溫和、利用其柔軟和低刺激的特性製備合成出生物可降解界面活性劑。

本發明首先將甜菜鹼以鹽酸來酸化改質，再以分散性良好之聚乙二醇(不同EO鏈長：PEG600、1000、4000)作為親水基鏈段，將改質甜菜鹼、聚乙二醇和脂肪酸化合物進行反應合成得本發明之改質甜菜鹼界面活性劑產物，為一生物可分解之環保材料，符合未來發展趨勢。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑，係具有通式(I)結構之界面活性劑，

R：來自脂肪酸之有機基團，選自C₁~C₃₀烷基、烯烴基、羥烴基

n：聚乙二醇重複單位數，其值為10~20000

m：脂肪酸化合物中-CH₂-段之重複單位數，其值為0~30之整數

R1、R2、R3：表示甜菜鹼化合物中之烴類有機基團，其碳數值為1~30之整數

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑，其中，該脂肪酸化合物選自碳數3至23之直鏈或支鏈之脂肪酸化合物。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑，其中，該脂肪酸化合物選己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸和月桂酸。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之製備方法，係將甜菜鹼以酸改質，再將改質甜菜鹼、分散性良好之聚乙二醇與脂肪酸反應而得改質甜菜鹼界面活性劑產物。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之製備方法，包含(a)至

(b)之合成步驟如下：

(a)改質甜菜鹼：

無水甜菜鹼和溶劑攪拌混和後滴入鹽酸至微酸，利用減壓濃縮機萃取出溶劑後得到改質甜菜鹼產物。

(b)改質甜菜鹼界面活性劑合成：

將聚乙二醇(600,1000,2000,4000)以及脂肪酸及改質甜菜鹼，置於反應瓶中升溫至100~250℃攪拌，加入溶劑使兩者及聚乙二醇均勻混合後，加入數滴硫酸溫度維持於100~250℃真空抽氣，反應2~10小時。

將合成之一系列改質甜菜鹼界面活性劑，代號分別為RTP600、RTP1000、RTP2000、RTP4000。

其中，步驟(a)及(b)之催化劑選自：四異丙醇鈦(titanium isopropoxide)、硫酸(Sulfuric acid)、鹽酸(Hydrochloric acid)之至少一種。其中，變化不同EO鏈長之聚乙二醇(PEG600、PEG1000、PEG2000、PEG4000)作為原料。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之合成反應式如下：其中二酸或酸酐化合物以琥珀酸酐為例，聚乙二醇(PEG600、PEG1000、PEG2000、PEG4000)作為親水基鏈段

步驟(a)改質甜菜鹼

步驟(b)改質甜菜鹼界面活性劑合成

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑係作為分散劑材料，可用於作為纖維染整助劑、無機奈米粉體之分散劑等領域中。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑係作為乳化劑材料，可用於作為化妝品、醫藥品、食品、工業製品等之乳化領域中。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之基本性質測定：

1.表面張力測定

任何物質中分子之間具均有互相吸引的力量，液體表面分子在液面會受到不同引力的影響。但對空氣的引力幾乎為零，而向下拉液體內部的引力即為表面張力。隨著界面活性劑濃度的增加，表面張力值隨之降低，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微胞，微胞開始形成時之濃度，就稱之為臨界微胞濃度(Critical Micelle Concentration；CMC)，而此種緊密的排列模式會降低溶液表面分子被拉向內部的引力，使液體表面自由能減少，使表面張力降低。加入界面活性劑會降低表面張力，其原因為界面活性劑之疏水端在水面上形成一層疏水膜；而親水端朝向液體內部，此排列結果降低了溶液表面之自由能。

使用數字型吊白金片(式)表面張力測定儀測試

廠牌型號：CBVP-A3,Kyowa Kaimenagaku Co.LTD.,Japan.

(1)先將儀器完成各校正手續。

(2)將白金片以酒精及純水清洗，再以酒精燈將白金片燒至火紅待冷卻後吊於掛勾上。

(3)將玻璃培養皿洗淨烘乾後，注入待測液約10ml後，放置於升降台上。

(4)啟動儀器開關使升降台緩慢上升，當待測液液面觸碰白金片時，升降台會自動停止，記錄穩定時之表面張力值。

(5)重複上述步驟3次，求其平均值。

改質甜菜鹼界面活性劑之表面張力測試，此測試結果，如圖1所示。

2.接觸角測定

於正常環境下，物體的表面會包覆一層空氣，要使液體能在固體表面延伸擴張，必須先將包覆的空氣排除，此種將液體取代原有的空氣現象稱之為潤濕現象。界面活性劑具有降低液體表面張力和自由能的能力，並且可展現其濕潤性。而接觸角亦為判斷特定液體對固體表面濕潤能力之儀器，於水滴與固體接觸的交點延伸出水滴邊緣的切線，此切線與固體表面所形成的角度，即為接觸角度(θ)。而接觸角越小表示試樣對固體面的濕潤效果越佳，而界面活性劑具有降低液體表面張力和自由能的能力，故具濕潤性。

使用接觸角測定儀，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。

(1)調整鏡頭之焦距以及亮度對比，完成各校正手續。

(2)以純水作為標準品，配製不同濃度之樣品溶液。

(3)將試樣溶液滴於玻璃板、水管板、塑膠板、鐵氟龍板，經電腦計算後顯示接觸角值。

(4)重複步驟3次測其平均值。

將改質甜菜鹼界面活性劑濃度為0.01wt%、0.1wt%、1wt%在玻璃、壓克力、鐵氟龍三種板上之接觸角圖，此測試結果，如圖2、圖3及圖4所示，接觸角影像圖，如圖5、圖6、圖7所示。

3.導電度

水導電度乃借用電化學的概念，為水中所有離子綜合導電程度的指標。導電度越高，表示含有腐蝕或水垢生成要因的物質很多。導電度越低，水中所含離子或導電物質含量越少，故導電度可被使用在於水質管理指標上。

電解質溶解水中，會解離成陽離子和陰離子，當電流欲通過此溶液時，可藉著陰陽離子的運動，而使電子能在正負極間流通，此溶液即可導電。(書)而導電度多用於測量離子型界面活性劑溶液之臨界微胞濃度(CMC)一般而言溶液之導電度與溶質濃度應成規則的正比。本發明為陰-非離子型界面活性劑，不但可探討其臨界微胞濃度(CMC)，也能分析其疏水鏈對於導電度的大小變化。

將改質甜菜鹼界面活性劑濃度1wt%、0.1wt%、0.01wt%進行導電度檢測，其結果如圖8所示。

4.起泡性

Model KD-10,Daiei Kagaku Seiki MFG.Co.LTD.,Japan，以Ross and Miles法測定。

(1)配製0.5wt%之樣品溶液500.0mL，放置試樣槽中。

(2)固定馬達流速為400.0mL/min，水溶液經由循環幫浦壓出後，經噴嘴流出而連續注入受盤內，此受盤之溶液到達一定高度時會自動溢出，使液面維持一定高度。

(3)溢出之樣品溶液會自動循環回試液槽中再循環，經1小時循環後，記錄計量筒內之泡沫高度，此為樣品之泡沫最大高度。

(4)關掉幫浦，經5分鐘後再記錄泡沫高度，此即為泡沫安定度。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之起泡性，結果如圖9所示。

5. COD化學需氧量(Chemical Oxygen Demand)

化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)係指水中有機物質在酸性及高溫條件，以化學方法測量水樣中有機物經由強氧化劑將其氧化成CO₂與H₂O，所消耗氧氣的量，COD值的大小可表示水中有機物量的多寡，水樣在一定條件下，以氧化1公升水樣中還原性物質所消耗的氧化劑的量為指標，所需的氧的毫克數，換算成每升水樣全部被氧化後，以mg/L表示，反應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。

根據檢測環境和水樣中雜質的不同，國際上主要檢測方法有重鉻酸鉀法、高錳酸鉀法，該型號COD分析儀採用的分析方法為重鉻酸鉀法，此方法數據精確度高，受自然環境干擾小，作為COD指標的首選測定方法。化學原理：將待檢測水樣、重鉻酸鉀、硫酸銀、濃硫酸按一定的比例濃度進行混合併逐步加熱到175℃進行消解，在此期間鉻離子作為氧化劑從VI價轉換成III價而改變了顏色，顏色的改變度與樣品中有機化合物的含量成正對應關係，最後通過比色換算直接將水樣的COD值顯示出來。

Chemical Oxygen Demand Spectrophotometer,HACH,Model DR/2800 Chemical Oxygen Demand Reactor,Rocker,Model CR25

(1)配製不同濃度之樣品溶液2.00mL，放置比色管內。

(2)將比色管放入COD加熱器中，待上升至溫度120℃。

(3)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。將改質甜菜鹼界面活性劑濃度1wt%、0.1wt%、0.01wt%時測其COD化學需氧量，如圖10所示。

5.乳化液滴之粒徑分析

自然界中有各種不同的粒子，依它們的形態和特性，可以區分為氣體、液體和固體。其中，固體的微粒又常稱作粉粒體。此外，在應用時這些粒子經常分散在氣、液或固相中。有些粒子和人類的日常生活有密切的關係，卻很少被人察覺。

在工業上，礦物質顏料會因為粒子的粗細不同而呈現深淺不同的色澤；醫學上，藥物顆粒的大小會影響在人體內的吸收率和藥效發揮的速率；科技上，陶瓷材料的細緻度會影響商品柔韌性和可加工性。如果使用奈米級的鎳粉做為火箭固體燃料的反應觸媒，可以大幅度提高燃料的燃燒效率，並且改善燃燒的穩定性。在公共衛生上，殺蟲劑噴霧藥粒的大小會影響殺蟲效果和空間瀰漫效應。

因此，凡是和粒子有關的產品，像是顏料、塗料、殺蟲劑、乳膠、懸浮液、化妝品、藥物、水泥、陶瓷、金屬等的生產業者，都需要測定粒子的大小，以管制產品的品質。近年來對粉粒體的要求，製造粒子的大小又向上提升到奈米的層次，因此粒徑的測定方法和技術不僅是顆粒研究領域的重點之一，也是一個研究的主軸。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑，由粒徑的變化可推測乳化情況。

(1)配製0.5wt%之助劑溶液。

(2)秤取10wt%(O/W)之橄欖油溶液。

(3)以均質機(Ultra Turrax T25 Homogenizer)在轉速11,000rpm下攪拌15min。

(4)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。

(5)以量筒測試依據時間的變化來評估油水分離的狀態。

將改質甜菜鹼界面活性劑濃度為0.5wt%以橄欖油作乳化液之粒徑分布，分別測第0、1、6小時，此測試結果之粒徑分布曲線，如圖11~13所示。改質甜菜鹼界面活性劑濃度為0.5wt%以橄欖油作乳化液之第6小時之平均粒徑，如圖14所示。

圖1 改質甜菜鹼界面活性劑之表面張力圖

圖2 改質甜菜鹼界面活性劑濃度為1wt%、0.1wt%、0.01wt%在玻璃板上之接觸角圖

圖3 改質甜菜鹼界面活性劑濃度為1wt%、0.1wt%、0.01wt%在壓克力板上之接觸角圖

圖4 改質甜菜鹼界面活性劑濃度為1wt%、0.1wt%、0.01wt%在鐵氟龍板上之接觸角圖

圖5 改質甜菜鹼界面活性劑濃度0.01%在玻璃、壓克力、鐵氟龍三種板上之接觸角影像圖

圖6 改質甜菜鹼界面活性劑濃度0.1%在玻璃、壓克力、鐵氟龍三種板上之接觸角影像圖

圖7 改質甜菜鹼界面活性劑濃度1%在玻璃、壓克力、鐵氟龍三種板上之接觸角影像圖

圖8 改質甜菜鹼界面活性劑濃度1wt%、0.1wt%、0.01wt%之導電度圖

圖9 改質甜菜鹼界面活性劑之起泡值

圖10 改質甜菜鹼界面活性劑濃度1wt%、0.1wt%、0.01wt%時之COD化學需氧量圖

圖11~13 改質甜菜鹼界面活性劑濃度0.5wt%以橄欖油作乳化液之粒徑分布，分別測第0、1、6小時之結果之粒徑分布曲線圖

圖14 改質甜菜鹼界面活性劑濃度為0.5wt%以橄欖油作乳化液之第6小時之平均粒徑

圖15 改質甜菜鹼界面活性劑以橄欖油做乳化液之顯微鏡圖

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之製備，使用材料：

(1)無水甜菜鹼(Betaine Anhydrous)

C₅H₁₁NO₂，Mw：117.15

(2)鹽酸(hydrochloric acid)

HCl，Mw：36.46

(3)辛酸(Octanoic Acid)

C₈H₁₆O₂，Mw：144.21

(4)聚乙二醇(Polyethylene Glycol)

C_2nH_4n+2O_n+1，Mw：600、1000、2000、4000

(5)二甲基亞碸(Dimethyl sulfoxide)

(CH₃)₂SO，Mw：78.13

(6)硫酸(Sulfuric Acid)

H₂SO₄，MW：98.08

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之製備

包含下列(a)至(b之合成步驟：

步驟(a)：改質甜菜鹼

步驟(b)：改質甜菜鹼界面活性劑合成

合成步驟說明

步驟(a)：甜菜鹼改質：1mole無水甜菜鹼和溶劑攪拌混和後滴入鹽酸至微酸，利用減壓濃縮機萃取出溶劑後得到產物。

步驟(b)：改質甜菜鹼界面活性劑合成：將1mole的聚乙二醇(600,1000,2000,4000)以及1mole的辛酸及改質甜菜鹼，置於反應瓶中升溫至180℃攪拌，加入溶劑使兩者及聚乙二醇均勻混合後，加入兩滴硫酸溫度維持於180℃真空抽氣，反應4小時。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑產物之代號依據不同EO鏈長之聚乙二醇(PEG600、PEG1000、PEG2000、PEG4000)所合成出來之產物，先將甜菜鹼改質，將改質甜菜鹼與辛酸及聚乙二醇合成為一系列改質甜菜鹼界面活性劑。代號分別為：RTP600、RTP1000、RTP2000、RTP4000，合成產物產率範圍為84%~90%，如表1所示。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之表面張力

一系列改質甜菜鹼界面活性劑的表面張力，如圖1所示，可發現隨著一系列產物濃度增加時，表面張力下降，當下降在0.05wt%時，並不會再下降，此濃度稱為臨界微胞濃度，TRP600表面張力值為29.46mNm/m，TRP1000表面張力值為44.2mNm/m，RTP2000表面張力值為43.5mNm/m，RTP4000表面張力值為54.56mNm/m，表面張力大小為RTP4000>RTP2000>RTP1000>RTP600。

結果顯示RTP4000表面張力值最大，代表界面活性最不好，RTP600表面張力值最小，代表界面活性最好，應用在清潔劑、化妝品或者藥物包覆可以得到最好的效果。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之接觸角

本發明以玻璃板、壓克力板和鐵氟龍板為濕潤對象，測試其RTP600、RTP1000、RTP2000、RTP4000之改質甜菜鹼界面活性劑產物與測試板之接觸角，圖2、圖3、圖4為一系列改質甜菜鹼界面活性劑產物其濃度分別為1wt%、0.1wt%、0.01wt%分別在玻璃、壓克力、鐵氟龍三種板上之接觸角圖，在一系列產物當中與玻璃板接觸角是最小的，代表產物濕潤性是最優良，與鐵氟龍板接觸角是最大的，表示對產物的濕潤性不良。然而，隨著界面活性劑濃度的增加接觸角值下降。

圖2為一系列改質甜菜鹼界面活性劑產物在玻璃板之接觸角圖，由圖可看出圖RTP600在1wt%接觸角度最小，表示濕潤效果最佳，而RTP4000在0.01wt%接觸角度最大，表示濕潤效果不佳。

圖3為一系列改質甜菜鹼界面活性劑產物在壓克力板之接觸角圖，由圖3可看出圖RTP600在1wt%接觸角度最小，表示濕潤效果最佳，而RTP1000在0.01wt%接觸角度最大，表示濕潤效果不佳。

圖4為一系列改質甜菜鹼界面活性劑產物在鐵氟龍板之接觸角圖，由圖4可看出圖RTP600在1wt%接觸角度最小，表示濕潤效果最佳，而RTP4000在0.01wt%接觸角度最大，表示濕潤效果不佳。

圖5、圖6、圖7為一系列改質甜菜鹼界面活性劑產物濃度分別為0.01%、0.1%、1%在玻璃、壓克力、鐵氟龍三種板上之接觸角影像圖，由圖5至圖7當中可得知改質甜菜鹼界面活性劑產物的接觸角排列情形為RTP4000>RTP2000>RTP1000>RTP600。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之導電度

本發明不但可探討其臨界微胞濃度(CMC)，也能分析其疏水鏈對於導電度的大小變化，本發明之一系列改質甜菜鹼界面活性劑產物，濃度分別為1wt%、0.1wt%、0.01wt%進行導電度檢測，其結果如圖8所示，得知本發明之一系列產物之導電度值介於0-45μs/cm間，隨著改質甜菜鹼界面活性劑濃度增加而導電度上升，其中導電度之大小為RTP4000>RTP2000>RTP1000>RTP600，隨PEG鏈長減少而導電度值降低。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之起泡性

一般而言，陰離子型界面活性劑的起泡值約在20cm左右，非離子型界面活性劑的起泡值約在10cm左右。由圖9所示，此一系列改質甜菜鹼界面活性劑產物之起泡高度約在0.7-12cm之間，起泡性之大小為RTP600>RTP1000>RTP4000>RTP2000，顯示具有較低的起泡性與泡沫穩定性，隨PEG分子量增加，起泡效果越差，且較一般陰離子型或非離子型界面活性劑起泡性低。其主要原因是由於此一系列產物構造中的親水基與疏水基較無秩序的排列，而不容易整齊且緊密的排列於氣泡周圍，也就是不易在界面形成穩定的彈性薄膜，所以當氣泡產生時便很快破滅，故起泡性較低。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之化學需氧量

本發明一系列改質甜菜鹼界面活性劑產物之COD圖，濃度分別為1wt%、0.1wt%、0.01wt%進行化學需氧量檢測，其結果如圖10所示，隨著改質甜菜鹼界面活性劑濃度的增加，其化學需氧量明顯變大，當RTP600在1wt%時COD值最高，表示需要更多之氧化劑來消耗COD值大小為 RTP600>RTP1000>RTP4000>RTP2000，RTP2000在一系列產品中具最小的COD值，相較於兩種市售化學需氧量低，表示其汙染性最低，而一系列產物在0.01%wt因其濃度太低皆呈現負值。本發明亦探討產物與市售界面活性劑之化學需氧量，其產物需氧量均比市售界面活性劑低，其原因應是改質甜菜鹼型界面活性劑為綠色、環保型界面活性劑。

本發明之改質甜菜鹼界面活性劑之粒徑分析

圖11、圖12、圖13為改質甜菜鹼界面活性劑之粒徑曲線圖，由圖11一系列改質甜菜鹼界面活性劑以橄欖油作乳化液之第0小時平均分佈圖，所測得粒徑大小介於0.2~0.8μm之間，透過粒徑分佈圖可觀察到，RTP4000之粒徑較小且液滴之粒徑範圍較窄，可能具有較佳之乳化性，但到了圖12一系列改質甜菜鹼界面活性劑以橄欖油作乳化液之第1小時粒徑其粒徑範圍變寬其原因為前兩小時為熱力學不穩定狀態，使乳化液呈現不安定性。圖13一系列改質甜菜鹼界面活性劑以橄欖油作乳化液之第6小時粒徑圖，由圖中可看出乳化之平均粒徑的曲線隨時間增加而下降，相較於第一小時其曲線較為平穩。圖14為一系列改質甜菜鹼界面活性劑以橄欖油做乳化液6小時平均粒徑分析，分別為RTP4000>RTP2000>RTP1000>RTP600，隨著時間的增長，前兩小時為熱力學不穩定狀態，其中RTP4000乳化液平均粒徑變化最大，呈現不安定的狀態，相較之下RTP600、RTP1000乳化液隨時間增長粒徑曲線變化較小。圖15一系列改質甜菜鹼界面活性劑以橄欖油做乳化液之顯微鏡圖，可看出RTP4000在顯微鏡下泡沫顆粒最為均勻與密集，且沒有團聚現象，表示其為良好的介面活性劑。

本發明改質甜菜鹼界面活性劑基本性質，表面張力測定分析，所合成之產物皆具有降低表面張力的特性，得到臨胞濃度為0.05%，表面張力值範圍為29.46~54.56mN/m。

經實驗分析，本發明所合成的改質甜菜鹼界面活性劑產物之接觸角測試結果，合成產物對玻璃板(Glass)、壓克力板(Acrylic Sheet)和鐵氟龍板(Teflon)皆低於純水，展現其良好潤濕效果，其中以RTP600具最佳濕潤效果。

本發明所合成的改質甜菜鹼界面活性劑產物在起泡性測試結果，RTP2000、RTP4000起泡高度皆在5cm以下，故具有較低之起泡性，且一系列產物導電值皆在軟水範圍內，可得知應用於化妝品乳液中，無須待消泡處理，降低成本。

本發明所合成的改質甜菜鹼界面活性劑產物在COD化學需氧量測試結果，RTP2000較市售兩種界面活性劑化學需氧量低，表示其對環境污染更小。

Claims

一種改質甜菜鹼界面活性劑，係具有通式(I)結構之界面活性劑，
式中R代表來自脂肪酸之有機基團，選自C₁~C₃₀烷基、烯基、羥基，n表示聚乙二醇重複單位數，其值為10~20000；m表示脂肪酸化合物中-CH₂-段之重複單位數，其值為0~30之整數；R1、R2、R3表示甜菜鹼化合物中之烴類有機基團，其碳數值為1~30之整數。
如申請專利範圍第1項之改質甜菜鹼界面活性劑，其中該脂肪酸化合物選自碳數3至23之直鏈或支鏈之脂肪酸化合物。
如申請專利範圍第1項之改質甜菜鹼界面活性劑，其中，該脂肪酸化合物選己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸和月桂酸。
一種如申請專利範圍第1至3項中任一項之改質甜菜鹼界面活性劑之製備方法，係將甜菜鹼以酸改質，再將改質甜菜鹼、聚乙二醇與脂肪酸反應，得到改質甜菜鹼界面活性劑。
如申請專利範圍第4項之改質甜菜鹼界面活性劑之製備方法，包含(a)至(b)之合成步驟如下：(a)改質甜菜鹼甜菜鹼和溶劑攪拌混和後滴入酸至微酸，利用減壓濃縮機萃取出溶劑後得到改質甜菜鹼；(b)改質甜菜鹼界面活性劑之合成將聚乙二醇及脂肪酸以及(a)所得之改質甜菜鹼，置於反應瓶中升溫至 100~250℃攪拌，加入溶劑使脂肪酸以及(a)所得之改質甜菜鹼及聚乙二醇均勻混合後，加入催化劑，溫度維持於100~250℃真空抽氣，反應2~10小時，得到改質甜菜鹼界面活性劑產物。
如申請專利範圍第5項之改質甜菜鹼界面活性劑之製備方法，其中步驟(a)及(b)之催化劑選自：四異丙醇鈦(titanium isopropoxide)、硫酸(Sulfuric acid)、鹽酸(Hydrochloric acid)之至少一種。
如申請專利範圍第4項之改質甜菜鹼界面活性劑之製備方法，其中，聚乙二醇重複單位數為：10~20000；其中，脂肪酸由選自C2~C30之脂肪酸。
一種分散劑材料，其包含如申請專利範圍第1至3項中任一項之改質甜菜鹼界面活性劑為材料者，其係用於作為纖維染整助劑、無機奈米粉體之分散劑領域中。
一種乳化劑材料，其包含如申請專利範圍第1至3項中任一項之改質甜菜鹼界面活性劑為材料者。
如申請專利範圍第9項之乳化劑材料，其係用於作為化妝品、醫藥品、食品、工業製品之乳化領域中。