2结果与讨论

2.1 Gemini表面活性剂的结构表征

2.1.1红外光谱分析

图1、图2为双子表面活性剂的红外光谱图。由图1可知，目标产物通过中间体1和中间体2的对比已反应合成，目标产物C12-3(OH)-DM中3357cm-1为—OH的伸缩振动吸收峰，3010cm-1为不饱和双键氢C=C—H的伸缩振动吸收峰；2921cm-1、2851cm-1为饱和甲基和亚甲基C—H的伸缩振动吸收峰；1726cm-1为酯基上C=O键伸缩振动吸收峰；1637cm-1为C=C的伸缩振动吸收峰；1472cm-1为C—N的伸缩振动吸收峰；1380cm-1、1326cm-1分别为甲基和亚甲基的弯曲振动吸收峰；1262cm-1为酯基上C—O的伸缩振动吸收峰，这些峰的存在说明红外图谱与C12-3(OH)-DM分子式中的基团一一对应。图2显示，3种双子表面活性剂均已合成。

图1 Gemini表面活性剂C12-3(OH)-DM的红外光谱图

图2 Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM的红外光谱图

2.1.2核磁共振分析

图3、图4是Gemini表面活性剂的核磁共振氢谱图。由图3、图4可知，目标产物通过与中间体1和中间体2的对比已反应合成，氢谱上的H峰位置和比例与Cm-3(OH)-DM的分子式一一对应，溶剂为D2O。目标产物C12-3(OH)-DM中δ=6.15、5.58为C=C—H的质子信号，δ=4.21为—COO—CH2的质子信号，δ=3.4～3.6为N—CH2—的质子信号，δ=3.12为N—CH3的质子信号，δ=1.77为C=C—CH3的质子信号，δ=1.12为—CH2—的质子信号，δ=0.76为—CH3的质子信号。图4显示，3种双子表面活性剂均已合成。

2.1.3元素分析

表1列出了元素分析得到的Cm-3(OH)-DM中C、H和N含量的测定值及其理论值。由表1可得，测定值与理论值非常接近。结合红外图谱、核磁共振氢谱及元素分析的数据可知，实验合成的化合物为目标产物反应型阳离子Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM（m=12，14，16）。

图3 Gemini表面活性剂C12-3(OH)-DM的核磁共振氢谱

图4 Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM的核磁共振氢谱

表1 Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM中C、H和N的含量

2.2 Gemini表面活性剂的性能分析

2.2.1表面性能

图5为Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM的表面张力随浓度变化图。由所制双子表面活性剂的表面性能数据所示。溶液的表面张力随着表面活性剂浓度的增加而迅速降低，直至达到平衡，且能在低浓度时即可显著降低水的表面张力。并且C12-3(OH)-DM(32.1mN/m)、C14-3(OH)-DM(30.1mN/m)和C16-3(OH)-DM(27.7mN/m)的最低表面张力值比对应的单子阳离子表面活性剂C12TACl(39mN/m)、C14TACl(38mN/m)和C16TACl(40mN/m)低得多[1-2，24]，且其临界胶束浓度分别为0.0265mmol/L、0.0169mmol/L、0.0083mmol/L比对应的单子表面活性剂低一到两个数量级。因此，所合成的双子表面活性剂是一种非常高效的表面活性剂。表2列出了Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM的表面性能。

图5 Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM的表面张力

表2 Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM的表面性能

2.2.2泡沫性能

表3为Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM的泡沫高度和液体高度随时间的变化数据表。由表3可见，双子表面活性剂的泡沫高度在10min时达到平衡值，起泡性能随疏水碳链长度的加成先增加后降低，在疏水碳链长度为14时泡沫高度达到最大，碳链长度为16时泡沫高度最低。而稳泡性能，同起泡性能变化相同，疏水碳链长度为14时泡沫稳定率达到82.5%，为碳链16的双子表面活性剂泡沫稳定性为73.4%。

表3 Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM的泡沫性能

2.2.3乳化性能

采用量筒法进行表面活性剂乳化力的测定，结果见表4。双子表面活性剂比传统单子表面活性剂十二烷基三甲基氯化铵[1-2，22]分出相同体积水的时间长，且随着烷基碳链长度的增加，水相所分离出水量所用的时间也越长。这可能是因为在油/水界面上，吸附的表面活性剂分子之间排列越紧密，形成界面的膜强度越高。根据单分子吸附膜理论，界面张力减小，乳化性能越好，表现为从乳状液中分离出水所用的时间越长。随着烷基碳链长度的增加，碳氢链间的相互作用力更强，两个表面活性剂单体分子之间的连接更加紧密，形成的界面膜强度也越高，因此烷基碳链长度越长的双子表面活性剂的乳化效果越好。

表4 Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM的乳化性能

3结论

（1）以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DM）、环氧氯丙烷（ECH）和3种长链烷基叔胺为主要原料，合成了3种反应型阳离子Gemini表面活性剂C12-3(OH)-DM、C14-3(OH)-DM和C16-3(OH)-DM，并通过红外光谱、核磁共振光谱和元素分析证实得到了目标产物。

（2）测定了Cm-3(OH)-DM在水溶液中的表面张力、cmc以及其热力学常数，得到其cmc分别为0.0265mmol/L、0.0169mmol/L、0.0083mmol/L，γcmc分别为32.1mN/m、30.1mN/m、27.7mN/m。以上数据表明与对应的传统单子表面活性剂相比，Gemini表面活性剂Cm-3(OH)-DM（m=12，14，16）具有很好的表界面活性。

（3）Cm-3(OH)-DM有良好的发泡和稳泡效果，10min内泡沫达到平衡值，泡沫稳定率分别达到79.6%、82.5%、73.4%。与传统单体表面活性剂C12TACl相比，Cm-3(OH)-DM还具有较高的乳化力。

符号说明

A——吸附面积，nm2

cmc——临界胶束浓度，mmol/L

Γ——吸附量，μmol/m2

Δ——吸附能，J/mol

γ——表面张力，mN/m

下角标

12——十二烷基碳链数

14——十四烷基碳链数

16——十六烷基碳链数

m——三种烷基碳链数