[科普中国]-氟表面活性剂

简介

氟表面活性剂，简称FSA，是以氟碳链为非极性基团的表面活性剂，即以氟原子部分或全部取代碳氢链上的氢原子。氟碳表面活性剂具有高表面活性，高热力学和化学稳定性。

众所周知，表面活性剂一般由极性基团（亲水基）和非极性基团（疏水基）二部份组成。普通表面活性剂的非极性基团为碳氢链，而氟碳表面活性剂的非极性基团为氟碳链，即以氟原子部分或全部取代碳氢链上的氢原子。但二者在极性基团的结构上无明显区别。所以氟碳表面活性剂就是以氟碳链取代碳氢链作为分子中非极性基团的表面活性剂。而具有许多普通表面活性剂不具有或者更优的性能，引起了人们普遍的重视，显示出越来越强的生命力，广泛应用于消防、化工、农药、选矿、造纸、皮革、纺织等各个领域。2

分类与普通表面活性剂一样，氟碳表面活性剂的分类依据其极性基团结构不同可分为离子型和非离子型二大类。离子型又可分为阴离子型、阳离子型和两性离子型氟碳表面活性剂。
1、阴离子型氟碳表面活性剂：
根据其极性基团（亲水基）不同可分为羧酸盐类（RfCOO-M）、磺酸盐类（RfSO3-M）、磷酸盐类（RfOPO3M）和硫酸盐类（RfOSO3-M），工业上应用以前三者为主。
羧酸盐类氟碳表面活性剂：一般在强酸或含高价阳离子水溶液中的溶解度较小，但热稳定性较高；
磺酸盐类氟碳表面活性剂：相对具有更好的耐氧化性，对强酸、电解质敏感性小；
磷酸盐类氟碳表面活性剂：相对发泡性能较差。
2、阳离子型氟碳表面活性剂：
阳离子氟碳表面活性剂几乎都是含氮化合物，即有机胺衍生物。由于大多数物质表面颗粒带负电荷，故阳离子型活性剂易被吸附。
3、两性离子氟碳表面活性剂：
两性离子活性剂分子结构中同时含有酸性基和碱性基，其表现出的离子类型取决于溶液PH值，即在酸性介质中表现为阳离子型，在碱性介质中表现为阴离子型。两性氟碳表面活性剂酸性基主要是羧酸基和磺酸基，碱性基主要是氨基或季铵基。两性氟碳表面活性剂具有优良乳化性能，在氟碳材料、纸张、皮革等产品制造过程中用作乳化剂。
4、非离子型氟碳表面活性剂：
非离子型氟碳表面活性剂在水溶液中不电离，其极性基通常为含氧醚键（如聚氧乙烯基）。非离子型比其它类型活性剂更易溶于水、有机溶剂（包括酸、碱介质），与其它类型活性剂的相容性也更好。由于其在水中不电离，故对PH值稳定性高，受电解质、无机盐的影响也小，但因其极性基为一定数量的含氧醚键/羟基组成，故不能应用于强氧化介质，以免造成醚键断裂。

特性及其原理由上述结构特点，我们便可推知氟碳表面活性剂的独特性质直接与氟碳链相关，更进一步讲是取决于氟元素的独特性质。简而言之，相对于其他表面活性剂，氟碳表面活性剂最为显著的特点是：高效、稳定，即高表面活性，高热力学和化学稳定性。
氟元素是电负性最强的元素，它具有高氧化势、高电离能，这种特性一方面造成氟—碳键（F—C）键能高（实际上氟—碳键是已知键能最高的共价键），因而氟碳链结构远比碳氢结构稳定；另一方面氟原子非常难以被极化，使氟碳链极性比碳氢链小。正是因为这种低极性，使氟碳链疏水作用远比碳氢链强烈（其实，低极性不但使氟碳链疏水，而且还疏油—这里油是指碳氢类化合物）；另外，低极性又导致氟碳链相互间作用力弱。这二个因素共同作用使得氟碳表面活性剂分子在水溶液中有比其它表面活性剂分子更加强烈的倾向来脱离水溶液，在液/气界面上定向聚集排列成分子膜，从而使其具有与其它表面活性剂所不同的二种特性；
1、 在极低应用浓度下便能显著降低水溶液的表面张力。有些氟碳表面活性剂，在50~100ppm时便可将水溶液表面张力降到18～20dyn/cm。这主要是氟碳链疏水作用强烈，相互间分子作用力弱的原因。
2、 极高的表面活性，即可将水溶液表面张力降到极低水平。像全氟羧酸可以使水溶液表面张力降至15～16dyn/cm。这是因为氟碳表面活性剂中的氟碳链在水溶液表面形成排列整齐的单分子膜，就像在溶液表面铺了一层氟碳化合物，而氟碳化合物是典型的低表面能材料，如聚四氟乙烯表面能为19dyn/cm。
另外，氟碳表面活性剂还具有极高的稳定性。这是因为一方面氟—碳键（F—C）键能高，很难被破坏；另一方面氟原子对碳—碳键（C—C）具有屏敝效应。氟原子的半径比氢原子大，可有效地将全氟化的碳—碳键（C—C）屏敝保护起来，减少碳—碳键（C—C）被破坏的可能，但同时氟原子半径又没有大到足以在全氟碳链中引起立体张力的程度，因此使氟碳链更加稳定。这种稳定性具体表现在以下三个方面：
1、 热稳定性高。全氟磺酸盐能在350～400℃不发生分解，全氟羧酸在400℃环境下能稳定存在，全氟羧酸盐也能应用在250℃的高温体系中；
2、 化学稳定性好。氟碳表面活性可在强酸、强碱、强氧化介质等特殊应用体系中稳定有效地发挥其表面活性剂作用，不会与体系发生反应或分解。如全氟磺酸盐在含氧化铬（10G/L）的98%硫酸溶液中于90℃温度下存放28天其性能不发生任何变化；
3、 相容性好。高的化学稳定性就意味着高的化学惰性，氟碳表面活性剂能与其它各类活性剂很好地相容，并可应用于几乎所有配方体系。
实际上氟碳表面活性剂分子中其它基团的稳定性往往比氟碳链差，在总体上降低了氟碳表面活性剂的稳定性。换句话，氟碳表面活性剂的稳定性取决于其所含非氟基团（如亲水基）的稳定性。

综上所述，氟碳表面活性剂具有以下其它非氟表面活性剂不可能具备的特性：
1、 在非常低的浓度下（50～100ppm）可将水溶液表面张力降到很低水平（18～20dyn/cm）；
2、 高的热力学和化学稳定性，可用于高温、强酸、强碱、强氧化介质等体系；
3、 极好的相容性，可广泛用于各种PH值范围、各类水性、溶剂型、粉末或辐射固化体系，并能与体系中其它表面活性剂和组份很好地相容。

技术指标

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应用范围水剂型和溶剂型涂料的流平剂、颜料分散剂、乳化剂。广泛应用于涂料、油墨、地板蜡、农药、电子清洗、电镀处理剂等产品。

在造纸中的应用在造纸工业中，氟表面活性剂主要用作纸张涂布助剂和防水防油剂。3

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对纸和纸板的质量提出了更高的要求。通过纸张涂布加工，可提高纸张的许多表面性能，如适印性、防锈防蚀性、防水防油性、抗静电性、高强性以及照相显影、记录模写、导电和装饰等性能。涂布纸可分为颜料涂布纸、树脂涂布纸和特种涂布纸等，其中颜料涂布纸是将颜料、胶粘剂和助剂配料经涂布机涂布于纸张表面而制得的加工纸。氟表面活性剂在纸张涂料调制及涂布过程中有着重要的应用价值。

分散剂

为了防止涂料发生絮凝和 沉降现象，并使涂料粘度保持尽 可能低，从而获得良好的流动性 和涂布适应性，必须使用表面活 性剂作为分散剂。为了提高涂布 机车速和节能，需使用高固含量 的涂料。氟表面活性剂作为性能 优异的表面活性剂，用量极少， 效果极佳，因而是较理想的涂料 分散剂。

消泡剂

纸张涂料制成之后，在经过泵、筛和涂布的过程中，往往会产生泡沫，使涂布面产生针孔、斑点及“鱼眼”现象，从而降低了纸张的质量，因此必须加入表面活性剂作为消泡剂。氟表面活性剂可使表面张力降得极低，消泡作用极佳。

润滑剂

涂布过程中涂布机的辊与纸面之间存在摩擦力，易产生“糊头”现象，因此需加入表面活性剂作为润滑剂。氟表面活性剂因为分子间力极小，所以是作为润滑剂的理想材料。

用氟表面活性剂对纸张进行防水防油处理的方式一般有3种：一为外添加型，即将含有氟表面活性剂的防水防油剂直接涂敷于纸张表面；二为内添加型，即将氟表面活性剂在制浆时加入，再加工成型；三是加在纸张涂料，即在对纸张上色处理前，将氟表面活性剂加在涂料中，与涂料一起施于纸张表面，借涂料中粘合剂的作用与纸张较牢固地结合。使用这 ’ 种方法，均可在纸张表面形成一层氟烷基向外定向排列的憎水憎油层而起到防水防油的效果，并可使纸张保持原有的孔隙度、柔韧性、透气性、外观及湿强度，4这是在纸的表面覆塑聚乙烯薄膜所不能比拟的。