氟碳表面活性剂

氟碳表面活性剂可以是阴离子、阳离子、两性或非离子表面活性剂，一般是混合型的。
有关氟碳表面活性剂的研究，从20世纪50年代初就已开始，在50年代后半期，美国农业部南部研究所发表了纤维用防油剂。进入60年代以疏水剂及疏油剂为中心的各种氟碳型表面活性剂得到迅速发展。
氟碳表面活性剂，系由一般氢碳型表面活性剂分子中烷基的氢原子被氟原子置换而成，即由氟碳链代替通常的疏水基氢碳链。如果烷基中的氢全被氟原子置换者，称为全氟烷基。全氟烷基的氟原子和碳原子的键合能力强(4.86×105J/mol)，它赋予氟碳表面活性剂以各种特殊性能，由于氟原子的屏蔽作用，使氟碳型表面活性剂的碳—碳键的稳定性更加提高，因此，更具有耐化学药品性及热稳定性。其水溶液的表面张力非常低，为(15～20)×10-6N/cm。其所具有的疏水性和疏油性是其他表面活性剂所不及的。低的表面张力意味着做较少的功就能使表面展开，容易形成薄膜，即极容易形成泡沫。此外，由于液面膜的迅速扩展，可以大幅度抑制易挥发液体的挥发。随着氟碳链长度的增加，其表面活性增加。碳氢链表面活性剂当其碳原子数在12个以上时，方显出较好的活性；而氟碳表面活性剂，当其碳原子数达到6时，就呈现出较好的活性，一般以碳原子数为8～12时为最佳。
本信息由Chemicalbook晓楠编辑（2015-08-24）。 氟碳型表面活性剂的主要用途有：表面活性剂因具有良好的表面张力降低能力、耐热、耐化学品性，可用作油品的灭火剂，例如在汽油中只添加0.003%，进行通常燃点试验，可以起到不燃的效果；还可用作镀铬时电镀浴的添加剂(防止铬酸雾的产生)；含氟烯烃乳液聚合时的乳化剂、颜料分散剂、塑料及橡胶等表面改性剂、金属表面洗涤剂、纤维和纸张等的疏水剂、疏油剂及防垢剂等。
1、氟碳阳离子表面活性剂有很高的表面活性，化学性质稳定。有良好的润湿、铺展、匀染、缓蚀作用，用做铺展剂、匀染剂、 润湿剂、油类封布、缓蚀剂、金属抛光助剂、 照相显影、泄漏检测液等。
2、氟碳阴离子表面活性剂有湿润、乳化、起泡、扩散性能。化学性能稳定。可用做润湿剂、铺展剂、乳化分散剂。用于原油的封存，可降低油的蒸发损耗，也用于消防。
3、全氟烷基磺酸盐型氟碳表面活性剂有很高的表面活性，最低表面张力可达20mN/m，有润湿、发泡、洗涤、分散作用。可用做制造半导体器件的刻蚀溶液中的润湿剂，电镀浴剂，金属和塑料蚀刻剂，酸洗和浸清浴，碱性洗净系统等。
4、两性离子氟碳表面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，如美国杜邦Zonyl FSK，可广泛应用于水、酸、碱及有机极性溶剂中以有效降低体系表面张力。在0～100℃的不同浓度水溶液中，FSK均可保持性能稳定。如果以活性成份0.1%用量计，FSK就可有效润湿Teflon氟碳膜。即使其中的溶剂醋酸被中和，也不会对FSK的性能产生影响，故可应用于碱性溶液。另外，与其它普通表面活性剂不同，FSK还不受酸、盐等高浓度电解质的影响。根据不同应用体系，Zonyl FSK的用量一般在0.01～0.2%。FSK用于发泡剂、碱性清洗剂及洗发液尤为合适。

图1为美国杜邦Zonyl FSK两性离子氟碳表面活性剂。 关于制造方法，氟代烷基的制造方法有：(1) 电解氟化法(美国3M公司)；(2)调聚反应法 (美国杜邦公司、日本旭硝子公司、日本大金工业公司)；(3)齐聚法(英国ICI公司、日本雀巢公司)。
①电解氟化法(美国3M公司)。将有机化合物溶解在无机氢氟酸中，在低电压(通常 5～6V)下电解，生成全氟化合物，以此为母体可制成各种表面活性剂。该法原料为烃类化合物及无水氢氟酸，价均较廉。其产品为—C8F17、 —C7F15居多。这种方法是Simons首先开发的。 碳氢化合物在阳极被氟化为全氟物。由于C—F键的结合能较大，因而往往出现大量的C—C键 断裂的副反应，副产物多，全氟化合物收率低。
（1）C7H15COCl+16HF→C7F15COF+HCl （2）C8H17SO2Cl+18HF→C8F17SO2F+HCl。
②调聚法。该法是Hasgeldine首先提出的。四氟乙烯等在氟碘烷等(CH3I、C2F5I)调聚剂的存在下，发生自由基聚合，生成线型调聚物中间体，此调聚物中间体是不同链长的混合物，根据需要将其分离。再向其中的碘原子引入亲水基，就制成表面活性剂。这种方法比电解氟化法副产物少，收率高；但难以制得长链调聚物，且设备规模较大。利用调聚反应可以制得阴离子、阳离子、两性离子及非离子氟碳型表面活性剂。
（1）CF2＝CF2+C2F5I→CF3CF2CF2CF2I
（2）CF3CF2CF2CF2I+SO2Cl2→CF3(CF2)3SO2Cl
（3）CF3(CF2)3SO2Cl+HF→CF3(CF2)3SO2F
③齐聚法。又称离子齐聚法。将四氟乙烯或六氟丙烯，在氟阴离子存在下，进行阴离子聚合，则生成C6～C14的齐聚物。在这种齐聚物的双键部位引入亲水基，即制成表面活性剂。这种方法的特点是采用比较廉价的单体，可定量地制得产品，而且容易引入亲水基。缺点是全氟烷基是侧链的，与直链的相比，表面活性稍差。 杜邦氟碳表面活性剂是由美国杜邦公司生产的氟碳表面活性剂，与普通表面活性剂相比（如碳氢类或有机硅类），氟碳表面活性剂的基本特点是高效稳定。它在很低应用浓度下（0.01～0.1%）便能显著降低体系表面张力（至18dyn/cm），大大提高配方的润湿性、流平性，可有效润湿、分散低表面能物质（如聚四氟乙烯）。同时又具有极好的热力学和化学稳定性，能应用于强酸、强碱、强氧化介质和250℃以上的高温体系，这些都是普通表面活性剂无法比拟的。由于性质稳定用量少，故一般不会对配方总体性能及稳定性产生影响，并可与各类其它普通表面活性剂相容。
杜邦Zonyl FSP是水溶性磷酸盐类阴离子型氟碳表面活性剂。它能有效降低水性体系的表面张力，显著提高水性溶液对固/气和固/液界面的润湿性能。这种出色的润湿能力使FSP能广泛应用于头发及个人护理产品、地板蜡、油漆涂料、粘合剂、金属防护剂及采矿选矿等行业。该产品发泡性能差，实际上在很多场合下被用作消泡剂。由于含磷酸基团，故不宜应用在含有多价阳离子的硬水体系。
杜邦Zonyl FSO-100非离子型是氟碳表面活性剂，具有强烈表面活性，即使在10ppm浓度下，也能有效降低水溶液的表面张力，主要应用领域如下：
1、油墨：能与油墨中的颜料相容，可提高印刷设备中金属柱体的寿命及改善印刷效果。
2、油漆、涂料：提高体系的抗污、防雾、抗紫外线性能，能与大多数水性/溶剂型配方相容。
3、聚合物：抗污、防雾、抗紫外线，提高内部润滑性，可作填料的偶合剂，并能防止增塑剂在体系内迁移；粘合剂：用于体系改性，增强润湿能力，能与大多数水性/溶剂型配方相容。
4、蜡、上光剂：提高润湿、流平性，减少缩孔现象，能与大多数水性/溶剂型配方相容。
5、金属/电子：能提高蚀刻效果，并可作电镀助剂及锌电池氧化抑制剂。
6、填缝剂/腻子：提高抗污、抗紫外线能力，消除硅油渗漏，增强户外耐候性，能与大多数水性/溶剂型配方相容。 用于轻水泡沫灭火剂、油墨添加剂、粘结剂材料、化学电镀液添加剂