氟表面活性剂的工业应用

氟表面活性剂的工业应用

王 涛，李 峰

(轻工业杭州机电设计研究院．浙江 杭州 310004)

摘要：介绍了氟表面活性剂的分类、结构及性质；主要综述了由于氟表面活性剂具有“三高”、“两憎”的独特性能，广泛应用于消防、皮革、石油、造纸、纺织印染及金属材料加工等工业领域，起到普通碳氢表面活性剂所不能的作用；指出了根据应用领域的不同，应从分子结构设计人手，有针对性地、有目的地研发氟表面活性剂新品种新工艺，拓展应用领域，注重氟表面活性剂与普通表面活性剂的复配研究。

关键词：氟表面活性剂；特性；应用

中图分类号：Tql423．4 文献标识码：A

文章编号：100l一1803(2011)04—0285一04

分子中碳氢链的氢原子全部或部分被氟原子取代的表面活性剂称为氟表面活性剂。20世纪50年代初由美国3M公司首先研制成功碳氟表面活性剂，并在随后几年推出商品名为“scotchguard”的防水、防油、防污的氟处理剂。十几年后中国、西欧各国、日本等也相继研发出了此类表面活性剂，并有工业化生产⋯。由于氟表面活性剂具有“三高”(高表面活性、高耐热稳定性以及高化学稳定性)、“两憎”(既憎水又憎油)的独特性能，使其在许多要求特殊的领域里有着普通碳氢表面活性剂所不可替代的作用，可广泛应用于消防、皮革、造纸、纺织、石油、油墨、涂料、胶粘剂、机械、冶金、燃料、感光、建筑、家庭用品等领域。

1分类、结构与特性

氟表面活性剂的分类同碳氢表面活性剂一样，按亲水基类型的不同，可分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性离子型4类呤J。阴离子类主要有羧酸盐型(毋一COO—M+)、磺酸盐型(墨一s03一M+)、硫酸酯盐型(毋一OSO，一肘+)和磷酸酯盐型[研一OP(O)O：“舻+]，忍为氟碳疏水基；阳离子类主要有胺盐型和季铵盐型，亲水基既可以是季铵离子或吡啶阳离子，也可以是胺基，憎水基部分除含氟烃基结构外，往往还含有烃基、酰胺基和磺酰基等，其中氟烃基大部分是有6一10个碳原子的直链烃基结构；非离子类主要是聚乙二醇型；两性离子类其亲水基部分同时含有碱性阳离子和酸性阴离子。氟表面活性剂无论哪一种类型，由于它们的结构独特，都具有“三高”的特性”]。在溶液中氟表面活性剂的质量分数为0．01％一O．05％时，就可使水的表面张力下降至20 mN／m以下，显示出了高表面活性的特点；在强酸、强碱、强氧化剂存在的条件下不分解，使用温度可达260℃以上，固态的全氟烷基磺酸钾加热到420℃以上才开始分解，表明其具有高化学稳定性和高热稳定性的特点。

表l中简要概括了氟表面活性剂的主要性质与用途的关系M J。

2 工业应用

氟表面活性剂独特优良的物化性能成就了其传统碳氢表面活性剂所不能的作用与用途，可广泛应用于各工业领域，并能起到降低溶液表面张力、拒油拒水、抗静电、乳化、分散、润湿、渗透等等的作用。

2．1在消防领域

在石化工业领域，常用的消防泡沫灭火剂是蛋白泡沫灭火剂和水成膜泡沫灭火剂(也叫“轻水”泡沫灭火剂)。

普通的蛋白泡沫灭火剂由于其稳定性与流动性较差，难以迅速覆盖火源，灭火效果较差，特别是对油类火灾的灭火效果更差，且耐复燃性不好。在普通蛋白泡沫灭火剂中加人质量分数为0．005％一0．05％氟表面活性剂后，即可制成氟蛋白泡沫灭火剂。由于氟表面活性剂的加入，降低了蛋白泡沫体系的表面张力和泡沫在液面上流动的剪切力，提高了泡沫的流动性，其灭火速度比普通蛋白泡沫灭火剂可提高3—4倍∞J。

氟蛋白泡沫灭火剂已经被广泛应用于油库、炼油厂、加油站等处，可以扑灭原油、汽油、柴油等油类火灾，并且可以与干粉灭火剂同时使用。

水成膜泡沫灭火剂具有形成泡沫和在油面上形成水膜的双重灭火作用，灭火速度快、效力高、封闭性能好。要使泡沫液在油面上铺展成膜，必须满足以下条件：即泡沫液必须铺展系数大于0以及表面张力一般在20 mN／m以下，常用的含氟表面活性剂一般为两性离子型和阴离子型，也有非离子型和某些阳离子型‘6—7|。

2．2在皮革工业

由于氟表面活性剂具有“三高”、“两憎”的独特性能，可作为防水防油、润湿、乳化、分散、匀染等助剂广泛应用于皮革的加工及涂饰工艺中。

含氟防水防油剂可降低皮革表面张力、使皮革表面纤维和内部结构改变，从而达到防水、防油、防污的目的，使皮革不仅保持自身的天然特性，而且具有良好的透气性及柔软的手感。氟表面活性剂对颜料的分散和溶解性非常好，并且有着较低的发泡性。皮革在染色过程中加入氟表面活性剂，表现出更好的渗透性、分散性、缓染性和移染性，能提高颜料、涂料的分散性和载色体的均匀性，可防止颜料结块，达到匀染和助染的目的，使皮革颜色更加鲜艳、美丽、逼真，从而提高皮革的使用价值与经济价值怫J。在皮革涂饰剂乳液的制备过程中，加入氟表面活性剂用作高效乳化剂，与碳氢表面活性剂相比，其用量少而且可有效地防止水性分散体系粒子的胶凝和沉淀。含氟表面活性剂具有优异的化学稳定性、耐热性、电绝缘性、自润滑性、耐大气老化等功能和特点，可以改善皮革涂饰剂的性能，提高其耐水、耐有机溶剂的性能旧j。

2．3在石油工业

油田化学品包括钻井用化学品、采油化学品和集输用化学品，表面活性剂作为主要成分之一被广泛应用于各种类型的油田化学品中，表面活性剂的加入可提高效率。但在一些特殊的场合，碳氢表面活性剂不能很好地满足使用要求，而使用氟表面活性剂则可起到意想不到的效果。碳氢表面活性剂与碳氟表面活性剂复配使用，既可弥补单独使用碳氟表面活性剂成本高的缺点，又能达到实际使用要求。

钻井领域所使用的降滤失剂及助排剂要求必须耐高温和耐酸耐碱，氟表面活性剂具有高热稳定性和高化学稳定性，可以作为主表面活性剂加入降滤失剂及助排剂配方中，起到降低泥饼中的自由水向地层渗透而避免钻井事故以及降低酸／油界面张力、减小地层汇总液体的毛细管滞留作用、加速乏酸的返排、改变地层润湿性、悬浮不溶性微粒、预防淤渣形成的作用^[3]。

在三次采油中使用氟表面活性剂，能提高和改善地层岩石的润湿性、渗透性、扩散性以及原油的流动性，可以进一步提高驱油效率。质量分数为0．1％一2％的一种或几种非离子氟碳表面活性剂的醇一水溶液可作化学驱油剂^[10]。

2．4在造纸工业

对纸张进行涂布加工，可提高纸张的适印性、防锈防蚀性、防水防油性、抗静电性、强度等许多表面性能。氟表面活性剂在纸张涂料调制中：可作分散剂，赋予纸张涂料良好的流动性和涂布适应性，并提高成膜物质与颜料的混合性；可作消泡剂，对纸张涂料的消泡起到比一般消泡剂更好的效果；可作润滑剂，利用含氟表面活性剂的润滑、抗静电等优异性能，作为纸张涂料润滑剂是较理想的材料^[11l。在纸张的防水防油整理剂中使用氟表面活性剂，可增强纸张的耐水、耐油和耐污染的性能，特别适用于食品包装纸、快餐包装盒及耐油容器包装等纸张的表面处理。

2．5在纺织印染工业

纺织印染工业已成为氟表面活性剂最大的应用领域之一，目前氟系列表面活性剂被广泛应用于防油剂、易去污整理剂、防水防油整理剂、柔软剂等织物整理剂中^[12]。含氟织物整理剂具有很高的稳定性，在强酸、强碱、高温和高辐射等环境下，都表现出很高的稳定性。含氟织物整理剂还具有低浓度、高效果的特点，使处理过的织物保持良好的手感、优异的透气性和透湿性。经含氟织物整理剂整理过的织物显示出一般碳氢或硅树脂整理所达不到的特性引^[13]。

随着人们生活水平的日益提高，要求织物应具备多功能性，在具有防水、防油、防静电、防污等整理功能的同时还应具有防火、防霉、防蛀、耐摩擦等一系列优良性能。今后对含氟整理剂的研发应朝着多功能化、低成本、使用条件简单方便等方向发展。

2．6在金属材料加工领域

在金属材料的加工过程中应用氟表面活性剂可收到很好的效果^[14l。①加工前进行表面清洁处理时，在酸洗液中加入少量氟表面活性剂，可使除锈速度快、金属表面平整性好，能提高清洗效果。②在对金属表面进行浸蚀处理或光亮处理时，加入氟表面活性剂，可改善金属表面的润湿性能，提高金属表面光洁度等，并能缩短处理时间。③在金属后加工中进行表面处理时，加入氟表面活性剂作金属防腐防污处理剂，可使金属表面具有防腐、防水、防油、防污的效果。如在不锈钢、专论与综述铝材等处理剂中加入质量分数为0．01％的氟表面活性剂，可大大提高材料的防腐蚀效果；又如铝板在用含氟烷基磷酸酯的防污处理剂处理后，不仅防污，而且可使水分在其表面减少80％左右的吸附量。④在用于清洗机械的金属零件和精密零件的清洗剂中加入少量氟表面活性剂，能更好地起到润湿、渗透、乳化、分散等作用，对零件无腐蚀。⑤在电镀液添加剂如铬雾抑制剂中加入氟表面活性剂，能明显提高镀铬质量，提高镀层强度，还能抑制铬雾的产生，减少环境污染，保护操作人员的身体健康。这主要是由于氟表面活性剂的加入能大大降低镀液的表面张力，并在液面形成连续致密的细小泡沫层，能有效阻止铬雾的逸出^[15]。

2．7在其他领域

氟表面活性剂应用领域十分广泛，除上面介绍以外，还可用于以下领域，其应用效果是普通表面活性剂无法媲美的。

氟表面活性剂应用于涂料中，在很低的浓度下能够改善许多涂料、清漆和胶粘剂的性能，如氟表面活性剂能够湿著改善涂料的流平性而得到更均匀的涂膜。

在橡胶及塑料工业中，氟表面活性剂主要用作脱模剂、表面改性剂和抗静电剂。在脱模剂配方中加入氟表面活性剂，不仅对热塑料高聚物有良好的脱模性，同时对热同性的高聚物及含硅类橡胶的弹性体都具有优良的脱模性，并对脱模后的工件无污染现象，可直接进行二次加工如印刷、涂漆等，且使用一次即可多次脱模。目前含氟高效脱模剂已在塑料、橡胶等加工行业中得到用户的高度评价。

在油墨用流平剂中加入氟表面活性剂可降低其表面张力，提高润湿性，并防止产生气泡且使色泽更均匀；把氟表面活性剂加入地板蜡中，可改善地板的光泽，增加其耐磨性及抗污染性；在农业生产中可用作除草剂、杀虫剂、灭菌剂等；在航空航天工业中用于密封和固体推动剂的助剂；在医药方面还用作人工血液替代品，还可用于生物膜模拟¨叫；在食品工业中可更广泛地应用于快餐、糖果、乳制品、火腿、腊肉、面包和油炸食品的包装的氟防水防油处理剂中；在有机高分子氟材料的合成中用作乳化剂；可应用于玻璃、塑料薄膜等的防雾剂中；也可应用于文物保护等方面。

3结束语

氟表面活性剂的应用非常广泛，几乎涉及工业领域的方方面面。目前，对于氟表面活性剂新品种的研发、相关的基础与应用研究也越来越深入。在新品种的开发方面，对含氟表面活性剂中碳氟链进行化学修饰使其具有更多的特殊功能^[17]，这项工作也有了较大进展。与碳氢链锯齿型构型相反，碳氟链具有刚性构型。有人将醚键引入碳氟链，使碳氟链具有更好的柔顺性及水溶性，而杂原子的引入更使碳氟链多功能化[2]。但是，我国对于此类表面活性剂无论从基础理论研究还是应用研究都相对较薄弱，其制造难度和成本都较高。加大研发力度，找到适合工业化大生产的新品种新工艺，降低成本，进一步扩大其应用范围等，将成为今后发展的重要方向。在新品种新工艺的研发上，可从改变原料入手，充分利用一些天然可再生资源，如淀粉、天然脂肪醇等。随着科学技术的进步，要从分子结构设计人手，根据应用领域的不同，研制出更具特殊性质和功能的新品种，使其水溶液具有特殊的相行为和流变性。在应用研究方面，不仅要扩展其应用领域，更要加大其复配性能的研究。随着社会经济以及高新技术的发展，能源、新型材料、生命科学、生物、微电子技术、宇航等领域将具有广阔的应用前景。