摘要

基于三种接枝不同亲水基团的甜菜碱短链氟碳表面活性剂（C4F9SO2NH（CH2）3N+（CH3）2CH2COO-，C4-Ac；C4F9SO2NH（CH2）3N+（CH3）2CH2CH2SO3-，C4-sa；C4F9SO2NH（CH2）3N+（CH3）2CH2CH2PO（OH）O-，C4-pa），研究了不同温度（0~40℃）对表面活性剂的表面活性、铺展能力和发泡性能等各项理化性能参数的影响。结果表明，随着温度的提升，各氟碳表面活性剂的临界胶束浓度（cmc）略有增大，最低表面张力（γcmc）有所减小，其中C4-sa溶液的表面活性相对更优，其cmc可低至2.21 mmol/L，γcmc最低为16.28 mN/m。温度对各表面活性剂的铺展能力存在一定的影响，其趋势为先增大后趋于基本不变，且C4-sa的铺展能力最优，与表面张力大小趋势一致。发泡倍数随温度的升高而增大，直至20℃后增加不明显。低温时三种表面活性剂的发泡性能均有所欠缺，但温度略有升高时则性能有所提升，在相同温度下，C4-sa的发泡倍数最高可以达到6.9倍。总体结果表明，温度对甜菜碱短链氟碳表面活性剂的理化性能有一定的影响，低温下影响尤其显著，为该系列表面活性剂在不同温度环境下的应用提供了理论依据。

氟碳表面活性剂具有良好的化学稳定性、疏水疏油性和热稳定性等特性。由于这些特性，氟碳表面活性剂被广泛应用于消防、化工、矿物加工、皮革等各个领域。尤其是在消防灭火救援方面，水成膜泡沫灭火剂（AFFF）中最重要的一类化合物即为氟碳表面活性剂，在机场消防的应用中，AFFF是国际民用航空组织指定用于扑灭航空燃油火灾的灭火剂。这正是由于氟碳表面活性剂将灭火剂水溶液的表面张力降低，覆盖油面隔绝空气的同时又能够起到降温的作用。然而，传统AFFF通常以全氟辛烷磺酸盐及其相关化合物为中间体来制备，这些表面活性剂因其长链的氟碳成分而表现出卓越的表面活性，但此类化合物在自然环境中的降解能力十分有限，常规饮用水和废水的处理过程中不易脱除。由于此类化合物其毒性和生物富集性而引起的一系列严重的环境保护和人体健康安全问题备受关注。因此，寻求长碳链氟碳表面活性剂的有效替代物是一个迫切需要解决的问题。

研究表明，与长碳氟链的化合物相比，短链全氟烷基磺酸盐具有更低的生物富集潜力和更小的急性毒性。关于缩短碳氟链后其性能参数是否受到显著影响，国内外研究人员开展了一系列工作。张汉飞制备了含4个氟碳的表面活性剂，具有良好的表面活性，与碳氢表面活性剂复配可进一步降低表面张力。杨百勤等合成了一种基于全氟丁基的阳离子氟碳表面活性剂，表面张力为19.8 mN/m，临界胶束浓度为36.4 mmol/L，在强酸性环境中具有更高的表面活性。两性表面活性剂具有耐酸碱性和优良的泡沫性能，孙道德等制备了一种羧基甜菜碱型氟碳表面活性剂，测得最低表面张力为18.53 mN/m，泡沫具有抗盐性能和耐油性能。国内外已广泛应用的商用表面活性剂产品（Forafac 1157和Forafac 1183）即基于6个氟碳调聚物的氟表面活性剂。Wang等制备了一种新型咪唑类短碳链氟碳表面活性剂，测定其最低表面张力为17.81 mN/m，临界胶束浓度为6.29 mmol/L。由此可见，短碳氟链的表面活性剂有望作为PFOS的替代品进行应用。

然而不同温度对表面活性剂的性能可能有一定程度的影响。尤其是机场消防领域，由于我国机场分布较广，消防车灭火需要就近取水，各机场在冬季和夏季的消防用水水源温度差异较大（一般在0~40℃）。在低温下氟碳表面活性剂的性能可能会受到影响，进而影响AFFF的灭火性能。我国国标中也仅对泡沫在室温下的性能指标有所要求，并未严格考虑温度的影响。因此，将温度作为影响因素进行研究，能够指导表面活性剂的有效应用。本文在温度为0~40℃的范围下，研究三种接枝不同亲水基团的基于短碳氟链的甜菜碱型两性氟表面活性剂的一系列理化性质，为此类表面活性剂在不同温度环境下的应用提供理论依据。