琥珀酸酯磺酸鹽的制備及性能

李伏益 ，葛 贊 ，史立文 ，毛雪彬 ，雷小英 ，鐘 凱

（1.贊宇科技集團股份有限公司，浙江 杭州 311300；2.浙江省贊宇表面活性劑重點企業研究院，浙江 杭州 311300）

琥珀酸酯磺酸鹽是一種具有兩親結構，有高乳化性、潤濕性和增溶性的多功能可降解的陰離子表面活性劑，廣泛應用于日用化學、皮革加脂、紡織、食品等領域。由于琥珀酸酯磺酸鹽類產品對皮膚具有溫和性，適宜于在日用化學品行業使用，這些優點引起了人們的重視。以琥珀酸二異辛酯磺酸鈉（AOT）為代表的陰離子表面活性劑在反膠束體系形成和納米材料自組裝方面有著舉足輕重的地位［1-3］，由于其乳化性能較好，在形成微乳液過程中甚至不需要加入助表面活性劑。該類表面活性劑所形成的反膠束體系，在蛋白質的分離提純和制備納米材料［4］等方面應用越來越廣泛，該系列表面活性劑的應用和研究開發進入了一個快速發展的時期［5］。

近幾十年來，琥珀酸酯磺酸鹽類表面活性劑的開發和應用在我國得到迅速發展，但產品的種類和數量仍不及國外，且系列產品開發不夠，某些特殊用途的產品開發不足，不能適應不同領域需要。因此，制備以及研究琥珀酸酯磺酸鹽類表面活性劑結構與性能特點，對指導我們開發結構新穎的表面活性劑具有重要的理論和實際指導意義。

本研究采用月桂酸、聚乙二醇和亞硫酸鈉制備琥珀酸酯磺酸鹽，采用傅里葉紅外光譜儀、泡沫儀、表面張力儀、接觸角儀、激光粒度儀表征產物結構與性能，并將產物應用于皮革加脂上，考察其加脂應用性能。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

月桂酸，工業級，杭州油脂化工有限公司；聚乙二醇-400（PEG400），分析純，阿拉??；順丁烯二酸酐、亞硫酸鈉、對甲苯磺酸，分析純，上海凌峰化學試劑有限公司；氫氧化鈉，分析純，永華化學科技（江蘇）有限公司；金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、大腸桿菌（Escherichia coli）、黑曲霉（Aspergillus niger）、酵母菌（Saccharomyces cerevisiae），浙江公正檢測中心有限公司。

DF-101S恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；K100表面張力儀、DSA100光學接觸角測量儀，德國Krüss公司；Frontier 8 optima 8000紅外光譜儀，美國PerkinElmer公司；MJD-φ300臺式有機玻璃控溫試驗轉鼓，錫山市東北塘礦山皮革機械廠；JSM6380LV掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社；21GKC恒溫水浴槽，上海蘇達實驗儀器有限公司；R-2000動態泡沫測試儀，德國Sita公司；ZHJHC1112C超凈工作臺，上海智成分析儀器制造有限公司；ZWY-2102恒溫培養振蕩器，上海智成分析儀器制造有限公司。

1.2 聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽的制備

向裝有磁力攪拌器的250 mL三口燒瓶中加入30 g月桂酸、65.88 g PEG400，再加入0.50 g對甲苯磺酸作為催化劑，在120 ℃真空條件下進行酯化反應3.5 h，月桂酸轉化率100%，產物 中單酯、雙酯、PEG400摩爾比為3.7∶1.0∶2.6；再向產物中加入7.64 g順丁烯二酸酐，用高效液相色譜法測定順丁烯二酸酐的轉化率，向生成的聚乙二醇琥珀酸酯中緩慢加入32.75 g亞硫酸鈉溶液（30%），滴加時間約為30 min，磺化生成聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽（以下簡稱琥珀酸酯磺酸鹽）。具體合成路線如下：

1.3 結構表征與性能測定

1.3.1 紅外表征

將制得的產物置于55～60 ℃的恒溫干燥箱內烘干4～5 h，取出放入干燥器內冷卻30 min，然后將樣品滴在KBr鹽片上，置于FT-IR紅外光譜儀中測定，在4 000～400 cm-1范圍內掃描。

1.3.2 表面張力和臨界膠束濃度的測定

配制不同活性物濃度的溶液，在25 ℃下用K100全自動表面張力儀測定表面張力和臨界膠束濃度。

1.3.3 發泡力的測定

用150 mg/kg的硬水配制樣品含量為0.02%的溶液，用自動泡沫儀測定樣品溶液的發泡力及泡沫衰減曲線。

1.3.4 接觸角的測定

用250 mg/kg硬水配制0.1%活性 物含量的溶液，用DSA100光學接觸角測量儀分別測定每種溶液的接觸角。將液滴滴于光滑的光盤上，在氣、液、固三相交點處所作的氣/液界面的切線穿過液體與固/液交界線之間的夾角即為接觸角。

1.3.5 乳液粒徑的測定

用激光粒度儀測定產物的1∶9稀釋液粒徑的大小和分布。

1.3.6 抗菌性能測定

由于霉菌、酵母菌、大腸桿菌、金色葡萄球菌、銅綠假單胞菌是皮革中常見的菌種，具有代表性，因此本實驗選擇霉菌、酵母菌、大腸桿菌、金色葡萄球菌、銅綠假單胞菌為測試對象。采用抗菌標準GB/T 20944.1—2007中暈圈法對試樣進行抗菌性能測試，抑菌圈的大小可以表明該產品抗菌效果。最小抑菌濃度用瓊脂稀釋法［6］測定。

1.4 應用性能測定

1.4.1 加脂劑在皮上的應用試驗

皮革加脂工藝（選用羊皮藍濕革進行加脂試驗，稱重，按其重量的150%計重）：向轉鼓中加入為皮革重量150%的水，于溫度35 ℃下，分次加入1%的小蘇打，在轉鼓中轉動90 min，調節pH=6.0，并檢查切口是否全透，排水；再向轉鼓中于50 ℃下加入150%重量的水，加入10%的加脂劑，轉鼓轉動60 min，加入1%甲酸（稀釋10倍，分3次加入），轉鼓轉動90 min，調節pH=3.8，皮革出鼓。

1.4.2 掃描電鏡

將合成的聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽加脂后的革樣進行干燥切片，然后置于樣品臺上噴金。采用日本電子株式會社的JSM6380LV型掃描電子顯微鏡檢測并進行能譜分析。

1.4.3 皮革抗張強度和斷裂伸長率的測定

在皮革取樣機上按要求取6個樣，測定每個試樣的厚度，于溫度為（20±2） ℃、相對濕度為65%±2%的條件下空氣調節48 h，測定其物理機械性能。在拉伸試驗機上測定其抗張強度及斷裂伸長率，將皮樣裝于拉伸試驗機上，開動機器至試樣一端拉斷為止。

2 結果與討論

2.1 聚乙二醇脂肪酸酯紅外光譜分析

圖1是聚乙二醇、月桂酸、聚乙二醇脂肪酸酯、聚乙二醇月桂酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽的紅外光譜圖。由圖1可知，圖1a中3 445 cm-1處寬峰為-OH伸縮振動吸收峰，圖1b中1 701 cm-1處為脂肪酸上羧基中C=O的伸縮振動吸收峰。PEG400與月桂酸酯化反應后，圖1c中由于羥基和羰基形成氫鍵，羥基對應的吸收峰發生輕微的藍移，變為3 440 cm-1；1 701 cm-1處脂肪酸上羧基中C=O伸縮振動吸收峰減少，在1 105和1 023 cm-1處新增了脂肪醚C-O伸縮振動吸收峰，這都說明聚乙二醇-400與月桂酸發生了酯化反應，在月桂酸分子結構上引入了羥基。圖1d中1 735和1 600 cm-1處為酯鍵中C=O伸縮振動吸收峰，1 383 cm-1處為S=O不對稱伸縮振動吸收峰，1 175和1 222 cm-1處為磺酸鹽中S=O對稱伸縮振動吸收峰，945 cm-1處為S-O伸縮振動吸收峰，這都說明目標產物中引入了磺酸基。

2.2 表面張力及臨界膠束濃度

測定不同濃度下聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽的表面張力作γ-logc圖如圖2所示。由圖2可以看出，聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽的臨界膠束濃度（cmc）為8.59×10-4mol/L，其表面張力γcmc為29.8 mN/m。表明聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽的表面張力較低，是一種性能優良的陰離子表面活性劑。

2.3 泡沫性能

用R-2000型動態泡沫測試儀測定樣品的發泡高度和泡沫衰減曲線。儀器參數設定為：溫度25 ℃，進液量250 mL，轉速1 000 r/min，攪拌次數40次，間隔10 s/次，衰減曲線測量時間15 min，測量間隔1 min，測試結果見圖3和4。

由圖3和4可知，樣品泡沫較豐富，穩定性較好，除了應用于皮革加脂領域，還可以用于洗發水、沐浴露等復配領域。

2.4 接觸角

接觸角是一種有效表征潤濕程度的參數，其角度越小潤濕性能越好，廣泛應用于研究乳液的潤濕鋪展性能，測試結果如圖5所示。實驗測得去離子水的接觸角為85.7°，在光盤上不會鋪展，潤濕性差，同類加脂劑接觸角為79.3°，聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽接觸角為63.1°。從圖5可以看出，聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽接觸角明顯比同類加脂劑接觸角小，表明其潤濕性能較好，其溶液是易于鋪展潤濕的。

2.5 乳液粒徑及穩定性

乳液加脂是皮革加脂工序最常用的方式，加脂劑的乳液在轉鼓中可以形成水包油型乳狀液，有利于加脂劑在革樣中的滲透。加脂劑乳液粒子大小和穩定性直接影響加脂效果：加脂劑乳液粒徑粗、穩定性差，則加脂劑在革樣中的滲透效果就差，革樣表面油膩；相反，復合加脂劑粒徑細、穩 定性好，則在革樣中的滲透效果好，加脂效果好。一般常規使用的加脂劑乳液粒徑為1～6 μm，有利于油脂在革內滲透和均勻結合［7］。因此，檢測所制備的加脂劑乳液的粒徑，可以間接表征加脂劑在革樣中的滲透和結合情況，乳液粒徑分布情況見圖6。由圖6可知，合成加脂劑的乳液粒徑為4.77 μm，易于加脂劑在皮革纖維間滲透，與皮革上基團的結合幾率也較大。

Zeta電位是表征O/W型乳液穩定性的一個重要參數，它的大小反映了油珠的帶電情況，反映了乳液穩定性。對于O/W型乳液，界面膜的強度和Zeta電位是影響其穩定性的兩個重要因素［8］。在界面膜強度相近和其他條件相同時，Zeta電位絕對值越大，乳液越穩定；反之，越不穩定。當顆粒Zeta電位絕對值小于30 mV時［9］，顆粒容易團聚。粒度分布系數（PDI）越大，說明粒徑范圍分布越廣；相反PDI越小，說明粒徑大小集中，范圍小。標準差（SD）能反映一個數據集的離散程度，標準偏差越小，這些值偏離平均值就越少，反之亦然，乳液Zeta電位見表1。由表1可知，合成加脂劑的Zeta電位為97.26 mV，乳液穩定，其PDI值比同類型加脂劑小，表明合成加脂劑的粒徑分布較集中；且2個樣品SD都較小，說明測試數據具有可靠性。

表 1 乳液Zeta電位Tab.1 Zeta potential of emulsion

2.6 抑菌性

將制備的產物做抗菌試驗，結果見表2。由表2可以看出，聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽對革蘭氏陽性細菌［10］和革蘭氏陰性細菌［11］均有抑制效果，且抑菌效果比同類商品加脂劑更加明顯，其中對銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌等革蘭氏陽性菌的抑菌效果要優于大腸桿菌革蘭氏陰性菌；對黑曲霉［12］和酵母菌［13］也有一定的抑菌效果。這是因為PEG中的每個重復單元都可以通過氫鍵結合3個水分子形成了有效阻擋細菌粘附的水合層，可以有效地抑制蛋白質和細菌的粘附［14］，同時協同了月桂酸的抗菌能力，從而改善了單一月桂酸的抗菌性能。已有研究［15-17］表明，月桂酸及其衍生物的抑菌機理是與脂溶性的細胞膜作用，穿透細胞膜后使細菌DNA、蛋白質等內容物外流。革蘭氏陽性菌的細胞壁主要由肽聚糖和磷壁酸組成，組分比較簡單，抑菌藥物容易穿過細胞壁與細胞膜結合；革蘭氏陰性菌的細胞壁主要由薄肽聚糖層、脂蛋白層、磷脂層和脂多糖層組成，組分比較復雜，抑菌藥物不容易穿過細胞壁，所以對大腸桿菌的抑菌效果較差些。

表 2 聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽的抑菌性Tab.2 An tibacterial activity of PEG fatty acid ester sulfosuccinate disodium salt

2.7 最小抑菌濃度

分別以黑曲霉、酵母菌、大腸桿菌、金色葡萄球菌及銅綠假單胞菌為指示菌，瓊脂平板稀釋法測定其最小抑菌濃度（MIC），結果見表3。由表3可知，聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽對金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、黑曲霉較為敏感，對它們的MIC分別為15，20和15 g/L。

表 3 最小抑菌濃度Tab.3 Minimum inhibitory concentration

2.8 SEM分析

為進一步探討聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸酯二鈉鹽加脂劑對膠原纖維的加脂作用，對加脂前后的皮革進行SEM測試，結果如圖7所示。由圖7可以看出，與未加脂的皮革相比，加脂后皮革的纖維束更細小，這主要是由于加脂劑可以均勻分散膠原纖維束，纖維間距增大，加脂劑在纖維之間起到一定的填充作用，從而可以進一步撐大纖維分子鏈的間距，使分子鏈間距超出了氫鍵與范德華力的作用力程，使纖維之間的松散程度、皮革飽滿度增加，從而使皮革更加柔軟、豐滿。

2.9 皮革力學性能

將加脂前后的皮革做抗張強度和斷裂伸長率測試，測試結果見圖8。從圖8中可以看出，未加脂皮革在拉伸開始時，彈性模量較大，在應變0～0.2初始階段應力比加脂后的革大，在0.2后，其應力比加脂革的應力小，極限應力（抗張強度）也是加脂后的革較大。究其原因，未加脂的皮革其纖維交聯網絡中的各纖維均處于比較緊繃的狀態，當其受到拉力作用時，未加脂革沒有初始拉伸階段而直接進入快速增長階段，曲線初始階段的應力較大；皮革在沒有油脂的條件下，纖維在外力的作用下不容易發生相對滑移［18,19］，所以極限應力（抗張強度）相對較小，抗張強度為22.07 MPa，斷裂伸長率為64.7%。從圖8中還可以看出，加脂后皮革纖維更加松散，皮革更加柔軟，抵抗外力變形的能力相對較差，在拉伸過程中存在著一個初始拉伸階段，在應變0～0.2初始階段應力較小，其彈性模量較小，在0.2后，其應力（抗張強度）相對較大，抗張強度為28.24 MPa，斷裂伸長率為36.4%。

3 結論

1）由聚乙二醇-400、月桂酸、順丁烯二酸酐、亞硫酸鈉制備的聚乙二醇脂肪酸酯琥珀酸酯磺酸鹽，FT-IR表明合成產物的分子結構與目標產物一致，乳液粒徑為4.77 μm，Zeta電位為97.26 mV，泡沫體積為646 mL，cmc為8.59×10-4mol/L，接觸角為63.1°；對黑曲霉、銅綠假單胞菌和金色葡萄球菌抑菌效果較好，MIC分別為15，20和15 g/L。

2）聚乙二醇脂肪酸酯琥珀酸酯磺酸鹽通過加脂實驗應用于皮革上，SEM結果表明皮革纖維被加脂劑分散，纖維束變??；加脂后使皮革抗張強度從22.07 MPa提高至28.24 MPa，斷裂伸長率從64.7%降到36.4%。

3）聚乙二醇脂肪酸酯琥珀酸酯磺酸鹽性能良好，可以應用到日用化工領域；可將其進一步與其他表面活性劑復配，考察其在日用洗滌行業的應用性能。