氟表面活性劑，簡稱FSA，是以氟碳鏈為非極性基團的表面活性劑，即以氟原子部分或全部取代碳氫鏈上的氫原子。氟碳表面活性劑具有高表面活性，高熱力學和化學穩定性。廣泛套用於消防、化工、農藥、選礦、造紙、皮革、紡織等各個領域。
基本介紹
- 中文名：氟表面活性劑
- 外文名：fluorinated surfactant （FSA）
- 基本概念： 眾所周知，表面活性劑一
- 分類： 與普通表面活性劑一樣，氟碳
簡介,分類,特性及其原理,技術指標,套用範圍,在造紙中的套用,
簡介
氟表面活性劑，簡稱FSA，是以氟碳鏈為非極性基團的表面活性劑，即以氟原子部分或全部取代碳氫鏈上的氫原子。氟碳表面活性劑具有高表面活性，高熱力學和化學穩定性。
眾所周知，表面活性劑一般由極性基團（親水基）和非極性基團（疏水基）二部份組成。普通表面活性劑的非極性基團為碳氫鏈，而氟碳表面活性劑的非極性基團為氟碳鏈，即以氟原子部分或全部取代碳氫鏈上的氫原子。但二者在極性基團的結構上無明顯區別。所以氟碳表面活性劑就是以氟碳鏈取代碳氫鏈作為分子中非極性基團的表面活性劑。而具有許多普通表面活性劑不具有或者更優的性能，引起了人們普遍的重視，顯示出越來越強的生命力，廣泛套用於消防、化工、農藥、選礦、造紙、皮革、紡織等各個領域。
分類
與普通表面活性劑一樣，氟碳表面活性劑的分類依據其極性基團結構不同可分為離子型和非離子型二大類。離子型又可分為陰離子型、陽離子型和兩性離子型氟碳表面活性劑。
1、陰離子型氟碳表面活性劑：
根據其極性基團（親水基）不同可分為羧酸鹽類（RfCOO-M）、磺酸鹽類（RfSO3-M）、磷酸鹽類（RfOPO3M）和硫酸鹽類（RfOSO3-M），工業上套用以前三者為主。
羧酸鹽類氟碳表面活性劑：一般在強酸或含高價陽離子水溶液中的溶解度較小，但熱穩定性較高；
磺酸鹽類氟碳表面活性劑：相對具有更好的耐氧化性，對強酸、電解質敏感性小；
磷酸鹽類氟碳表面活性劑：相對發泡性能較差。
2、陽離子型氟碳表面活性劑：
陽離子氟碳表面活性劑幾乎都是含氮化合物，即有機胺衍生物。由於大多數物質表面顆粒帶負電荷，故陽離子型活性劑易被吸附。
3、兩性離子氟碳表面活性劑：
兩性離子活性劑分子結構中同時含有酸性基和鹼性基，其表現出的離子類型取決於溶液PH值，即在酸性介質中表現為陽離子型，在鹼性介質中表現為陰離子型。兩性氟碳表面活性劑酸性基主要是羧酸基和磺酸基，鹼性基主要是氨基或季銨基。兩性氟碳表面活性劑具有優良乳化性能，在氟碳材料、紙張、皮革等產品製造過程中用作乳化劑。
4、非離子型氟碳表面活性劑：
非離子型氟碳表面活性劑在水溶液中不電離，其極性基通常為含氧醚鍵（如聚氧乙烯基）。非離子型比其它類型活性劑更易溶於水、有機溶劑（包括酸、鹼介質），與其它類型活性劑的相容性也更好。由於其在水中不電離，故對PH值穩定性高，受電解質、無機鹽的影響也小，但因其極性基為一定數量的含氧醚鍵/羥基組成，故不能套用於強氧化介質，以免造成醚鍵斷裂。
1、陰離子型氟碳表面活性劑：
根據其極性基團（親水基）不同可分為羧酸鹽類（RfCOO-M）、磺酸鹽類（RfSO3-M）、磷酸鹽類（RfOPO3M）和硫酸鹽類（RfOSO3-M），工業上套用以前三者為主。
羧酸鹽類氟碳表面活性劑：一般在強酸或含高價陽離子水溶液中的溶解度較小，但熱穩定性較高；
磺酸鹽類氟碳表面活性劑：相對具有更好的耐氧化性，對強酸、電解質敏感性小；
磷酸鹽類氟碳表面活性劑：相對發泡性能較差。
2、陽離子型氟碳表面活性劑：
陽離子氟碳表面活性劑幾乎都是含氮化合物，即有機胺衍生物。由於大多數物質表面顆粒帶負電荷，故陽離子型活性劑易被吸附。
3、兩性離子氟碳表面活性劑：
兩性離子活性劑分子結構中同時含有酸性基和鹼性基，其表現出的離子類型取決於溶液PH值，即在酸性介質中表現為陽離子型，在鹼性介質中表現為陰離子型。兩性氟碳表面活性劑酸性基主要是羧酸基和磺酸基，鹼性基主要是氨基或季銨基。兩性氟碳表面活性劑具有優良乳化性能，在氟碳材料、紙張、皮革等產品製造過程中用作乳化劑。
4、非離子型氟碳表面活性劑：
非離子型氟碳表面活性劑在水溶液中不電離，其極性基通常為含氧醚鍵（如聚氧乙烯基）。非離子型比其它類型活性劑更易溶於水、有機溶劑（包括酸、鹼介質），與其它類型活性劑的相容性也更好。由於其在水中不電離，故對PH值穩定性高，受電解質、無機鹽的影響也小，但因其極性基為一定數量的含氧醚鍵/羥基組成，故不能套用於強氧化介質，以免造成醚鍵斷裂。
特性及其原理
由上述結構特點，我們便可推知氟碳表面活性劑的獨特性質直接與氟碳鏈相關，更進一步講是取決於氟元素的獨特性質。簡而言之，相對於其他表面活性劑，氟碳表面活性劑最為顯著的特點是：高效、穩定，即高表面活性，高熱力學和化學穩定性。
氟元素是電負性最強的元素，它具有高氧化勢、高電離能，這種特性一方面造成氟—碳鍵（F—C）鍵能高（實際上氟—碳鍵是已知鍵能最高的共價鍵），因而氟碳鏈結構遠比碳氫結構穩定；另一方面氟原子非常難以被極化，使氟碳鏈極性比碳氫鏈小。正是因為這種低極性，使氟碳鏈疏水作用遠比碳氫鏈強烈（其實，低極性不但使氟碳鏈疏水，而且還疏油—這裡油是指碳氫類化合物）；另外，低極性又導致氟碳鏈相互間作用力弱。這二個因素共同作用使得氟碳表面活性劑分子在水溶液中有比其它表面活性劑分子更加強烈的傾向來脫離水溶液，在液/氣界面上定向聚集排列成分子膜，從而使其具有與其它表面活性劑所不同的二種特性；
1、 在極低套用濃度下便能顯著降低水溶液的表面張力。有些氟碳表面活性劑，在50~100ppm時便可將水溶液表面張力降到18～20dyn/cm。這主要是氟碳鏈疏水作用強烈，相互間分子作用力弱的原因。
2、 極高的表面活性，即可將水溶液表面張力降到極低水平。像全氟羧酸可以使水溶液表面張力降至15～16dyn/cm。這是因為氟碳表面活性劑中的氟碳鏈在水溶液表面形成排列整齊的單分子膜，就像在溶液表面鋪了一層氟碳化合物，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為19dyn/cm。
另外，氟碳表面活性劑還具有極高的穩定性。這是因為一方面氟—碳鍵（F—C）鍵能高，很難被破壞；另一方面氟原子對碳—碳鍵（C—C）具有屏敝效應。氟原子的半徑比氫原子大，可有效地將全氟化的碳—碳鍵（C—C）屏敝保護起來，減少碳—碳鍵（C—C）被破壞的可能，但同時氟原子半徑又沒有大到足以在全氟碳鏈中引起立體張力的程度，因此使氟碳鏈更加穩定。這種穩定性具體表現在以下三個方面：
1、 熱穩定性高。全氟磺酸鹽能在350～400℃不發生分解，全氟羧酸在400℃環境下能穩定存在，全氟羧酸鹽也能套用在250℃的高溫體系中；
2、 化學穩定性好。氟碳表面活性可在強酸、強鹼、強氧化介質等特殊套用體系中穩定有效地發揮其表面活性劑作用，不會與體系發生反應或分解。如全氟磺酸鹽在含氧化鉻（10G/L）的98%硫酸溶液中於90℃溫度下存放28天其性能不發生任何變化；
3、 相容性好。高的化學穩定性就意味著高的化學惰性，氟碳表面活性劑能與其它各類活性劑很好地相容，並可套用於幾乎所有配方體系。
實際上氟碳表面活性劑分子中其它基團的穩定性往往比氟碳鏈差，在總體上降低了氟碳表面活性劑的穩定性。換句話，氟碳表面活性劑的穩定性取決於其所含非氟基團（如親水基）的穩定性。
氟元素是電負性最強的元素，它具有高氧化勢、高電離能，這種特性一方面造成氟—碳鍵（F—C）鍵能高（實際上氟—碳鍵是已知鍵能最高的共價鍵），因而氟碳鏈結構遠比碳氫結構穩定；另一方面氟原子非常難以被極化，使氟碳鏈極性比碳氫鏈小。正是因為這種低極性，使氟碳鏈疏水作用遠比碳氫鏈強烈（其實，低極性不但使氟碳鏈疏水，而且還疏油—這裡油是指碳氫類化合物）；另外，低極性又導致氟碳鏈相互間作用力弱。這二個因素共同作用使得氟碳表面活性劑分子在水溶液中有比其它表面活性劑分子更加強烈的傾向來脫離水溶液，在液/氣界面上定向聚集排列成分子膜，從而使其具有與其它表面活性劑所不同的二種特性；
1、 在極低套用濃度下便能顯著降低水溶液的表面張力。有些氟碳表面活性劑，在50~100ppm時便可將水溶液表面張力降到18～20dyn/cm。這主要是氟碳鏈疏水作用強烈，相互間分子作用力弱的原因。
2、 極高的表面活性，即可將水溶液表面張力降到極低水平。像全氟羧酸可以使水溶液表面張力降至15～16dyn/cm。這是因為氟碳表面活性劑中的氟碳鏈在水溶液表面形成排列整齊的單分子膜，就像在溶液表面鋪了一層氟碳化合物，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為19dyn/cm。
另外，氟碳表面活性劑還具有極高的穩定性。這是因為一方面氟—碳鍵（F—C）鍵能高，很難被破壞；另一方面氟原子對碳—碳鍵（C—C）具有屏敝效應。氟原子的半徑比氫原子大，可有效地將全氟化的碳—碳鍵（C—C）屏敝保護起來，減少碳—碳鍵（C—C）被破壞的可能，但同時氟原子半徑又沒有大到足以在全氟碳鏈中引起立體張力的程度，因此使氟碳鏈更加穩定。這種穩定性具體表現在以下三個方面：
1、 熱穩定性高。全氟磺酸鹽能在350～400℃不發生分解，全氟羧酸在400℃環境下能穩定存在，全氟羧酸鹽也能套用在250℃的高溫體系中；
2、 化學穩定性好。氟碳表面活性可在強酸、強鹼、強氧化介質等特殊套用體系中穩定有效地發揮其表面活性劑作用，不會與體系發生反應或分解。如全氟磺酸鹽在含氧化鉻（10G/L）的98%硫酸溶液中於90℃溫度下存放28天其性能不發生任何變化；
3、 相容性好。高的化學穩定性就意味著高的化學惰性，氟碳表面活性劑能與其它各類活性劑很好地相容，並可套用於幾乎所有配方體系。
實際上氟碳表面活性劑分子中其它基團的穩定性往往比氟碳鏈差，在總體上降低了氟碳表面活性劑的穩定性。換句話，氟碳表面活性劑的穩定性取決於其所含非氟基團（如親水基）的穩定性。
綜上所述，氟碳表面活性劑具有以下其它非氟表面活性劑不可能具備的特性：
1、 在非常低的濃度下（50～100ppm）可將水溶液表面張力降到很低水平（18～20dyn/cm）；
2、 高的熱力學和化學穩定性，可用於高溫、強酸、強鹼、強氧化介質等體系；
3、 極好的相容性，可廣泛用於各種PH值範圍、各類水性、溶劑型、粉末或輻射固化體系，並能與體系中其它表面活性劑和組份很好地相容。
1、 在非常低的濃度下（50～100ppm）可將水溶液表面張力降到很低水平（18～20dyn/cm）；
2、 高的熱力學和化學穩定性，可用於高溫、強酸、強鹼、強氧化介質等體系；
3、 極好的相容性，可廣泛用於各種PH值範圍、各類水性、溶劑型、粉末或輻射固化體系，並能與體系中其它表面活性劑和組份很好地相容。
技術指標
項目 | 數值 |
外觀(目測) | 淡黃色透明液體 |
粘度(25℃，cps) | 40 |
有效物含量（%） | 100 |
密度(25℃) | 1.045~1.135 |
PH值 | 3 ~ 6 |
表面張力(25℃) | 18mN·m |
套用範圍
水劑型和溶劑型塗料的流平劑、顏料分散劑、乳化劑。廣泛套用於塗料、油墨、地板蠟、農藥、電子清洗、電鍍處理劑等產品。
在造紙中的套用
在造紙工業中，氟表面活性劑主要用作紙張塗布助劑和防水防油劑。
隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，對紙和紙板的質量提出了更高的要求。通過紙張塗布加工，可提高紙張的許多表面性能，如適印性、防鏽防蝕性、防水防油性、抗靜電性、高強性以及照相顯影、記錄模寫、導電和裝飾等性能。塗布紙可分為顏料塗布紙、樹脂塗布紙和特種塗布紙等，其中顏料塗布紙是將顏料、膠粘劑和助劑配料經塗布機塗布於紙張表面而製得的加工紙。氟表面活性劑在紙張塗料調製及塗布過程中有著重要的套用價值。
分散劑
為了防止塗料發生絮凝和 沉降現象，並使塗料粘度保持盡 可能低，從而獲得良好的流動性 和塗布適應性，必須使用表面活 性劑作為分散劑。為了提高塗布 機車速和節能，需使用高固含量 的塗料。氟表面活性劑作為性能 優異的表面活性劑，用量極少， 效果極佳，因而是較理想的塗料 分散劑。
消泡劑
紙張塗料製成之後，在經過泵、篩和塗布的過程中，往往會產生泡沫，使塗布面產生針孔、斑點及“魚眼”現象，從而降低了紙張的質量，因此必須加入表面活性劑作為消泡劑。氟表面活性劑可使表面張力降得極低，消泡作用極佳。
潤滑劑
塗布過程中塗布機的輥與紙面之間存在摩擦力，易產生“糊頭”現象，因此需加入表面活性劑作為潤滑劑。氟表面活性劑因為分子間力極小，所以是作為潤滑劑的理想材料。
用氟表面活性劑對紙張進行防水防油處理的方式一般有3種：一為外添加型，即將含有氟表面活性劑的防水防油劑直接塗敷於紙張表面；二為內添加型，即將氟表面活性劑在製漿時加入，再加工成型；三是加在紙張塗料，即在對紙張上色處理前，將氟表面活性劑加在塗料中，與塗料一起施於紙張表面，借塗料中粘合劑的作用與紙張較牢固地結合。使用這 ’ 種方法，均可在紙張表面形成一層氟烷基向外定向排列的憎水憎油層而起到防水防油的效果，並可使紙張保持原有的孔隙度、柔韌性、透氣性、外觀及濕強度，這是在紙的表面覆塑聚乙烯薄膜所不能比擬的。
