氟表麵活性劑是迄今已知表麵活性最高的一類表麵活性劑。由於高表麵活性、高熱穩定性及高化學穩定性，碳氟鏈既疏水又疏油的特性，具有很多不可替代的用途。然而，過去數十年來大規模生產及賴以應用的氟表麵活性劑，代表性的有：全氟辛酸、全氟辛基磺酸鹽及相關物質（簡稱PFOA和PFOS），因具有環境持久性和生物累積性，生產及應用受到極大限製，尋求其替代品已刻不容緩。

報道表明，長碳氟鏈物質包括氟碳數≥7的氟烷基羧酸、氟碳數≥6的氟烷基磺酸鹽以及能降解為長鏈氟烷酸的物質，具有持久性、生物累積性和毒性，屬於監管範疇。即是說，全氟己基磺酸酯（C6）的各類衍生物亦包含其中（其在人體中半排出期過長），所以杜邦公司大力宣傳的以C6為基礎的產品亦不可取。當碳氟鏈小於或等於4個碳時，由於半排出期很短，其對人體的影響方可忽略不計。

Krafft等在其最新的綜述中特別指出“短鏈替代品的應用性能要差得多，幾乎沒有突破性的產品或技術出現，能夠配得上氟表麵活性劑和氟聚合物的專長”，“大多數行業領頭的製造商轉向製造不具有生物累積性的更短氟烷基鏈的產品。然而，氟烷基化合物的許多關鍵性能隨著碳氟鏈變短而急劇下降，氟表麵活性劑的效能和效率變差”。即是當前需要解決的難點。

表麵活性劑的一個顯著性質是能修飾兩種不相溶液體的界麵張力。氟表麵活性劑因碳氟鏈既憎水又憎油的特性，其烴-水界麵張力普遍較高，所以大量研究集中於氟烴-水界麵張力。而對於那些烴-水界麵張力的有限研究中，所覆蓋的表麵活性劑包括長碳氟鏈的氟化醇（油溶性）、長碳氟鏈的陰離子表麵活性劑、非離子表麵活性劑以及陽離子氟表麵活性劑；而短碳氟鏈的氟表麵活性劑的烴-水界麵張力研究極少，且僅見於陰離子型。目前，短碳氟鏈陽離子型氟表麵活性劑的烴-水界麵張力研究鮮見報道。

作者之前報道了一種以全氟丁基為基礎的氟表麵活性劑 C₄F₉SO₂NH(CH₂)₃NH(CH₂)₂Cl⁻（簡稱PFB-MC），其水溶液最低表麵張力為19.8 mN/m，適用於強酸性環境。本文研究PFB-MC的油/水界麵張力，並考察不同類型添加物的影響，發現其中PFB-MC/C₄H₉SO₃Na（摩爾比1:1）體係兼具低表麵張力和低界麵張力（16.6 mN/m和1.2 mN/m），達到目前報道的長碳氟表麵活性劑極佳水平，這為水成膜泡沫滅火劑替代品的研究提供理論基礎；通過合適的分子結構設計與複配手段，短碳氟鏈的氟表麵活性劑也能發揮出長碳氟鏈氟表麵活性劑的性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

C₄F₉SO₂NH(CH₂)₃NH(CH₂)₂Cl⁻（簡稱PFB-MC）的合成參照文獻方法；十二烷基三甲基氯化銨（DTAC）、十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）、烷基硫酸鈉CₙH₂ₙ₊₁SO₄Na（n=4,6,8）其合成及純化參照文獻方法；十八烷基三甲基氯化銨（C₁₈TAC）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）均為分析純，購自國藥集團化學試劑公司；全氟丁基磺酸鈉（質量分數98%）為北京氟樂邦表麵活性劑技術研究所產品；NaCl、濃鹽酸、正丁醇、異丁醇、正戊醇、正己醇、正庚烷均為AR；實驗用水為去離子水。

Delta320型pH計（梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司）；滴體積裝置，自製。

1.2 性能測試

各體係水溶液的表/界麵張力均由芬蘭Kibron EZ-Pi Plus便攜式動態撸撸社软件下载免费版，芬蘭Kibron dIFT雙通道動態界麵張力儀測定。測定溫度（25.0±0.1）℃。測定含高濃度物質溶液的密度，用於校對相關體係的表、界麵張力。

對於所研究的pH=2各體係，可根據過量電解質存在下的Gibbs吸附公式由界麵張力（σ）或表麵張力（γ）直線部分的斜率近似估算界麵吸附層的飽和吸附量Γₘₐₓ和極限分子麵積Aₘₐₓ（式1）以及表麵吸附層的飽和吸附量Γₘₐₓ和極限分子麵積Aₘₐₓ（式2）。需注意，除了含有質量分數15%的鹽酸水溶液以及0.1 mol/L NaCl的體係以外，高鹽濃度下計算值僅做相對比較之用，不具有絕對意義。

2 結果與討論

2.1 PFB-MC在不同環境下的正庚烷-水界麵張力以及C₆F₁₃SO₃Na的表/界麵張力

PFB-MC為鹽酸鹽陽離子氟表麵活性劑，隻存在於強酸性環境。研究之前已表明，15%鹽酸環境（pH=2）已保證充分轉化。由於脂肪胺酸性足夠，pH=2已保證充分轉化。當PFB-MC所處環境從pH=2變為質量分數15%的鹽酸環境，σₒᵥ顯著下降。之前研究已證明，由於脂肪胺酸性足夠，pH=2已保證充分轉化，進而受到烴頭基靜電排斥的作用，使水/油界麵吸附層的表麵活性劑分子排列更緊密（表1中吸附量的增加印證這一點），如圖1所示，油水界麵吸附層本身排布得較密實，而水/油界麵的吸附在剛開始進入膠束階段（臨界膠束濃度）時，膠束中的分子排列卻沒有較大的改善餘處，這可能是CMC變化不大的原因。

對於C₆F₁₃SO₃Na體係，其表麵張力（氣/水）和界麵張力（正庚烷/水）數據如表1所示。C₆F₁₃SO₃Na由於疏水基大，所以CMC極高，而PFB-MC通過膠束化（CMC明顯小）。另外，於PFB-MC疏水鏈中含有碳片段，導致其正庚烷/水界麵張力較C₆F₁₃SO₃Na低。對於C₆F₁₃SO₃Na，其臨界膠束濃度以上有效降低表麵張力，而油/水界麵張力降低幅度較小。這裏，PFB-MC引入碳氫界麵活性劑σₒᵥ降低，且σₘᵢₙ的下降幅度依次為CTAC > DTAC。

圖1 PFB-MC以及不同環境下（pH=2鹽酸水溶液、31.0 mol/L NaCl溶液以及含質量分數15%鹽酸水溶液）的PFB-MC水溶液對正庚烷的界麵張力曲線，並與全氟丁基磺酸鈉水溶液進行比較。