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氟碳表面活性剂
目录
英文： Fluorocarbon surfactant
概述
能以极低的浓度显著地降低溶剂的表面张力的一类物质称为表面活性剂。氟碳表面活性剂是特种表面活性剂中最重要的品种，指碳氢表面活性剂的碳氢链中的氢原子全部或部分被氟原子取代，即氟碳链代替了碳氢链，因此表面活性剂中的非极性基不仅有疏水性质而且独具疏油的性能。
氟碳表面活性剂分为阴离子、阳离子、非离子、两性氟碳表面活性剂，以及其他类型的氟碳表面活性剂如含硅氟碳表面活性剂、混杂型表面活性剂、长链型表面活性剂和无亲水基氟碳表面活性剂等。
氟碳表面活性剂广泛应用于合成洗涤剂、化妆品、食品、橡胶、塑料、油墨等诸多行业。在感光材料中，主要用作润湿剂、乳化剂、抗静电剂等。
氟碳表面活性剂自从用有机方法被合成以来，就引起了人们的广泛关注和兴趣，对其研究和应用随即迅速发展，在科技领域、工业和日常生活中与日俱增的重要意义也被普遍确认。在国外，Dupont公司早在五、六十年代就开始工业化生产氟碳表面活性剂，其他公司也相继开发了各自的工业化合成路线；在国内，中科院有机所在六十年代就开始了对氟碳表面活性的研究，并取得积极成果，已开发了部分工业化产品。近几年，随着国内经济不断发展，人们消费水平的提高，美国Dupont、3M等公司注意到中国市场的巨大潜力和诱人前景，先后在国内推出了他们的系列产品。可以肯定，由于氟碳表面活性剂的独特性能，其应用范围将不断扩大，应用水平会不断提高，在表面处理领域中的地位也将日益重要。 颜填料,助剂,树脂,乳液,分散 ,那么人们不禁要问：究竟什么是氟碳表面活性剂？它到底具有哪些独特的性质？它又能应用到哪些领域或行业？
一、氟碳表面活性剂的概念：
众所周知，表面活性剂一般由极性基团（亲水基）和非极性基团（疏水基）二部份组成。普通表面活性剂的非极性基团为碳氢链，但氟碳表面活性剂的非极性基团为氟碳链，即以氟原子部分或全部取代碳氢链上的氢原子。而二者在极性基团的结构上无明显区别。所以氟碳表面活性剂就是以氟碳链取代碳氢链作为分子中非极性基团的表面活性剂。
二、氟碳表面活性剂的特性及其原理：
由上述结构特点，我们便可推知氟碳表面活性剂的独特性质直接与氟碳链相关，更进一步讲是取决于氟元素的独特性质。简而言之，相对于其他表面活性剂，氟碳表面活性剂最为显著的特点是：高效、稳定，即高表面活性，高热力学和化学稳定性。
氟元素是电负性最强的元素，它具有高氧化势、高电离能，这种特性一方面造成氟—碳键（F—C）键能高（实际上氟—碳键是已知键能最高的共价键），因而氟碳链结构远比碳氢结构稳定；另一方面氟原子非常难以被极化，使氟碳链极性比碳氢链小。正是因为这种低极性，使氟碳链疏水作用远比碳氢链强烈（其实，低极性不但使氟碳链疏水，而且还疏油—这里油是指碳氢类化合物）；另外，低极性又导致氟碳链相互间作用力弱。这二个因素共同作用使得氟碳表面活性剂分子在水溶液中有比其它表面活性剂分子更加强烈的倾向来脱离水溶液，在液/气界面上定向聚集排列成分子膜，从而使其具有与其它表面活性剂所不同的二种特性； 颜填料,助剂,树脂,乳液,分散
1、在极低应用浓度下便能显著降低水溶液的表面张力。有些氟碳表面活性剂（如Dupont的Zonyl系列产品）在50~100ppm时便可将水溶液表面张力降到18~20dyn/cm。这主要是氟碳链疏水作用强烈，相互间分子作用力弱的原因。
2、极高的表面活性，即可将水溶液表面张力降到极低水平。像全氟羧酸可以使水溶液表面张力降至15~16dyn/cm。这是因为氟碳表面活性剂中的氟碳链在水溶液表面形成排列整齐的单分子膜，就像在溶液表面铺了一层氟碳化合物，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为19dyn/cm。
另外，氟碳表面活性剂还具有极高的稳定性。这是因为一方面氟—碳键（F—C）键能高，很难被破坏；另一方面氟原子对碳—碳键（C—C）具有屏敝效应。氟原子的半径比氢原子大，可有效地将全氟化的碳—碳键（C—C）屏敝保护起来，减少碳—碳键（C—C）被破坏的可能，但同时氟原子半径又没有大到足以在全氟碳链中引起立体张力的程度，因此使氟碳链更加稳定。这种稳定性具体表现在以下三个方面：
1、热稳定性高。全氟磺酸盐能在350~400℃不发生分解，全氟羧酸在400℃环境下能稳定存在，全氟羧酸盐也能应用在250℃的高温体系中； 颜填料,助剂,树脂,乳液,分散!
2、化学稳定性好。氟碳表面活性可在强酸、强碱、强氧化介质等特殊应用体系中稳定有效地发挥其表面活性剂作用，不会与体系发生反应或分解。如全氟磺酸盐在含氧化铬（10G/L）的98%硫酸溶液中于90℃温度下存放28天其性能不发生任何变化；
3、相容性好。高的化学稳定性就意味着高的化学惰性，氟碳表面活性剂能与其它各类活性剂很好地相容，并可应用于几乎所有配方体系。
实际上氟碳表面活性剂分子中其它基团的稳定性往往比氟碳链差，在总体上降低了氟碳表面活性剂的稳定性。换句话，氟碳表面活性剂的稳定性取决于其所含非氟基团（如亲水基）的稳定性。 颜填料,助剂,树脂,乳液,分散
综上所述，氟碳表面活性剂具有以下其它非氟表面活性剂不可能具备的特性：
1、在非常低的浓度下（50~100ppm）可将水溶液表面张力降到很低水平（18~20dyn/cm）； 颜填料,助剂,树脂,乳液,分散,
2、高的热力学和化学稳定性，可用于高温、强酸、强碱、强氧化介质等体系；
3、极好的相容性，可广泛用于各种PH值范围、各类水性、无水、粉末或辐射固化体系，并能与体系中其它表面活性剂和组份很好地相容。
三、氟碳表面活性剂应用特征及范围：
氟表面活性剂上述特性决定了其应用范围和特点： 颜填料,助剂,树脂,乳液,分散
1、应用于其它表面活性剂性能不足的场合。如在普通表面活性剂对体系的润湿、流平性提高不够，或不能有效地分散、乳化某些低表面能物质等情况下，都可以采用氟碳表面活性剂。由于其高表面活性，无疑在润湿、流平等方面具有出色表现，并可有效分散、乳化低表面能材料，如聚四氟乙烯。这种性质在油漆、涂料、油墨、胶粘剂等行业尤为重要。 颜填料,助剂,树脂,乳液,分散
2、应用于其它表面活性剂无法应用的场合。如高温、强酸、强碱、强氧化介质等体系。原因很简单，在这种情况一般表面活性剂就会与体系发生反应或分解，因而根本无法应用。这使得氟碳表面活性剂在某些特殊条件下有其无可比拟的优越性。
由于氟表面活性剂生产成本高，市场价格昂贵，尽管其性能卓越，仍不能取代各类普通表面活性剂。但当要求产品具有特殊性能或要应用于特殊环境中时，氟碳表面活性剂则又是最好的选择。
目前在工业上氟碳表面活性剂已经有广泛且成熟的应用：如在油漆、涂料、油墨行业作润湿、流平、防粘、防污剂；在消防工业上用作轻水泡沫灭火剂；在聚合物体系中用作乳化剂、脱模剂、防雾剂、防静电剂；在电子行业作清洗剂、助焊剂、氧化抑制剂；在金属制备中作润滑剂、漂洗添加剂、腐蚀抑制剂；在农业材料上作杀菌剂、防雾剂；以及在医疗、石油、感光材料、清洗剂、纺织等领域均有重要应用。
四、如何选择和使用氟碳表面活性剂？
接下来一个问题是：既然氟碳表面活性剂有如此出色的性能，又有如此广泛之应用，那么，怎样在一个特定的配方体系中选择一种合适的氟碳表面活性剂产品？这里需要考虑以下几方面因素：
1、需要明确利用氟碳表面活性剂来提高配方中哪方面性能，是润湿性、流平性还是发泡性？或还是利用其高稳定性来应用到特殊环境中？
2、考虑氟碳表面活性剂特别是其中非氟官能团是否与体系相容，是否会与体系反应而破坏体系的稳定性；或因其它副作用而影响最终产品的性能？
3、考虑氟碳表面活性剂的物理性质如溶解度、颜色、状态是否会限制其在特定体系中的应用？
4、使用效果是否非常显著，成本是否可行？
如果你按照上述方法已经选择了一种氟碳表面活性剂，那么在应用时还需注意以下问题：
1、由于氟碳表面活性剂基本上为浆状或粉状物，直接使用不方便，故商业；化产品中往往已被配制为溶液。但这些产品在低温时经常会分离成两相或沉淀，因此使用前务必充分搅拌，在必要情况下可轻度加热（40~50℃），以保证产品混合均匀；
2、有些氟碳表面活性剂产品的表面活性，特别是发泡能力随体系的PH值变化会有很大差异，因此必须使PH值调至适用的范围或选择一种适合于该PH值的产品；
3、在每一种特定配方中氟碳表面活性剂的最佳应用浓度各不相同，故应通过“等量增减”等方法来优化和确定适合于该配方的使用浓度；
4、很多配方中，与普通表面活性剂混用会产生很好的协同效应。这不仅能减少两者的用量，降低总体成本，同时还能产生更好的效果。这一点当用作润湿、流平剂时尤显重要（因为尽管氟碳表面活性剂对液体表面张力降低性能卓越，但在降低固/液相界面张力时性能不如普通碳氢类表面活性剂）。
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