几种N-月桂酰基氨基酸钠的性能比较

2022-08-09王振州郑文瑞胡学一李华山

中国洗涤用品工业 2022年7期

王振州郑文瑞胡学一方云＊孙洋李华山

1. 江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡，214122；

2. 南京华狮新材料有限公司，江苏南京，210009

表面活性剂因其在溶液中与界面处的润湿、乳化、泡沫、增溶和自组装等独特物理化学性质而被广泛应用于工农业生产，是目前最具代表性的化工产品之一[1,2]。随着科技飞速发展和人们对高品质生活需求的不断提高，表面活性剂正向充分利用天然可再生资源、易生物降解及对人体和环境均友好的方向发展[3,4]。N-酰基氨基酸型表面活性剂源于油脂和氨基酸等可再生资源[5,6]，具有良好的低毒性、生物降解性和低刺激性等性质和性能，已被用于医药、食品、化妆品和个人洗护用品等与生命健康相关的产品领域[7-10]。

目前常见的商品酰基氨基酸型表面活性剂主要有N-月桂酰基甘氨酸钠（SLGly）、N-月桂酰基丙氨酸钠（SLAla）、N-月桂酰基肌氨酸钠（SLSar）和N-月桂酰基谷氨酸钠（SLGlu）等。虽然它们的性能已被广泛报道[11-14]，但由于样品来源不同或研究方法不同，引起部分结果不同或冲突。例如，Nirav Raykundaliya等[12]报道SLGly的起泡性与SLSar相当，稳泡性显著优于后者，而许虎君等[14]报道SLGly的起泡性略逊于SLSar，稳泡性却不如后者；Nirav Raykundaliya等[12]还报道SLGly对矿物油的乳化性远优于SLSar，而洪玉倩等[13]的结果表明两者十分接近。

本文合成并提纯了上述四种市场常见N-月桂酰基氨基酸钠，对其克拉夫特点（Tk）、钙离子稳定性（CS）、泡沫力（FA）、润湿力（W）、乳化力（EP）和去污力（D）等性能进行比较研究，以期为其合理应用提供参考。

1 实验

1.1 材料与仪器

月桂酰氯（99.0%），丰益油脂科技有限公司；L-丙氨酸（99%）、甘氨酸（99%）、月桂酸钠（99%）、NaOH（98%）、醋酸钙（98%）、石油醚（60～90℃）和乙酸乙酯（99.5%），上海泰坦科技股份有限公司；谷氨酸单钠（99%）和肌氨酸（98%），北京伊诺凯科技有限公司；盐酸（AR），国药集团化学试剂有限公司；大豆油，食品级，益海嘉里食品有限公司；月桂基聚氧乙烯醚硫酸钠（AES，w ＝70%），沙索（中国）化学有限公司；超纯水，采用美国Millipore Synergy UV超纯水系统自制；帆布（21支8股×21支8股），青岛瑞昌纺织品有限公司；JB-01人工模拟混合油污布、JB-02多种蛋白污布和JB-03人工皮脂污布，荷兰Center for Testmaterials BV公司；立式去污试验机，上海银泽仪器设备有限公司；全自动白度仪（WSD-3），北京康光仪器有限公司。

1.2 合成方法

将0.2 mol氨基酸、100 ml去离子水和0.2 mol NaOH依次加入250 ml四口烧瓶中，搅拌均匀后在15～20 ℃下2 h内缓慢加入0.17 mol月桂酰氯，同时用30 wt% NaOH溶液调节体系pH至10～12，然后在该温度下继续剧烈搅拌反应6 h；用6 mol/L的盐酸酸化至pH为2，经乙酸乙酯萃取、旋转蒸发、石油醚洗涤、甲醇重结晶，并经中和及干燥得到N-月桂酰基氨基酸钠。反应通式如图1所示。

1.3 分析方法

1.3.1 克拉夫特点

用冰盐浴将1 wt%的表面活性剂溶液冷却至-4 ℃，澄清者的克拉夫特点Tk（℃）记为＜0 ℃；混浊者缓慢升温至澄清的温度记为其Tk。

图1 合成N-月桂酰基氨基酸钠的反应通式

1.3.2 钙离子稳定性

参考文献[15]方法测定表面活性剂的钙离子稳定性CS（mg CaCO3/L）。在100 ml烧杯中加入40 ml 0.5 wt%的表面活性剂溶液，在25 ℃和磁力搅拌下缓慢加入1 wt%醋酸钙溶液，观察烧杯底部的四号汉字“正”直至刚刚变模糊，记录消耗醋酸钙溶液的体积，按照式1计算CS。

式1中：VCa(AC)2―消耗醋酸钙的体积（ml）；100―CaCO3的相对分子质量；158―醋酸钙的相对分子质量。

1.3.3 泡沫力

参考GB/T 13173―2021[16]，采用Rose-Miles法测定0.25 wt%表面活性剂在150 mg/L硬度水中的泡沫力，分别记录刚滴完溶液后不同时间的泡沫高度（FA，mm）。每组样品重复测定3次，取平均值。

1.3.4 润湿力

参考GB/T 11983―2008[17]，测定表面活性剂的润湿力（W，s）。在1 L烧杯中装入1 L 0.1 wt%的表面活性剂溶液，恒温至25 ℃后浸入用鱼钩钩住的直径为30 mm的帆布圆片（0.38～0.39 g），记录圆片从浸入至沉到烧杯底部的时间。每组样品重复测定10次，取平均值。

1.3.5 乳化力

参考文献[18]测定表面活性剂的乳化力（EP，s）。在100 ml具塞量筒中加入40 ml的1 wt%的表面活性剂溶液和40 ml大豆油，恒温至25 ℃后上下剧烈振荡10次，记录振荡后静置至下层析出10 ml水所需要的时间。每组样品重复测定5次，取平均值。

1.3.6 去污力

参考GB/T 13174―2021[19]测定表面活性剂的去污力（D）。在标准缸中装入用250 mg/L硬水配制的0.2 wt%表面活性剂溶液，恒温至25 ℃后加入6片标准污布，在120 转/min的转速下洗涤20 min，漂洗，晾干。记录污布洗涤前后的白度差，取平均值。

2 结果与分析

2.1 克拉夫特点

表面活性剂的克拉夫特点（Tk）列于表1。四种酰基氨基酸表面活性剂的克拉夫特点均比月桂酸钠低，这是由于氨基酸头基的亲水性更佳；此外，SLAla、SLSar和SLGlu的克拉夫特点与低温水溶性好的AES一样均小于0 ℃，表明此三者可在低温环境中使用。

2.2 钙离子稳定性

表面活性剂的钙离子稳定性（CS）也列于表1。SLAla、SLSar和SLGlu的钙离子稳定性均较SL高，且均＞200 mg CaCO3/L，表明此三者可在矿化度较低的地区使用。而SLGly和SL的钙离子稳定性均较低，需考虑配合钙皂分散剂使用。此外，SLGlu的钙离子稳定性高达458 mg CaCO3/L，略高于自来水国家标准的最高水硬度指标（450 mg CaCO3/L）[20]，这与SLGlu分子中的双羧基及其相连的3个亚甲基或次甲基组成的结构具有耐受钙离子的性质相关[21]。

表1 表面活性剂的克拉夫特点和钙离子稳定性

2.3 泡沫力

表面活性剂的泡沫力（FA）结果如图2所示。SLAla和SLSar在硬水中的泡沫力远优于SL，这归功于前两者更高的钙离子稳定性。虽然SLGlu的钙离子稳定性最高，然而双羧基促进更大的分子吸附面积（amin＝93.8 Å2）[22]而致其在界面上排列松散，不利于稳定的泡沫膜形成，因而其泡沫不佳。SLAla的起泡性和稳泡性可与AES相媲美，因而在需要高泡的洁肤和洁发领域中具有应用潜能；SLSar的起泡性比AES更优，但其稳泡性却远不及AES，这是由于甲基取代酰胺上的氢而破坏了分子间氢键，从而削弱短程吸引和表面活性剂层的刚性及弹性[23]，因而SLSar在需要高起泡且低稳泡的矿物浮选领域具有应用潜能。

图2 表面活性剂的泡沫力

2.4 润湿力

表面活性剂的润湿力（W）结果如图3所示。SLGly、SLAla和SLSar的润湿力远优于SL，这得益于氨基酸头基更佳的亲水性；SLSar表现出最佳润湿力，这可能与甲基取代酰胺键上的氢而削弱分子间氢键[23]并增加分子的疏水性相关；SLGlu的润湿力不及另三种N-月桂酰基氨基酸钠，并与SL相当，可能与其较大的分子吸附面积相关。

图3 表面活性剂的润湿力

2.5 乳化力

表面活性剂对大豆油的乳化力（EP）结果见图4。四种N-月桂酰基氨基酸钠的乳化力均优于SL，其中SLSar最优的原因是甲基取代酰胺键上的氢使分子支链化和疏水化。

2.6 去污力

图4 表面活性剂的乳化力

表面活性剂的去污力（D）结果见图5。SLGly、SLAla和SLSar对三种标准污布的去污效果良好，并与SL接近，这与其具有良好的润湿性和乳化性有关，有利于去除棉织物上的污渍；SLGlu的润湿性和乳化性均不佳，其亲水性太强导致对三种标准污布的去污力最差。

图5 表面活性剂的去污力

3 结论

合成、纯化并比较研究了N-月桂酰基甘氨酸钠（SLGly）、N-月桂酰基丙氨酸钠（SLAla）、N-月桂酰基肌氨酸钠（SLSar）和N-月桂酰基谷氨酸钠（SLGlu）的应用性能，在本文研究范围内得出如下主要结果和结论。①SLGly、SLAla、SLSar和SLGlu四种产品的水溶性均比月桂酸钠（SL）好，其中SLAla、SLSar和SLGlu的低温水溶性更好，有利于在低温下使用。②SLGlu的钙离子稳定性高达458 mg CaCO3/L，适用于高矿化度地区；SLAla和SLSar的钙离子稳定性＞200 mg CaCO3/L，适用于矿化度较低的地区；而SLGly的钙离子稳定性仅为65 mg CaCO3/L，与皂类似，需考虑配合钙皂分散剂使用。③SLAla的起泡性和稳泡性与AES相媲美，在需要高泡的洁肤和洁发领域中具有应用潜能；SLSar的起泡性优而稳泡性差，在矿物浮选领域具有应用潜能。④润湿性好和乳化力佳的SLGly、SLAla和SLSar均具有较好的去污力，而润湿性差和乳化力欠佳的SLGlu的去污力较差。