氟表面活性劑及其應(yīng)用 - 高穩(wěn)定，多功能，小用量，大效果

來源：作者：人氣：-發(fā)表時間：2023-09-04 09:27:00【大中小】

氟表面活性劑是指疏水鏈中C-H被C-F氟取代的一類特殊表面活性劑。與碳氫表面活性劑相比，含氟表面活性劑具有更高的表面活性和穩(wěn)定性，已應(yīng)用于注水驅(qū)油、油脂乳化、材料改性、抗菌殺毒和消防滅火等領(lǐng)域。

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含氟表面活性劑的研究是上世紀60年代開始的，最早由美國3M公司實現(xiàn)商品化，上市商品名稱為Fluorad FC。隨后全球知名各類材料公司都做了對應(yīng)客戶領(lǐng)域的含氟表面活性劑研究，開發(fā)并成功商品化。

目前國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化含氟表面活性劑及功能制劑主是全氟烷基系列表面活性劑，產(chǎn)能約在3500噸/年。但各種前端研發(fā)品及其品質(zhì)在緊跟國際前沿，并且積極尋求具備特殊性能及應(yīng)用于細分領(lǐng)域產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。

1.氟表面活性劑的特性

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。氟賦予分子如下特性：

①氟是電負性最強的元素，具有高氧化勢、高電離能，所以F-C鍵能高(實際上F-C鍵是已知鍵能最高的共價鍵)，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；

②氟原子非常難被極化，氟碳鏈極性比碳氫鏈小,讓氟碳鏈?zhǔn)杷饔眠h比碳氫鏈強,也同時具備了疏油性（對碳氫和其他有機物），高效降低表面張力，小用量，大效果，易于制成濃縮劑；

③低極性導(dǎo)致氟碳鏈相互間作用力弱。

FSA是最有效的降低表面張力的添加劑

以上三點共同作用使氟碳表面活性劑分子在水溶液中有更強的疏水性，在液/氣界面上具有獨特的聚集特性，氟原子的引入使得此類表面活性劑具有良好熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，即氟表面活性劑具備在嚴苛條件下的高效應(yīng)用的潛能。

氟表面活性劑和相似碳氫表面活性劑表面張力數(shù)據(jù)對比^[1-2]

2. 含氟表面活性劑的常見應(yīng)用

氟表面活性劑是目前最受青睞的特種表面活性劑，在實際應(yīng)用中有用量少，降低水溶液表面張力的作用強，提高潤濕性、表面處理和流平性能優(yōu)秀，跟其它表面活性劑復(fù)配（簡單的物理配方或化學(xué)合成加和）效果好，同時具有疏油和疏水性、高熱穩(wěn)定性和更好的化學(xué)耐受性等等優(yōu)良特點，有助于配制多種日用產(chǎn)品。

FSA的性質(zhì)及其應(yīng)用^[3]

油漆和涂料

用作多功能添加劑，以簡化油漆和涂料配方，特別是那些低 VOC（揮發(fā)性有機化合物）或無 VOC 的配方。可與改善基材潤濕性，顏料潤濕性和流平，為水性涂料賦予防粘連性，延長開放時間，發(fā)泡性低，提高抗沾污性，增強抗油污功能。

提供表面防護

另外值得一提的是自2004年12月IBM和臺積電分別宣布采用193 nm浸入式光刻技術(shù)制造出全功能的芯片，浸潤光刻技術(shù)迅速成為技術(shù)新寵，它也經(jīng)常需選用高浸潤和抗污能力強的含氟表面活性劑，主要為克服控制由于浸入環(huán)境引起的缺陷，包括氣泡和污染（含物鏡表面和液體界面），需要抗蝕劑與流體或面漆的相容性，以及面漆的發(fā)展。

傳統(tǒng)光刻和浸沒式光刻的對比示意圖

清潔劑和蠟

作為多功能且高效的添加劑，通過徹底潤濕基材，使清潔劑能夠進一步滲透深層污垢和污漬。同時候也改善了地板護理配方的流平特性和表面特性。

無氟表面活性劑顯示清晰可見的桔皮和明顯的表面缺陷

添加FSA的地板飾面可顯著改善地板飾面的平整度和表面外觀

膠粘劑、密封劑和填縫劑

添加少量的氟表面活性劑可提高膠粘劑的潤濕性和對基材孔隙的滲透性，增強粘合力，減少表面缺陷、降低動態(tài)表面張力（可與現(xiàn)有表面活性劑組合結(jié)合使用）、達到增強膠粘劑滲透性。

薄膜或半導(dǎo)體材料

可以改善打印基材的油墨潤濕和流平，附著，耐磨，減少油墨轉(zhuǎn)移等通用“適印性能”。除潤濕外，氟表面活性劑轉(zhuǎn)移到涂層表面，從而促進多次涂覆中的再潤濕，還可提供抗靜電性。在電子化學(xué)品也得到廣泛應(yīng)用。

光刻膠基材表面^[4]

油墨和印藝

氟表面活性劑會遷移到氣液界面，當(dāng)產(chǎn)品堆疊或卷起時，會減少對另一表面的“轉(zhuǎn)移”。主要性能功能包括防粘連、油墨吸附、流平和潤濕。可為油墨和印刷涂料提供出色的潤濕和流平特性，而不會影響染料和顏料分散。

FSA的遷移性示意

3. 總結(jié)和展望

雖然含氟表面活性劑相比于傳統(tǒng)碳氫表面活性劑的用量較少，但其價格比較昂貴，并且長鏈（≥C6）氟化表面活性劑由于穩(wěn)定的氟化尾部和生物降解性差也表現(xiàn)出環(huán)境問題。在工業(yè)生產(chǎn)使用中受到一定程度的限制。在實際應(yīng)用中，研究人員通常將含氟表面活性劑與其他表面活性劑進行復(fù)配使用，以減少實際應(yīng)用中含氟表面活性劑的用量，并且還能保持含氟表面活性劑的獨特性能。

氟碳氫雜化表面活性劑的表面活性和防腐性能^[5]

氟表面活性劑Na+在油田化學(xué)中的應(yīng)用研究^[6]

研究人員正在積極探究含氟表面活性劑的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，設(shè)計合理的生產(chǎn)工藝，降低含氟表面活性劑的制取和使用成本，開發(fā)出性能優(yōu)良且環(huán)境友好的含氟表面活性劑，以替代現(xiàn)有的長氟碳鏈表面活性劑，使含氟表面活性劑在各個領(lǐng)域具有更加廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻】

[1].Kovalchuk N.M., Trybala A., et al. Advances in Colloid and Interface Science; Volume 210; August 2014, 65-71.

[2].Frese C, Ruppert S, Sugar M, et al. J Colloid Interface; Sci 2003; 267: 475–82.

[3].Syed Muhammad Shakil Hussain, et al. Advances in Colloid and Interface Science; Volume 303; May 2022; 102634.

[4].Onodera M., Shimomura S., et al. J. Electrochem. Soc.; Vol. 139; No. 6; June 1992.

[5].Nuer M., Duan J., et al. Journal of Molecular Liquids; Volume 306; 15; May 2020; 112897.

[6].Zeng G.Y. , Zhong C.R., et al. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.

【產(chǎn)品列表】

貨號	名稱	性質(zhì)和應(yīng)用
AAU15990A	FSA-3000	不含VOC、APEO，且不易燃在酸性、堿性、鹽水和硬水環(huán)境中穩(wěn)定	優(yōu)異的潤濕劑和流平劑的性能與涂層添加劑的表面保護性能相結(jié)合；符合OECD 301B生物降解性測試方法標(biāo)準(zhǔn)。
AAU15991A	FSA-6500	不含VOC、APEO，在所有條件下都具有很強的非離子特性。在酸性、堿性和鹽水環(huán)境中穩(wěn)定。
ACH0484A	FSA-3100		非離子、無VOC、無APEO、不易燃的氟表面活性劑，在水性或溶劑性產(chǎn)品中有極低的表面張力，有更好的潤濕、鋪展和整平；在酸性、堿性、鹽水和硬水環(huán)境中穩(wěn)定，易于配制成各種系統(tǒng)。
ACH0483A	FSA-3100S	電子產(chǎn)品和鋰離子電池電解液潤濕的首選產(chǎn)品, 在極性溶劑體系中表現(xiàn)出色
AAU15991A	FSA-3400	在地板護理和油墨應(yīng)用中有增強的流平性和潤濕性
AAU15991A	FSA-3500	在地板護理和油墨應(yīng)用中有增強的流平性和潤濕性
AAU15992A	FSA-6400	無VOC、無APEO、不可燃、陰離子	環(huán)境首選的氟表面活性劑，提供了氟表面活性劑的所有一般性能屬性：優(yōu)異的表面張力降低、防堵塞、拒油性、DPR、優(yōu)異的流平特性以及在高酸性和堿性介質(zhì)中的穩(wěn)定性
AAU15993A	FSA-8100	不含APEO、不易燃的自分散、水性、部分氟化的聚合物涂料添加劑	提高平坦建筑水性涂料和乳膠漆上油污和常見家用污漬的清潔能力；改善了內(nèi)部、平整表面、易于清潔的乳膠涂層上的油接觸角。
AAU15994A	FSA-2200	無APEO、不易燃的溶劑型、部分氟化共聚物	在溶劑型涂層系統(tǒng)中提供表面張力降低和優(yōu)異的易清潔性能
AAU15995A	FSA-8300	無APEO、不易燃的溶劑型、部分氟化共聚物	在溶劑型涂層系統(tǒng)中提供表面張力降低和優(yōu)異的易清潔性能
AAU15996A	FSA-5000	不含APEO、不易燃的兩性氟表面活性劑	可顯著降低水溶液的表面張力，并有效提供可持續(xù)的泡沫。是工業(yè)和機構(gòu)清潔、地板護理以及乳膠和水性醇酸漆的有效添加劑
AAU15997A	FSA-5100	不含APEO、不易燃的兩性氟表面活性劑
AAU15998A	FSA-6000		無VOC、無APEO、不易燃的陰離子氟表面活性劑分散液，具有優(yōu)異的防堵塞、拒油和DPR性能。
AAU15999A	FSA-6100	含有異丙醇
AAU16000A	FSA-6300	含有異丙醇