季铵盐类阳离子表面活性剂因正电荷而具有特殊的杀菌、抗静电等性能,被广泛应用于印染、建筑、采矿、日用化工、石油开采等领域。目前工业应用和研究中季铵盐的反离子通常为无机反离子:Cl-、Br-和CH3SO4-。但随着工业的发展和技术的进步,这些传统季铵盐在性能以及环保方面都难以满足现代绿色化工的要求,提升季铵盐的品质和性能以及拓展季铵盐的反离子种类是季铵盐发展的趋势。目前已有研究表明反离子对表面活性剂各种物化性能和应用性能具有一定程度影响,且有机反离子的影响更显著,因此,对于季铵盐反离子结构和性能的构效关系需要进一步深入研究。此外,工业应用中通常采取多种表面活性剂和助剂的混合体系,为拓展新型反离子季铵盐的应用性能和应用领域,应对有机反离子季铵盐的复配体系性能进行系统研究。本文利用本课题组开发的有机反离子季铵盐绿色化合成工艺,制备了一系列有机反离子季铵盐,考察了反离子烷基链长与季铵盐的物化性能及应用性能之间的构效关系,并进一步探讨新型反离子季铵盐与其他表面活性剂组成复配体系的协同作用和应用性能,以及实际应用中的去污性能和抑菌性能。具体研究内容如下:(1)对十六烷基三甲基季铵盐的吸附和聚集行为研究。表面张力的测定结果表明反离子链长增加使得表面张力参数CMC、γCMC和Amin呈先增加后降低的规律,而πCMC、pC20、CMC/C20和Tmax参数呈先降低后增加的变化规律,并且均在反离子碳链长度为2 (C16NC2)时出现拐点。电导率测量的参数β、△G0mic、AG0ads随反离子烷基链长增加而先降低后增加。胶束聚集数的测量表明,临界胶束浓度的聚集数[Nagg]随反离子链长的增加而减小,而在约5倍CMC及以上较高浓度(5.0×10-3mol/L)下,聚集数(Nagg)随着反离子链长的增加而先降低后增加。负染色电镜观察发现季铵盐反离子碳链长度达到C10 (C16NC10)时,在一定浓度下能自发形成囊泡结构,理论计算得到的堆积参数值P也证实C16NC10在一定条件下可能形成囊泡结构。动态表面张力测量表明新型反离子季铵盐在不同时间的动态吸附机制不同:短时间内以单体浓度梯度为推动力;而长时间的吸附过程以表面电势能垒、空间位阻作用为动力控制因素。(2)对新型反离子季铵盐的应用性能进行研究。以动态接触角表示的润湿性能测试结果表明,随反离子链长增加对液体石蜡表面的润湿性能增强(接触角减小)。新型反离子季铵盐对液体石蜡乳化性能随反离子链长增加而先降低后增强。新型反离子季铵盐的起泡性能和泡沫稳定性在反离子烷基链长为6～8达到最佳。抗菌结果表明新型反离子季铵盐的抗菌性能主要受阳离子部分烷基链长的影响,而受反离子烷基链长的影响不显著。抗菌剂的最低浓度为50 mg/L (2 min)(以对大肠杆菌100%抑菌率衡量)。此外,新型反离子季铵盐对不同类型细菌和真菌的抑菌效果顺序为:金黄色葡萄球菌=白色念珠菌 > 大肠杆菌 > 枯草芽孢杆菌 > 绿脓杆菌。(3)对含新型反离子季铵盐(C16NC1)的二元混合体系协同作用展开研究。表面张力测试结果表明,胶束分子间相互作用具有如下顺序(由强到弱):阴/阳离子>阳/非离子(APG型)> 阳/两性离子 > 阳/非离子(AEOn型,含聚氧乙烯醚(EO)结构)。混合体系的稳定性研究表明阳/非离子或阳/两性离子混合体系均具有良好的稳定性,而阴/阳离子混合体系中,含有EO结构的阴离子比不含EO的阴离子的复配相容性、稳定性更好。二元混合体系应用性能的研究表明:对于阴/阳离子混合体系而言,其起泡性能减弱,泡沫稳定性增强,乳化性能增强,在石蜡膜表面的润湿性能增强(接触角减小),而阳/非离子混合体系的起泡性能增强,乳化性能减弱,在石蜡膜表面的润湿性能减弱(接触角增加)。(4)对新型反离子季铵盐复配体系的去污和抑菌性能研究。去污性能测试表明,含有EO结构的阴离子或非离子表面活性剂与少量新型反离子季铵盐的混合体系对炭黑污布(JB-01)和皮脂污布(JB-03)的去污效果具有协同增效作用,且去污效果优于标准洗涤剂。标准洗衣液中加入少量(1%～3%)新型反离子季铵盐对炭黑污布的去污效果影响不显著,而对皮脂污布的去污效果降低。抑菌性能研究结果表明二元混合体系中阳/非离子和阳/两性离子均有较好抑菌活性,而阴/阳离子混合体系无抑菌效果。并且以非离子表面活性剂为主的阴/阳/非离子三元混合体系中混合顺序的改变和阴离子表面活性剂含量影响抑菌性能:不采用阴/阳离子混合后再加入非离子表面活性剂之外的两种混合顺序均可使三元混合体系具有抑菌活性。总之,新型反离子季铵盐的表面活性和应用性能均具有随反离子烷基链长增加而增强的趋势;新型反离子季铵盐的复配体系在表面活性方面具有不同程度的协同增效,而应用性能与复配体系的类型相关,同时还与其他因素相关;并且适当条件下可以采用新型反离子季铵盐的复配体系制备兼具去污和抗菌性能的洗涤产品。