阳离子表面活性剂在工业上大量使用的历史不长,需求量逐年都在快速增长,但是由于它的主要用途是杀菌剂、纤维柔软剂和抗静电剂等特殊用途,因此与阴离子和非离子表面活性剂相比,使用量相对较少。
我国阳离子表面活性剂的研发和使用起步较晚,但发展速度较快。1981年工业用阳离子表面活性剂品种为18个,占工业用表面活性剂总品种数的13.5%。到1990年便上升为45个,占15.5%,包括民用品种在内,总计有105个品种。但由于阳离子表面活性剂应用范围窄、使用量较小,因此产量极少,直至2002年年产量仍然仅有几千吨,不足表面活性剂总产量的1%。
阳离子表面活性剂一般都具有良好的乳化、润湿、洗涤、杀菌、柔软、抗静电和抗腐蚀等性能,由于其特殊的性能与应用,具有良好的发展潜力,随着工业用和民用应用范围不断扩大,其品种和需求量都将继续增加。
具有商业价值的阳离子表面活性剂大多是有机氮化合物的衍生物,其正离子电荷由氮原子携带,也有一些新型阳离子表面活性剂的正离子电荷由磷、硫、碘和砷等原子携带。按照阳离子表面活性剂的化学结构,主要可分为胺盐型、季铵盐型、杂环型和啰盐型等四类。
胺盐型
胺盐型阳离子表面活性剂是伯胺盐、仲胺盐和叔胺盐表面活性剂的总称。它们的性质极其相似,且很多产品是伯胺与仲胺的混合物。这类表面活性剂主要是脂肪胺与无机酸形成的盐,只溶于酸性溶液中。而在碱性条件下,胺盐容易与碱作用生成游离胺而使其溶解度降低,因此使用范围受到一定的限制。
季铵盐型
季铵盐型阳离子表面活性剂是最为重要的阳离子表面活性剂品种,其性质和制法均与胺盐型不同。此类表面活性剂既可溶于酸性溶液,又可溶于碱性溶液,具有一系列优良的性质,而且与其他类型的表面活性剂相容性好,因此,使用范围比较广泛。
杂环型
阳离子表面活性剂分子中所含的杂环主要是含氮的吗啉环、吡啶环、咪唑环、哌嗪环和喹啉环等。
啰盐型
阳离子表面活性剂按照杂原子的不同,可分为含N、P、As、S、I等元素的表面活性剂,但这种分类方法很少使用。按照携带正电荷的原子不同,阳离子表面活性剂还包括啰盐、锍盐、碘啰和㑩盐化合物等。
合成阳离子表面活性剂的主要反应是N-烷基化反应,其中叔胺与烷基化试剂作用,生成季铵盐的反应也叫做季铵化反应。
烷基季铵盐
烷基季铵盐是季铵盐型阳离子表面活性剂的重要品种之一,已作为杀菌剂、纤维柔软剂、矿物浮选剂、乳化剂等被广泛地应用。其结构特点是氮原子上连有四个烷基,即铵离子 的四个氢原子全部被烷基所取代,通常这个烷基中只有一或两个是长链碳氢烷基,其余烷基的碳原子数为一个或两个。根据其结构特点,烷基季铵盐的合成方法主要有三种,即由高级卤代烷与低级叔胺反应制得、由高级烷基胺和低级卤代烷反应制得和通过甲醛-甲酸法制得。
含杂原子的季铵盐
这里所谓的含杂原子的季铵盐一般是指疏水性碳氢链中含有O、N、S等杂原子的季铵盐,也就是指亲油基中含有酰胺键、醚键、酯键或硫醚键的表面活性剂。由于亲水基团季铵阳离子与烷基疏水基是通过酰胺、酯、醚或硫醚等基团相连,而不是直接连接在一起,故也有人将这类季铵盐称作间接连接型阳离子表面活性剂。
含有苯环的季铵盐
这类表面活性剂主要用作杀菌剂、起泡剂、润湿剂和染料固色剂等。在合成过程中,引入芳环的主要方法是用氯化苄作烷基化试剂与叔胺反应。氯化苄是由甲苯的侧链氯化反应制得的,为了避免苯环上的氯化,要求该反应在搪瓷釜或搪玻璃塔式反应器中进行。
含杂环的季铵盐
季铵盐分子中所含的杂环主要是吗啉环、哌嗪环、吡啶环、喹啉环和咪唑环等 。
胺盐型
胺盐型阳离子表面活性剂主要有长链烷基伯胺盐、仲胺盐、叔胺盐三大类。