- 表面活性最高的一種表面活性劑表面活性劑是以極低的濃度就能顯著地降低溶劑的表面張力的一類物質(zhì)。其分子結(jié)構(gòu)有著共同的特點，由2部分組成：一部分是親油（疏水）基團(tuán)，最常見的是8個碳以上的烷基或烷基苯基；另一部分是親水（疏油）基團(tuán)，一般為離子或極性基團(tuán)如十二烷基硫酸鈉（C12H25SO4Na，簡寫為SDS），即它的分子都是由非極性的憎水基與極性的親水基兩部分構(gòu)成。兩部分的結(jié)構(gòu)與性能截然相反的分子碎片或基團(tuán)處于同一分子的兩端，并以化學(xué)鍵相連接，形成了一種不對稱的、極性的結(jié)構(gòu)。因而賦予該類物質(zhì)既親水，又親油，但又不是整體親水或親油的特性。使其能起乳化、分散、增溶、洗滌、潤濕、發(fā)泡、消泡、保濕、潤滑、殺菌、柔軟、拒水、抗靜電、防腐蝕、消蹼等一系列作用。
氟表面活性劑作為最重要的特種表面活性劑，由于其分子中引入了氟（F）元素，從而賦予它許多比普通表面活性劑更獨特、優(yōu)異的性能，大大提高了表面活性劑的使用價值，進(jìn)而在各行各業(yè)中得到了高度重視和廣泛的應(yīng)用。
氟表面活性劑主要是碳?xì)滏準(zhǔn)杷系臍渫耆虿糠直环尤〈谋砻婊钚詣?。普通表面活性劑的疏水基團(tuán)基本上是碳?xì)滏?，如前述的SDS，一般稱為碳?xì)浔砻婊钚詣?，將普通表面活性劑分子中碳?xì)滏溕系臍湓尤炕虿糠钟梅尤〈?，就稱為氟表面活性劑同樣地，有機(jī)高分子主鏈或側(cè)鏈中與碳原子直接共價鍵相連的氫原子用氟原子全部或部分取代的高分子聚合物，就稱為含氟聚合物，氟表面活性劑是一種重要的特種表面活性劑，具有其他表面活性劑無法比擬的特殊性能，在目前所有表面活性劑中表面活性最高，因此也有人把它稱為超級表面活性劑( super surfactant)若將普通表面活性劑比作工業(yè)味精，氟表面活性劑就可稱為工業(yè)味精之王。
氟表面活性劑是迄今為止所有表面活性劑中表面活性最高的一種，有很高的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性。此外，其碳氟鏈既憎水又憎油，可制成油溶性的氟表面活性劑。氟表面活性劑的這些獨特性能使其具有廣泛用途，特別是在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域起著其他表面活性劑無法取代的作用。 - 分類氟表面活性劑分為非離子氟表面活性劑和離子型氟表面活性劑。離子型又分為陰離子氟表面活性劑、陽離子氟表面活性劑和兩性氟表面活性劑。其中陰離子型氟表面活性劑按親水基團(tuán)的不同可分為羧酸鹽型、磺酸酯鹽型、硫酸酯鹽型、磷酸酯鹽型幾大類；陽離子氟表面活性劑按其親水基不同可分為含氮型、含磷型和含硫型，目前工業(yè)上用得最多的主要是含氮型；兩性氟表面活性劑的親水基部分同時含有堿性基陽離子和酸性基陰離子兩種離子。陽離子可以是胺基離子，也可以是季鐵離子；陰離子多是羧酸基、磺酸基或硫酸醋基。
- 性能特點1.高表面活性
這是氟表面活性劑最重要的特性，氟表面活性劑是迄今為止所有表面活性劑中表面活性最高的一種。它的高表面活性一方面能使水（或有機(jī)溶劑）的表面張力降低至很低的數(shù)值，另一方面表現(xiàn)在用量很少，即可發(fā)揮顯著的作用。一般碳?xì)浔砻婊钚詣┰谌芤褐械馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%~1.0%，只能使水的表面張力下降到30~35 mN/m，而氟表面活性劑在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 005 %~0.1% ，就可以使水的表面張力下降至20 mN /m 。
2.高溫?zé)岱€(wěn)定性
在高溫條件下，氟表面活性劑不易分解，無水全氟烷基磺酸加熱到 400 ℃， 3h后才有微量分解，而全氟烷基羧酸到550 ℃才會發(fā)生分解現(xiàn)象，而同樣碳原子數(shù)目的碳?xì)浔砻婊钚詣?，加熱?00 ℃左右就已大量分解。
3.優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性
CF鍵的穩(wěn)定性，使得氟表面活性劑對強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及氧化劑都有很高的耐受性，在常溫下濃硝酸、發(fā)煙硫酸、有機(jī)過氧化物等都不能與它發(fā)生反應(yīng)，而且在這些溶液中仍能保持良好的表面活性。將磺酸鹽型陰離子氟表面活性劑長期在 ω( HNO3) = 60 % 的硝酸或放在含有10g/cm3的三氧化鉻的98 %濃硫酸中，室溫放置 15d，并經(jīng)90℃溫度試驗28 d ，其表面張力無明顯變化，其它種類的氟表面活性劑也具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。
4.“二憎”特性
氟表面活性劑分子結(jié)構(gòu)中的含氟烴基，既是憎水基又是憎油基，當(dāng)它與親油基團(tuán)相連后，即可制成油溶性的氟表面活性劑，具有降低有機(jī)溶劑表面張力的能力。這種特性表現(xiàn)在碳氟化合物構(gòu)成的固體表面上，如聚四氟乙烯的表面上，不僅水不能鋪展，碳?xì)溆鸵膊荒茕佌?。不僅如此，多種物質(zhì)在這種表面上都不易附著，大大減少了污染。
5.復(fù)配性能
氟表面活性劑與碳?xì)浔砻婊钚詣?fù)配性能好，復(fù)配物具有更高的降低表面張力的能力。在碳?xì)浔砻婊钚詣┲兄灰尤牒苌倭康姆砻婊钚詣?，其降低表面張力的能力就會大幅度提高，同時還能發(fā)揮氟表面活性劑的獨特性能，這對降低氟表面活性劑的使用成本十分有利，也開辟了氟表面活性劑更廣闊的應(yīng)用前景。
6.環(huán)境相容性
盡管單質(zhì)氟和離子性氟化物具有很強(qiáng)的毒性，但是氟表面活性劑的毒性卻是較低或是極低的，對環(huán)境污染較小。而且在通常情況下氟表面活性劑的用量僅為碳?xì)浔砻婊钚詣┯昧康?/10~1/100，且主要用于工業(yè)領(lǐng)域，與人接觸的機(jī)會極少， 只要使用得當(dāng)，氟表面活性劑是不會引起中毒的。 - 合成方法目前最成熟和最常用的主要有以下 3 種方法：電解氟化法、氟烯烴齊聚法和氟烯烴調(diào)聚法。
1.電解氟化法：電解氟化法是以碳?xì)漪弱Ｂ然蚧酋Ｂ葹樵? 電解最終產(chǎn)物為全氟羧酰氟或全氟磺酰氟，再經(jīng)水解、 酰胺化、 季銨化等各種反應(yīng)即可制備各類氟表面活性劑。該法工藝成熟簡單,反應(yīng)一步到位, 是 20 世紀(jì) 40 年代由美國的西蒙斯發(fā)明的，由 3M 公司最早應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，應(yīng)用至今改變不大。 由于電解過程中氟化反應(yīng)是逐步進(jìn)行的，故反應(yīng)產(chǎn)物復(fù)雜，得率低，且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，基本上以陰離子型為主。目前國內(nèi)基本采用電解法進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)品單一重復(fù)，主要為全氟辛基磺酸及其衍生物，例如：
2.齊聚法：在加聚反應(yīng)中，把相對分子量在1500以下，鏈長度不超過5nm的聚合反應(yīng)叫作齊聚反應(yīng)。齊聚法生產(chǎn)氟表面活性劑一般是以氟陰離子為催化劑，單體主要有 3 種，分別為四氟乙烯、六氟丙烯環(huán)氧、六氟丙烯。氟陰離子催化四氟乙烯等聚合反應(yīng)，得到帶不飽和雙鍵的支鏈型全氟烷烴，再以雙鍵為活性官能團(tuán)進(jìn)行各類反應(yīng)后制得氟表面活性劑，例如：
采用該方法安全性比較大，反應(yīng)好控制，但由于支鏈產(chǎn)物的表面活性不高，故其應(yīng)用受到較大限。
3.調(diào)聚法 工業(yè)上用五氟碘乙烷作調(diào)聚劑，以四氟乙烯作調(diào)聚單體，在過氧化物引發(fā)劑作用下進(jìn)行調(diào)聚反應(yīng)，最終產(chǎn)物為全氟碘代烷。全氟磺代烷通過各類反應(yīng)即可制取各種類型的氟表面活性劑。制取的全氟烷烴基為直鏈結(jié)構(gòu)，表面活性高,缺點是得到的產(chǎn)物是不同鏈長的化合物的混合物。調(diào)聚法最大優(yōu)點是能合成中間體全氟碘代烷，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為另一重要中間體全氟醇，從此出發(fā)可合成各種類型的氟表面活性劑，例如：
- 應(yīng)用由于氟表面活性劑具有優(yōu)越的表面活性，使其具有極為重要的用途，可用于條件苛刻和一般碳?xì)浔砻婊钚詣┎贿m用的場合。氟表面活性劑已被廣泛應(yīng)用于化工、石油工業(yè)等許多行業(yè)。
1. 清潔劑添加劑
在塑料的注射成型加工行業(yè)中，經(jīng)常需要對塑料制品的表面進(jìn)行瞬間的情潔，以除去其表面所粘附的油污，常用的清潔劑一般為汽油類的碳?xì)浠衔铮捎诖祟愇锪蠐]發(fā)較快，使其對油污的潤濕、滲透有一個用量與時間的關(guān)系，如果在其中添加質(zhì)量濃度在0.05%~0.1% 左右的非離子型含氟表面活性劑，由于含氟表面活性劑對塑料有很好的潤濕性，且其對油污的滲透力強(qiáng)，使清潔劑能瞬間與塑料件的表面油污溶為一體， 同時含氟表面活性劑本身又是一個很好的清潔劑， 這樣就能既迅速又徹底地把塑料件的表面油污清除干凈。如果選用的表面活性劑有抗靜電的作用，那么經(jīng)它清洗后的制品表面就會產(chǎn)生防塵的作用。同樣，對金屬制品作清洗作用的水基型清洗劑中加入適量的含氟表面活性劑，就能明顯地增強(qiáng)去污能力，提高實際工作效率，同時還賦予被清洗后的金屬制品能很方便地進(jìn)行干燥而不易被殘留的水分腐蝕生銹 。
2. 泡沫滅火劑
氟表面活性劑特別適合用于消滅油類火災(zāi)。它不僅具有使水而且也可以使石油類有機(jī)溶劑的表面張力大幅度下降，使水溶液在油面上迅速鋪展，可大幅度抑制油的蒸發(fā)，是汽油及其它油類火災(zāi)的高效滅火劑，具有泡沫流動性好，滅火速度快、抗復(fù)燃好，還能抗極性溶劑。目前有氟蛋白、輕水型和抗極性溶劑三類滅火劑。
3. 脫模劑
目前在高分子聚合物的成型加工領(lǐng)域內(nèi)。脫模劑的使用是必不可少的。通常用作脫模劑的物質(zhì)主要為碳?xì)漕惐砻婊钚詣┗蚓酃柩跬轭惖挠袡C(jī)硅表面活性劑。 利用碳?xì)漕惖孽セ锱渲频拿撃涿撃：蟮漠a(chǎn)品可直接進(jìn)行二次加工，但是長期使用后將會在模具表面形成棕色結(jié)焦物而污染模具。目前國內(nèi)外已利用含氟表面活性劑配制成新一代高效含氟脫模劑取代以往的產(chǎn)品。其優(yōu)點主要為：含氟脫模劑的表面能量極低，與傳統(tǒng)的硅系脫模劑和蠟系脫模劑相比，具有更優(yōu)良的非粘著性和脫模性。只要在金屬表面涂抹少量，就可形成極薄的被膜，從而發(fā)揮充分的脫模效果。其具有多種優(yōu)點，不可燃，耐熱性和絕緣性極佳。使用濃度低， 使用壽命長，對高粘度的原料有良好的脫模性，對制品表面的污染小，制品可直接進(jìn)行二次加工，對模具表面無污染性，制備后的脫模劑產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，存儲時間長。
4. 抗靜電劑
由含氟表面活性劑配制的集清洗、防塵為一體的抗靜電劑。用其對錄像機(jī)磁鼓、磁頭表面清洗，效果遠(yuǎn)比一般的清潔劑或清潔帶優(yōu)越。用此抗靜電劑還可對家電、熒屏及其它高檔家具、精密儀器等進(jìn)行表面清洗與防塵，且不產(chǎn)生任何副作用。目前已有此防靜電劑產(chǎn)品“音磁靈”投入市場 。
5. 在造紙中的應(yīng)用
含氟表面活性劑在造紙過程中可用作紙張涂料分散劑，能覆蓋于各個顏料粒子表面，防止粒子相互聚集，并保護(hù)膠體，防止涂料發(fā)生絮凝和沉降，使涂料粘度保持盡可能低，從而具有良好的流動性和涂布適應(yīng)性，并提高膠粘劑與顏料的混合性 。
另外還可用作消泡劑，紙張涂料制成之后，在經(jīng)過泵、篩和涂布的過程中，會產(chǎn)生泡沫，使涂布面產(chǎn)生針孔、斑點及“魚眼 ”等現(xiàn)象，從而降低了紙張的質(zhì)量，氟表面活性劑能降低表面張力。
同時在造紙過程中還可作為潤滑劑，涂布過程中涂布機(jī)的輥與紙面之間存在摩擦力，易產(chǎn)生“糊頭”現(xiàn)象，氟表面活性劑作為潤滑劑可減小它們之間產(chǎn)生的摩擦力，改善涂布紙的品質(zhì)。
另外還可作為防水防油劑，氟表面活性劑分子間的范德華力小，活性劑分子從水溶液中移至溶液表面所需的張力小，導(dǎo)致活性劑分子在溶液表面大量聚集， 形成強(qiáng)烈的表面吸附。而這類化合物不僅對水的親合力小，而且對碳?xì)浠衔锏挠H合力也較小，因此既憎油又憎水。氟表面活性劑作為性能優(yōu)異的防水防油劑，為這一問題的解決提供了新的思路 。
6. 石油領(lǐng)域應(yīng)用
氟表面活性劑被廣泛用作油田鉆井中的助排劑降濾失劑；油田采油中的酸液緩蝕劑原油破乳劑驅(qū)油添加劑；油田集輸中的原油蒸發(fā)抑制劑油罐防腐劑原油降凝劑稠油降粘劑燃油增效劑；還可以用作油田污水殺菌劑，表面活性劑可以降低原油和驅(qū)油體系的油水界面張力，提高洗油效率，將原油從油砂和巖石上脫離出來，和驅(qū)油體系一起被水驅(qū)替至地面，進(jìn)而提高采收率。
7. 涂料領(lǐng)域
氟表面活性劑除了可以降低涂料的表面張力，改善涂料的潤濕性能和鋪展性能，還能在不降低上述性能的前提下，降低涂料中揮發(fā)性有機(jī)物的用量，提高涂料的環(huán)保性。研究發(fā)現(xiàn)，將氟化磷酸鹽作為表面活性劑加入到涂料組合物中，降低涂料組合物的表面張力，提高潤濕性和流平性。另外，含有氟化端基的全氟烷氧基磺基琥珀酸酯衍生物作為表面活性劑應(yīng)用于涂料中，可以改進(jìn)涂料的流動性和潤濕性該化合物性能優(yōu)于常規(guī)碳?xì)浔砻婊钚詣?，降解不會形成全氟辛基磺酰化合物（PFOS）和全氟辛酸（PFOA），且具有良好的加工性和儲存穩(wěn)定性。
8. 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用常規(guī)助劑（碳?xì)滏溄M成）不能發(fā)揮藥劑的藥效時，使用含氟表面活性劑助劑能起到明顯的增效作用。據(jù)報道已發(fā)明了一種含有機(jī)氟表面活性劑的農(nóng)藥制劑，它是由農(nóng)藥活性物質(zhì)有機(jī)氟表面活性劑助劑和稀釋劑載體混合配制而成該制劑噴霧后可使藥液到達(dá)難以潤濕的地方，促進(jìn)藥液快速吸收，提高農(nóng)藥的有效利用率，降低農(nóng)藥投放量。
9. 醫(yī)藥領(lǐng)域
研究發(fā)現(xiàn)，碳氟和碳?xì)浔砻婊钚詣┛尚纬捎行У奈⑷橐簭?fù)配體系，有望在藥物制劑中取得應(yīng)用。
10. 太陽能領(lǐng)域
將含氟表面活性劑加入酸制絨液中對多晶硅片制絨，增加了酸液在多晶硅制絨過程中各向異性的腐蝕特性，制備得到的多晶硅片反射率下降，晶面還出現(xiàn)了變形的金字塔三角形等，且大小和傾斜角度不同，從機(jī)理上解釋了含氟表面活性劑對多晶硅制絨的影響。 - 展望氟表面活性劑和含氟聚合物目前一個很大的問題是可得到的物化性能研究數(shù)據(jù)太少，一方面是由于其應(yīng)用背景太強(qiáng)造成了商業(yè)和軍事上的保密；另一方面是缺乏試劑級原料，目前公開報道的氟表面活性劑和含氟聚合物方面的工作絕大多數(shù)屬于專利，有關(guān)物化性能研究方面的很少。相反地，關(guān)于氟表面活性劑和含氟聚合物環(huán)境科學(xué)和毒理學(xué)方面的文獻(xiàn)近幾年卻以爆炸性的速度增長，自首份報告揭示在全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)氟碳化合物以來，環(huán)境科學(xué)和毒理學(xué)方面的文獻(xiàn)以每年超過400多篇的速度增長。據(jù)統(tǒng)計，僅2001年就有超過2500篇相關(guān)的文章發(fā)表。
我國氟表面活性劑工業(yè)總體上尚處于跟蹤和仿制階段，自主研發(fā)和原創(chuàng)技術(shù)的比例較低，位于初中級水平，與國外先進(jìn)水平相比還存在不小的差距具體表現(xiàn)在以下幾個方面：1) 原料生產(chǎn)為主，原料生產(chǎn)與深加工脫節(jié)，氟表面活性劑產(chǎn)品很少；2) 品種單一，缺乏系列產(chǎn)品；3) 缺少試劑級產(chǎn)品；4) 生產(chǎn)技術(shù)雷同，低水平重復(fù)建設(shè)；5) 應(yīng)用研究滯后，開發(fā)不力，缺少終端配方產(chǎn)品；6) 副產(chǎn)物綜合利用與循環(huán)經(jīng)濟(jì)水平低。未來應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)對氟表面活性劑及含氟聚合物的物化性質(zhì)，特別是結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究，尋求性能好但對環(huán)境無害的氟表面活性劑及含氟聚合物，使之發(fā)揮更大的作用。
有關(guān)氟表面活性劑的分類、性能特點、合成方法、應(yīng)用、展望等是由Chemicalbook的旭艷編輯整理。（2016-03-25）