氟碳表面活性剂简介

I、Concept of fluorocarbon surfactant

众所周知，表面活性剂一般由极性基团（亲水基）和非极性基团（疏水基）二部份组成。普通表面活性剂的非极性基团为碳氢链，但氟碳表面活性剂的非极性基团为氟碳链，即以氟原子部分或全部取代碳氢链上的氢原子。而二者在极性基团的结构上无明显区别。所以氟碳表面活性剂就是以氟碳链取代碳氢链作为分子中非极性基团的表面活性剂。

As we all know, surfactant additives consists of polar groups (hydrophilic group) and non-polar groups (hydrophobic group). Non-polar groups is ordinary surfactant hydrocarbon chains, but the non-polar groups of fluorocarbon surfactants is fluorocarbon chains, fluorine atoms is substitute for partial or total hydrogen atom. There is no significant structure difference between them. Thus, fluorocarbon surfactant is the addivtive of non-polar group in molecule by means of fluorocarbon chain replaced of hydrocarbon chains.

II、Physical and chemical properties of fluorocarbon surfactant

由上述结构特点，我们便可推知氟碳表面活性剂的独特性质直接与氟碳链相关，更进一步讲是取决于氟元素的独特性质。简而言之，相对于其他表面活性剂，氟碳表面活性剂Zui为显著的特点是：高效、稳定，即高表面活性，高热力学和化学稳定性。

The unique properties of fluorocarbon surfactants are related to fluorocarbon chains. Compared with other surfactants, the most remarkable features of fluorocarbon surfactants are efficiency, stability, high surface activity etc.

　　氟元素是电负性Zui强的元素，它具有高氧化势、高电离能，这种特性一方面造成氟—碳键（F—C）键能高（实际上氟—碳键是已知键能Zui高的共价键），因而氟碳链结构远比碳氢结构稳定；另一方面氟原子非常难以被极化，使氟碳链极性比碳氢链小。正是因为这种低极性，使氟碳链疏水作用远比碳氢链强烈（其实，低极性不但使氟碳链疏水，而且还疏油—这里油是指碳氢类化合物）；另外，低极性又导致氟碳链相互间作用力弱。这二个因素共同作用使得氟碳表面活性剂分子在水溶液中有比其它表面活性剂分子更加强烈的倾向来脱离水溶液，在液/气界面上定向聚集排列成分子膜，从而使其具有与其它表面活性剂所不同的二种特性；颜填料,助剂,树脂,乳液,分散

　　1、在极低应用浓度下便能显著降低水溶液的表面张力。有些氟碳表面活性剂（如Dupont的Zonyl系列产品）在50~100ppm时便可将水溶液表面张力降到18~20dyn/cm。这主要是氟碳链疏水作用强烈，相互间分子作用力弱的原因。

　　2、极高的表面活性，即可将水溶液表面张力降到极低水平。像全氟羧酸可以使水溶液表面张力降至15~16dyn/cm。这是因为氟碳表面活性剂中的氟碳链在水溶液表面形成排列整齐的单分子膜，就像在溶液表面铺了一层氟碳化合物，而氟碳化合物是典型的低表面能材料，如聚四氟乙烯表面能为19dyn/cm。

　　另外，氟碳表面活性剂还具有极高的稳定性。这是因为一方面氟—碳键（F—C）键能高，很难被破坏；另一方面氟原子对碳—碳键（C—C）具有屏敝效应。氟原子的半径比氢原子大，可有效地将全氟化的碳—碳键（C—C）屏敝保护起来，减少碳—碳键（C—C）被破坏的可能，但同时氟原子半径又没有大到足以在全氟碳链中引起立体张力的程度，因此使氟碳链更加稳定。这种稳定性具体表现在以下三个方面：

1、热稳定性高。全氟磺酸盐能在350~400℃不发生分解，全氟羧酸在400℃环境下能稳定存在，全氟羧酸盐也能应用在250℃的高温体系中；颜填料,助剂,树脂,乳液,分散!

High thermal stability. Perfluorinated sulfonate cannot be broken down at 350~400 Celsius, perfluorinated carboxylic acids can exist stably at 400 Celsius. Perfluorinated carboxylates can also be applied at 250 Celsius high temperature system.

2、化学稳定性好。氟碳表面活性可在强酸、强碱、强氧化介质等特殊应用体系中稳定有效地发挥其表面活性剂作用，不会与体系发生反应或分解。如全氟磺酸盐在含氧化铬（10G/L）的98%硫酸溶液中于90℃温度下存放28天其性能不发生任何变化；

Great chemical stability. Fluorocarbon surface activity can be applied effectively in the special system such as strong acid, strong base, strong oxidizing medium etc. It will not be reacting or decomposing with the system . Perfluorinated sulfonate contains chromium oxide (10G/L) in 98% sulfuric acid solution, it doesn’t have any performance changes at a temperature of 90 Celsius for 28 days.

3、相容性好。高的化学稳定性就意味着高的化学惰性，氟碳表面活性剂能与其它各类活性剂很好地相容，并可应用于几乎所有配方体系。

Good compatibility. High chemical stability means high chemical inertness. Fluorocarbon surfactants can be well compatible with other active agents and can be applied to most of formulations.

实际上氟碳表面活性剂分子中其它基团的稳定性往往比氟碳链差，在总体上降低了氟碳表面活性剂的稳定性。换句话，氟碳表面活性剂的稳定性取决于其所含非氟基团（如亲水基）的稳定性。颜填料,助剂,树脂,乳液,分散

In fact, the stability of other groups in fluorocarbon surfactant molecules often have less stability compared with fluorocarbon chain. It reduces the stability of fluorocarbon surfactants. Namely, the stability of fluorocarbon surfactants depends on the stability of non fluorinated groups (e.g., hydrophilic groups).

，氟碳表面活性剂具有以下其它非氟表面活性剂不可能具备的特性：

In summary, fluorocarbon surfactants have the following properties

1、在非常低的浓度下（50~100ppm）可将水溶液表面张力降到很低水平（18~20dyn/cm）；颜填料,助剂,树脂,乳液,分散,

At very low concentrations (50~100ppm), it can reduce the surface tension of aqueous solutions to be a very low level (18~20dyn/cm).

2、高的热力学和化学稳定性，可用于高温、强酸、强碱、强氧化介质等体系；

High thermodynamic and chemical stability, can be used in high temperature, strong acid, strong  alkali, strong oxidizing medium etc. 

3、极好的相容性，可广泛用于各种PH值范围、各类水性、无水、粉末或辐射固化体系，并能与体系中其它表面活性剂和组份很好地相容。

Excellent compatibility, it can be widely used in various pH value, water, anhydrous, powder or radiation curing systems. It is compatible with other surfactants and components.

III、Application characteristics and ranges of fluorocarbon surfactant

　　　1、应用于其它表面活性剂性能不足的场合。如在普通表面活性剂对体系的润湿、流平性提高不够，或不能有效地分散、乳化某些低表面能物质等情况下，都可以采用氟碳表面活性剂。由于其高表面活性，无疑在润湿、流平等方面具有出色表现，并可有效分散、乳化低表面能材料，如聚四氟乙烯。这种性质在油漆、涂料、油墨、胶粘剂等行业尤为重要。颜填料,助剂,树脂,乳液,分散

　　2、应用于其它表面活性剂无法应用的场合。如高温、强酸、强碱、强氧化介质等体系。原因很简单，在这种情况一般表面活性剂就会与体系发生反应或分解，因而根本无法应用。这使得氟碳表面活性剂在某些特殊条件下有其无可比拟的优越性。

由于氟表面活性剂生产成本高，市场价格昂贵，尽管其性能卓越，仍不能取代各类普通表面活性剂。但当要求产品具有特殊性能或要应用于特殊环境中时，氟碳表面活性剂则又是的选择。

Due to the high production cost of fluorine surfactant, the market price is high too. Despite its excellent performance, it still cannot be replaced by other kinds of ordinary surfactants. However, fluorocarbon surfactant is the best choice when requires the product used in special properties or special conditions. 

目前在工业上氟碳表面活性剂已经有广泛且成熟的应用：如在油漆、涂料、油墨行业作润湿、流平、防粘、防污剂；在消防工业上用作轻水泡沫灭火剂；在聚合物体系中用作乳化剂、脱模剂、防雾剂、防静电剂；在电子行业作清洗剂、助焊剂、氧化抑制剂；在金属制备中作润滑剂、漂洗添加剂、腐蚀抑制剂；在农业材料上作杀菌剂、防雾剂；以及在医疗、石油、感光材料、清洗剂、纺织等领域均有重要应用。

Presently fluorocarbon surfactant has been widely used in the industry, e.g. lacquer, coating and printing ink. In the fire industry it used as light water foam extinguisher. In polymer system, it used as emulsifier, release agent, anti fogging agent and antistatic agent. In electronics, it used as cleaning agent, soldering flux and oxidation inhibitor. In metal parts industry, it used as lubricants, rinsing additives and corrosion inhibitors. In agriculture industry, is used as bactericide and anti fogging agent. It alsol has important applications in medical industry, petroleum, photosensitive material, cleaning agent, textile and so on.

IV、How to choose and use fluorocarbon surfactant?

　　接下来一个问题是：既然氟碳表面活性剂有如此出色的性能，又有如此广泛之应用，那么，怎样在一个特定的配方体系中选择一种合适的氟碳表面活性剂产品？这里需要考虑以下几方面因素：

　　1、需要明确利用氟碳表面活性剂来提高配方中哪方面性能，是润湿性、流平性还是发泡性？或还是利用其高稳定性来应用到特殊环境中？

　　2、考虑氟碳表面活性剂特别是其中非氟官能团是否与体系相容，是否会与体系反应而破坏体系的稳定性；或因其它副作用而影响Zui终产品的性能？

　　3、考虑氟碳表面活性剂的物理性质如溶解度、颜色、状态是否会限制其在特定体系中的应用？

　　4、使用效果是否非常显著，成本是否可行？

　　如果你按照上述方法已经选择了一种氟碳表面活性剂，那么在应用时还需注意以下问题：

　　1、由于氟碳表面活性剂基本上为浆状或粉状物，直接使用不方便，故商业；化产品中往往已被配制为溶液。但这些产品在低温时经常会分离成两相或沉淀，因此使用前务必充分搅拌，在必要情况下可轻度加热（40~50℃），以保证产品混合均匀；

　　2、有些氟碳表面活性剂产品的表面活性，特别是发泡能力随体系的PH值变化会有很大差异，因此必须使PH值调至适用的范围或选择一种适合于该PH值的产品；

　　3、在每一种特定配方中氟碳表面活性剂的应用浓度各不相同，故应通过“等量增减”等方法来优化和确定适合于该配方的使用浓度；

4、尽管氟碳表面活性剂对液体表面张力降低性能卓越，但其主要作用于液/气界面,因而在降低固/液相界面张力时性能不如普通碳氢类表面活性剂。实验证明,与普通表面活性剂复配会产生更为优越的协同效应。这不仅能减少两者的用量，降低总体成本，同时还能产生更好的效果。这一点当用作润湿、流平剂时尤显重要.