8-羥基喹啉的表面張力與潤濕性研究及其影響因素

8-羥基喹啉（8-HQ）是一種含氮雜環芳香族化合物，兼具疏水性芳環結構與親水性羥基、氮原子，其分子結構的兩親性賦予了獨特的表面活性與潤濕性能，這類特性不僅影響其在溶液中的分散、吸附行為，更決定了其在水處理、金屬防腐、醫藥制劑等領域的應用效果。以下從表面張力與潤濕性的基本特性、作用機制及關鍵影響因素展開系統闡述。

一、表面張力特性與作用機制

1. 溶液表面張力的變化規律

8-羥基喹啉在水相或有機溶劑中均具有一定的表面活性，可降低溶劑的表面張力，且表面張力降幅與濃度呈顯著相關性，遵循表面活性劑的濃度-表面張力關系特征：

稀濃度區間：當8-羥基喹啉的濃度低于臨界膠束濃度（CMC）時，分子優先吸附于溶液-空氣界面，其疏水性的喹啉環朝向空氣相，親水性的羥基與氮原子朝向水相，通過定向排列減少界面分子間的作用力，使溶液表面張力隨濃度升高而快速下降。實驗數據顯示，25℃下純水的表面張力約為72.8mN/m，當8-羥基喹啉的濃度達到0.05mol/L時，水溶液表面張力可降至55~60mN/m。

臨界膠束濃度（CMC）區間：當濃度升高至CMC時，溶液表面張力降至極低值（約50~52mN/m），此時界面吸附達到飽和，多余的8-羥基喹啉分子在溶液內部形成膠束，膠束結構同樣為疏水性基團向內、親水性基團向外，表面張力不再隨濃度升高而變化。8-羥基喹啉的CMC受溶劑性質影響顯著，在極性有機溶劑（如乙醇、丙酮）中，CMC值高于水相，表面張力降幅相對較小。

濃濃度區間：濃度超過CMC后，表面張力維持穩定，膠束數量隨濃度增加而增多，這一特性使其具備作為弱表面活性劑的應用潛力，可用于調節溶液的分散性與潤濕性。

2. 表面活性的分子機制

8-羥基喹啉的表面活性源于分子結構的兩親性協同效應：

喹啉環為平面共軛芳香結構，具有強疏水性，可通過范德華力與疏水作用聚集于界面；

環上的羥基（-OH）與氮原子含有孤對電子，可與水分子形成氫鍵，賦予分子親水性，確保其在水相中的分散性；

分子在界面的定向排列形成了一層致密的吸附膜，該膜可阻礙溶劑分子的界面遷移，從而降低表面張力，且吸附膜的穩定性與分子間的氫鍵作用、π-π堆積作用密切相關。

二、潤濕性特性與作用機制

潤濕性是指液體在固體表面的鋪展能力，通常以接觸角作為評價指標（接觸角＜90° 為潤濕，＞90° 為不潤濕）。8-羥基喹啉可通過吸附于固體表面或調節溶液表面張力，改變固-液界面的相互作用，進而影響潤濕性，其作用機制分為兩種類型：

1. 對親水固體表面的潤濕性調控

對于玻璃、金屬氧化物等親水固體表面，8-羥基喹啉分子可通過化學吸附或物理吸附作用于固 - 液界面：

分子中的羥基與氮原子可與固體表面的羥基（如玻璃表面的-Si-OH）或金屬離子（如Fe³⁺、Cu²⁺）形成氫鍵或配位鍵，使疏水性的喹啉環朝向溶液相，在固體表面形成一層疏水吸附膜；

該吸附膜會增大固-液界面張力，導致溶液在固體表面的接觸角增大，潤濕性下降，例如，純水在潔凈玻璃表面的接觸角接近0°（完全潤濕），而0.1mol/L的8-羥基喹啉水溶液接觸角可升至30°~40°，這種特性使其可用于金屬表面的疏水防護，減少水分對金屬的腐蝕。

2. 對疏水固體表面的潤濕性調控

對于石蠟、聚四氟乙烯等疏水固體表面，8-羥基喹啉的作用機制相反：

分子的親水性基團朝向固體表面，疏水性基團朝向溶液相，通過降低固-液界面張力，促進溶液在固體表面的鋪展；

同時，8-羥基喹啉降低溶液表面張力的作用可減少液體的表面收縮力，進一步提升鋪展能力，使接觸角減小，潤濕性增強，例如，8-羥基喹啉乙醇溶液在石蠟表面的接觸角比純乙醇低15°~20°，表現出更好的潤濕效果。

三、影響8-羥基喹啉表面張力與潤濕性的關鍵因素

8-羥基喹啉的表面活性與潤濕性并非固定不變，受分子結構修飾、溶液環境、固體表面性質等多種因素調控，具體如下：

1. 分子結構修飾

通過化學改性引入不同官能團，可顯著改變8-羥基喹啉的表面活性與潤濕性：

引入親水基團：在喹啉環上引入羧基（-COOH）、磺酸基（-SO₃H）等強親水基團，可增強分子親水性，降低CMC值，提升表面張力降幅，同時增強對疏水固體的潤濕性；

引入疏水基團：引入烷基、芳基等疏水基團，可增強分子的疏水性，提高界面吸附能力，使表面張力低值進一步降低，但會降低其在水相中的溶解度；

金屬離子配位：8-羥基喹啉可與Cu²⁺、Zn²⁺、Al³⁺等金屬離子形成穩定的螯合物，螯合物的表面活性遠高于游離分子，例如8-HQ-Cu²⁺螯合物水溶液的表面張力低可降至45mN/m，且螯合物在固體表面的吸附膜更致密，潤濕性調控效果更顯著。

2. 溶液環境因素

（1）溶劑性質

溶劑的極性直接影響8-羥基喹啉的溶解度與表面活性：

在強極性溶劑（如水、甲醇）中，8-羥基喹啉的溶解度較高，分子分散性好，表面張力降幅大；

在弱極性或非極性溶劑（如苯、正己烷）中，它的溶解度低，分子易聚集，表面張力降幅較??；

混合溶劑體系（如水-乙醇混合液）可調節8-羥基喹啉的溶解與吸附行為，當乙醇體積分數為30%~50%時，它的CMC值降至低，表面活性極優。

（2）溶液pH值

8-羥基喹啉的解離狀態受pH調控，進而影響其表面活性與潤濕性：

酸性條件（pH＜5）：8-羥基喹啉分子中的氮原子質子化（形成-NH⁺），親水性增強，分子更易分散于水相，界面吸附量減少，表面張力降幅略低；但質子化后的分子與帶負電的固體表面（如金屬氧化物）靜電作用增強，吸附膜更穩定，對潤濕性的調控效果更顯著。

中性至弱堿性條件（pH 6~9）：8-羥基喹啉以分子態存在，兩親性平衡極佳，界面吸附能力很強，表面張力降幅極大，是發揮表面活性的適宜pH區間。

強堿性條件（pH＞10）：8-羥基喹啉的羥基發生解離（形成-O⁻），親水性顯著增強，分子更傾向于分散在水相而非界面，表面張力回升，表面活性下降。

（3）溫度與電解質濃度

溫度：升高溫度可增強分子熱運動，降低界面吸附量，使表面張力升高，CMC值增大；同時溫度升高會加快分子在固體表面的吸附-解吸速率，削弱潤濕性調控效果。25~30℃是8-羥基喹啉發揮表面活性的適宜溫度范圍。

電解質濃度：在水溶液中添加NaCl、KCl等電解質，可通過“鹽析效應”壓縮分子的雙電層，促進8-羥基喹啉分子向界面吸附，降低CMC值，增強表面張力降幅；但高濃度電解質會降低分子溶解度，導致表面活性下降。

3. 固體表面性質

固體表面的化學組成、粗糙度、電荷性質決定了8-羥基喹啉的吸附行為，進而影響潤濕性：

化學組成：表面含羥基、羧基等親水性基團的固體，易與其形成氫鍵，吸附作用強，潤濕性調控效果顯著；表面含疏水基團的固體，與它的疏水作用強，吸附膜更穩定。

表面粗糙度：粗糙表面的比表面積更大，可吸附更多8-羥基喹啉分子，形成更厚的吸附膜，潤濕性變化更明顯，例如，粗糙金屬表面經它處理后，接觸角增幅比光滑表面高10°~15°。

表面電荷：帶正電的固體表面（如陽離子交換樹脂）可與8-羥基喹啉的負電性基團（羥基、氮原子）發生靜電吸附，吸附膜定向排列更有序；帶負電的固體表面則通過疏水作用吸附它的喹啉環，潤濕性調控方向相反。

四、應用場景與研究意義

8-羥基喹啉的表面張力與潤濕性調控特性，使其在多個領域具有重要應用價值：

金屬防腐：通過在金屬表面形成疏水吸附膜，降低水分的潤濕與滲透，抑制金屬腐蝕，尤其適用于銅、鐵等金屬的防銹處理；

水處理：利用其表面活性，可增強對水體中重金屬離子的螯合吸附效率，提升水處理劑的性能；

醫藥制劑：調節藥物制劑的表面張力與潤濕性，提升藥物在生物膜表面的吸附與滲透能力，增強藥效。

本文來源于黃驊市信諾立興精細化工股份有限公司官網 http://m.autoadvert.cn/