8-羟基喹啉的表面张力与润湿性研究及其影响因素

8-羟基喹啉（8-HQ）是一种含氮杂环芳香族化合物，兼具疏水性芳环结构与亲水性羟基、氮原子，其分子结构的两亲性赋予了独特的表面活性与润湿性能，这类特性不仅影响其在溶液中的分散、吸附行为，更决定了其在水处理、金属防腐、医药制剂等领域的应用效果。以下从表面张力与润湿性的基本特性、作用机制及关键影响因素展开系统阐述。

一、表面张力特性与作用机制

1. 溶液表面张力的变化规律

8-羟基喹啉在水相或有机溶剂中均具有一定的表面活性，可降低溶剂的表面张力，且表面张力降幅与浓度呈显著相关性，遵循表面活性剂的浓度-表面张力关系特征：

稀浓度区间：当8-羟基喹啉的浓度低于临界胶束浓度（CMC）时，分子优先吸附于溶液-空气界面，其疏水性的喹啉环朝向空气相，亲水性的羟基与氮原子朝向水相，通过定向排列减少界面分子间的作用力，使溶液表面张力随浓度升高而快速下降。实验数据显示，25℃下纯水的表面张力约为72.8mN/m，当8-羟基喹啉的浓度达到0.05mol/L时，水溶液表面张力可降至55~60mN/m。

临界胶束浓度（CMC）区间：当浓度升高至CMC时，溶液表面张力降至极低值（约50~52mN/m），此时界面吸附达到饱和，多余的8-羟基喹啉分子在溶液内部形成胶束，胶束结构同样为疏水性基团向内、亲水性基团向外，表面张力不再随浓度升高而变化。8-羟基喹啉的CMC受溶剂性质影响显著，在极性有机溶剂（如乙醇、丙酮）中，CMC值高于水相，表面张力降幅相对较小。

浓浓度区间：浓度超过CMC后，表面张力维持稳定，胶束数量随浓度增加而增多，这一特性使其具备作为弱表面活性剂的应用潜力，可用于调节溶液的分散性与润湿性。

2. 表面活性的分子机制

8-羟基喹啉的表面活性源于分子结构的两亲性协同效应：

喹啉环为平面共轭芳香结构，具有强疏水性，可通过范德华力与疏水作用聚集于界面；

环上的羟基（-OH）与氮原子含有孤对电子，可与水分子形成氢键，赋予分子亲水性，确保其在水相中的分散性；

分子在界面的定向排列形成了一层致密的吸附膜，该膜可阻碍溶剂分子的界面迁移，从而降低表面张力，且吸附膜的稳定性与分子间的氢键作用、π-π堆积作用密切相关。

二、润湿性特性与作用机制

润湿性是指液体在固体表面的铺展能力，通常以接触角作为评价指标（接触角＜90° 为润湿，＞90° 为不润湿）。8-羟基喹啉可通过吸附于固体表面或调节溶液表面张力，改变固-液界面的相互作用，进而影响润湿性，其作用机制分为两种类型：

1. 对亲水固体表面的润湿性调控

对于玻璃、金属氧化物等亲水固体表面，8-羟基喹啉分子可通过化学吸附或物理吸附作用于固 - 液界面：

分子中的羟基与氮原子可与固体表面的羟基（如玻璃表面的-Si-OH）或金属离子（如Fe³⁺、Cu²⁺）形成氢键或配位键，使疏水性的喹啉环朝向溶液相，在固体表面形成一层疏水吸附膜；

该吸附膜会增大固-液界面张力，导致溶液在固体表面的接触角增大，润湿性下降，例如，纯水在洁净玻璃表面的接触角接近0°（完全润湿），而0.1mol/L的8-羟基喹啉水溶液接触角可升至30°~40°，这种特性使其可用于金属表面的疏水防护，减少水分对金属的腐蚀。

2. 对疏水固体表面的润湿性调控

对于石蜡、聚四氟乙烯等疏水固体表面，8-羟基喹啉的作用机制相反：

分子的亲水性基团朝向固体表面，疏水性基团朝向溶液相，通过降低固-液界面张力，促进溶液在固体表面的铺展；

同时，8-羟基喹啉降低溶液表面张力的作用可减少液体的表面收缩力，进一步提升铺展能力，使接触角减小，润湿性增强，例如，8-羟基喹啉乙醇溶液在石蜡表面的接触角比纯乙醇低15°~20°，表现出更好的润湿效果。

三、影响8-羟基喹啉表面张力与润湿性的关键因素

8-羟基喹啉的表面活性与润湿性并非固定不变，受分子结构修饰、溶液环境、固体表面性质等多种因素调控，具体如下：

1. 分子结构修饰

通过化学改性引入不同官能团，可显著改变8-羟基喹啉的表面活性与润湿性：

引入亲水基团：在喹啉环上引入羧基（-COOH）、磺酸基（-SO₃H）等强亲水基团，可增强分子亲水性，降低CMC值，提升表面张力降幅，同时增强对疏水固体的润湿性；

引入疏水基团：引入烷基、芳基等疏水基团，可增强分子的疏水性，提高界面吸附能力，使表面张力低值进一步降低，但会降低其在水相中的溶解度；

金属离子配位：8-羟基喹啉可与Cu²⁺、Zn²⁺、Al³⁺等金属离子形成稳定的螯合物，螯合物的表面活性远高于游离分子，例如8-HQ-Cu²⁺螯合物水溶液的表面张力低可降至45mN/m，且螯合物在固体表面的吸附膜更致密，润湿性调控效果更显著。

2. 溶液环境因素

（1）溶剂性质

溶剂的极性直接影响8-羟基喹啉的溶解度与表面活性：

在强极性溶剂（如水、甲醇）中，8-羟基喹啉的溶解度较高，分子分散性好，表面张力降幅大；

在弱极性或非极性溶剂（如苯、正己烷）中，它的溶解度低，分子易聚集，表面张力降幅较小；

混合溶剂体系（如水-乙醇混合液）可调节8-羟基喹啉的溶解与吸附行为，当乙醇体积分数为30%~50%时，它的CMC值降至低，表面活性极优。

（2）溶液pH值

8-羟基喹啉的解离状态受pH调控，进而影响其表面活性与润湿性：

酸性条件（pH＜5）：8-羟基喹啉分子中的氮原子质子化（形成-NH⁺），亲水性增强，分子更易分散于水相，界面吸附量减少，表面张力降幅略低；但质子化后的分子与带负电的固体表面（如金属氧化物）静电作用增强，吸附膜更稳定，对润湿性的调控效果更显著。

中性至弱碱性条件（pH 6~9）：8-羟基喹啉以分子态存在，两亲性平衡极佳，界面吸附能力很强，表面张力降幅极大，是发挥表面活性的适宜pH区间。

强碱性条件（pH＞10）：8-羟基喹啉的羟基发生解离（形成-O⁻），亲水性显著增强，分子更倾向于分散在水相而非界面，表面张力回升，表面活性下降。

（3）温度与电解质浓度

温度：升高温度可增强分子热运动，降低界面吸附量，使表面张力升高，CMC值增大；同时温度升高会加快分子在固体表面的吸附-解吸速率，削弱润湿性调控效果。25~30℃是8-羟基喹啉发挥表面活性的适宜温度范围。

电解质浓度：在水溶液中添加NaCl、KCl等电解质，可通过“盐析效应”压缩分子的双电层，促进8-羟基喹啉分子向界面吸附，降低CMC值，增强表面张力降幅；但高浓度电解质会降低分子溶解度，导致表面活性下降。

3. 固体表面性质

固体表面的化学组成、粗糙度、电荷性质决定了8-羟基喹啉的吸附行为，进而影响润湿性：

化学组成：表面含羟基、羧基等亲水性基团的固体，易与其形成氢键，吸附作用强，润湿性调控效果显著；表面含疏水基团的固体，与它的疏水作用强，吸附膜更稳定。

表面粗糙度：粗糙表面的比表面积更大，可吸附更多8-羟基喹啉分子，形成更厚的吸附膜，润湿性变化更明显，例如，粗糙金属表面经它处理后，接触角增幅比光滑表面高10°~15°。

表面电荷：带正电的固体表面（如阳离子交换树脂）可与8-羟基喹啉的负电性基团（羟基、氮原子）发生静电吸附，吸附膜定向排列更有序；带负电的固体表面则通过疏水作用吸附它的喹啉环，润湿性调控方向相反。

四、应用场景与研究意义

8-羟基喹啉的表面张力与润湿性调控特性，使其在多个领域具有重要应用价值：

金属防腐：通过在金属表面形成疏水吸附膜，降低水分的润湿与渗透，抑制金属腐蚀，尤其适用于铜、铁等金属的防锈处理；

水处理：利用其表面活性，可增强对水体中重金属离子的螯合吸附效率，提升水处理剂的性能；

医药制剂：调节药物制剂的表面张力与润湿性，提升药物在生物膜表面的吸附与渗透能力，增强药效。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/