使用对环境友好的短链氟化Gemini表面活性剂进行可持续电子制造，以实现高效印刷电路板清洗

《Journal of Cleaner Production》：Sustainable electronics manufacturing using environmentally safe short chain fluorinated Gemini surfactants for high efficiency printed circuit board cleaning

本研究设计合成短链氟化季铵盐及其Gemini衍生物，系统表征表明F9N2C6（n=6）在PCB清洁中残留量仅0.154 μg/cm2，远低于行业标准（1.56 μg/cm2），密度泛函理论揭示其与树脂基污染物强相互作用机制，为开发环保高效清洁剂提供新策略。

　　

黄云叶|黄乐文|周晨|唐丹妮|尹向宇|肖龙强|赵瑞|侯林曦

中国福建省福州市福州大学化学工程学院氟氮化学品国家重点实验室，邮编350108

摘要

尽管长链氟化表面活性剂在清洁印刷电路板（PCBs）以确保设备可靠性方面发挥着不可或缺的作用，但其毒性、持久性和生物累积潜力对环境和健康构成了严重威胁。为了解决这些问题，人们开发了短链替代品，但这种替代品导致的表面活性下降引发了性能与可持续性之间的矛盾。为了解决长链氟化表面活性剂的问题，我们设计并合成了一种短链氟化季铵表面活性剂以及一系列具有不同烷基间隔长度的Gemini衍生物。系统表征表明，这些表面活性剂具有优异的表面活性、起泡性和乳化性能。Gemini表面活性剂在水中形成球形胶束，且胶束大小随间隔长度的增加而增大。PCB清洁测试显示，仅需0.5%的表面活性剂浓度（W_r,NaCl为0.154 μg cm^?2），即可有效去除基于松香的污染物和离子污染物，这一数值远低于IPC行业标准的1.56 μg cm^?2。密度泛函理论（DFT）计算揭示了季铵基团与松香羧基团之间的强相互作用，为它们高效去除松香基杂质的机制提供了分子层面的解释。基于这些发现，我们使用最优Gemini表面活性剂开发了一种高性能的水基清洁配方，在10分钟内实现了超过94%的清洁效率。本研究阐明了氟化Gemini表面活性剂的构效关系，并强调了它们作为环保且高效清洁剂在可持续电子制造中的潜力。

引言

近年来，由于氟化表面活性剂独特的分子结构、优异的表面活性、卓越的热稳定性和化学稳定性以及独特的疏水性和疏油性，它们已成为材料研究领域的重要对象（Awoyemi等人，2025年；Tanaka等人，2023年）。然而，两种典型的传统氟碳表面活性剂——全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸盐（PFOS）已被证实具有高毒性、在环境中持久存在并具有生物累积性（Fitzgerald等人，2018年；Krafft和Riess，2015年；Singh等人，2023年）。因此，这两种物质在全球范围内已被禁止或受到严格限制，迫切需要寻找环境友好的替代品。

为应对这一挑战，最近的研究集中在开发环保型氟化表面活性剂上。一种广泛采用的策略是缩短全氟链的长度（通常为四到六个碳原子），这已被证明可以降低其毒性和生物累积潜力（Thasma Subramanian等人，2020年；Wang等人，2024年；Zdziennicka和J?czuk，2020年）。Wang的研究团队（Shi等人，2022年）将一种短链非离子氟化表面活性剂作为新型农用增效剂应用于玉米叶片。然而，这种改性往往会影响表面活性和界面性能，如何协调环境安全与高性能之间的矛盾仍然是一个严峻的挑战（Peng等人，2024年）。

为了解决这一难题，Gemini表面活性剂的设计成为了一种有前景的方法。Gemini表面活性剂分子包含两个疏水尾部和两个亲水头部，由一个间隔基团连接（Mao等人，2025年；Yao等人，2022年）。与传统单链表面活性剂相比，Gemini表面活性剂通常具有更低的临界胶束浓度（CMC）、更高的表面活性、更好的溶解能力以及更优的润湿和起泡性能（Bajani等人，2018年；Kumar等人，2020年、2025b年；Li等人，2025年；Ning等人，2023年）。理论和实验研究均证实，Gemini表面活性剂的独特结构有助于实现紧密的界面堆积和多样的自组装。因此，将短链氟化与Gemini结构相结合是一种有效的分子设计策略，可以实现高性能和环境兼容性（Li等人，2024年；Wei等人，2025年）。

在电子制造行业中，这类表面活性剂尤其受到青睐，因为表面清洁度对产品可靠性至关重要（Yan等人，2016年）。印刷电路板（PCBs）是电信、计算和消费电子产品中的关键组件，在制造过程中容易受到助焊剂残留物、粘合剂和金属离子的污染（Li和Tian，2024年；Zhang等人，2024年）。这些污染物可能导致短路、泄漏或腐蚀，严重影响设备性能。因此，高效且环保的清洁配方对于确保产品稳定性和可靠性至关重要（Chelazzi等人，2020年）。

随着环境法规的日益严格和绿色制造趋势的推进，水基或半水基清洁系统逐渐取代了传统的溶剂基配方。在这些系统中，表面活性剂作为关键活性成分，提供乳化、分散、润湿和溶解功能（Owoseni等人，2018年；Wei等人，2019年）。与传统的碳氢化合物表面活性剂相比，氟化表面活性剂可以显著降低表面张力（通常降至15-20 mN/m），并表现出理想的性能（Yao等人，2025年）。在PCB清洁中，基于松香的助焊剂和油脂等污染物会形成低能量的疏水/亲油表面。氟化表面活性剂可以降低表面张力，使清洁溶液能够自发润湿并渗透这些难以处理的界面，这是去除污染物的关键步骤（Peng等人，2024年；Tanaka等人，2023年）。迄今为止，关于同时具备环境兼容性和优异清洁效果的短链氟化Gemini表面活性剂的系统研究仍然较少。此外，对其界面行为和污染物去除机制的构效关系了解不足，限制了合理的设计。

在此背景下，我们设计并合成了一种短链氟化季铵表面活性剂（F9N），以及一系列基于F9N的Gemini表面活性剂（F9N2C4、F9N2C6和F9N2C8），这些表面活性剂具有不同的烷基间隔长度（图1）。所有化合物的表面性质都经过了系统表征。此外，这些表面活性剂被应用于PCB清洁实验中，以评估它们去除基于松香的污染物和离子污染物的效果。其中，F9N2C6表现出出色的表面活性和清洁性能。本研究旨在阐明这些氟化Gemini表面活性剂的构效关系，并探索它们作为环保、高效清洁剂在电子工业中的潜力。

表面活性剂的合成方法

F9N及其Gemini表面活性剂F9N2Cn（n = 4, 6, 8）的合成路线如图1所示。所有化合物均通过相似的方法获得，并通过¹H和¹⁹F NMR、FTIR光谱和质谱进行了验证（详见支持信息）。

表面张力

表面张力在25°C下使用KRUSS K100C测力计（KRUSS，德国）和Wilhelmy板法进行测量。数值代表三次独立测量的平均值。该仪器每天都会进行校准。

合成表面活性剂的表征

F9N和F9N2Cn（n = 4, 6, 8）的结构通过¹H NMR（图S1）和¹⁹F NMR（图S2）进行了表征。观察到与-CH₃基团对应的信号（δ 3.08-3.14 ppm，单峰），表明三甲基胺已成功掺入表面活性剂中。苯环的信号（δ 7.5-8.0 ppm，双峰）也清晰可见（Zhu等人，2024年），证实了F9N和F9N2Cn（n = 4, 6, 8）的成功合成。含有氟的链的存在也被确认。

选择用于水基清洁剂的碱性成分

通过皂化反应，水基清洁剂中的碱性成分可以有效去除PCBs上的羧酸和树脂等污染物（Kikuchi等人，2011年）。为了选择合适的碱性成分，我们比较了使用不同碱性成分的表面活性剂清洁后的PCBs的残留物和离子污染情况（图6a–b，图S4）。结果表明，NaOH和乙醇胺溶液都具有一定清洁能力。然而，NaOH的强碱性...

结论

本研究设计并合成了一种短链氟化季铵表面活性剂（F9N）以及一系列具有不同间隔长度的Gemini表面活性剂（F9N2Cn，n = 4, 6, 8）。结果表明，Gemini结构显著降低了临界胶束浓度（CMC）。F9N2C6具有C6间隔长度，在分子刚性和灵活性之间达到了最佳平衡，从而在气液界面上实现了最紧密和最有效的排列。

CRediT作者贡献声明

黄云叶：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、数据管理。黄乐文：撰写——初稿、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。唐丹妮：可视化、验证、资源管理、方法学。尹向宇：软件开发、资源管理、方法学。肖龙强：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、资金获取、概念化。赵瑞：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了福建省自然科学基金（2023J01265）、国家自然科学基金（U21A20313）以及福州大学“111”计划的支持。