影響高固含量石蠟乳液顆粒度因素的考察

暴軍萍1,王 靜1,李鳳艷1, 趙天波2,任曉光1

(1.北京石油化工學院 化學工程學院, 北京 102617;2.北京理工大學 理學院, 北京 100081)

摘要:以 58#石蠟為原料, 非離子與陰離子表面活性劑復配物為乳化劑, 考察了乳化劑的 HLB(親水親油平衡 )值、乳化劑用量、乳化溫度、乳化時間、攪拌速度和乳化方法等工藝條件對石蠟乳液顆粒度的影響。 結果表明, 石蠟乳化劑適宜的HLB值約為 9.3, 乳化劑的用量、乳化溫度、乳化時間、攪拌速度和乳化方法對乳液的粒度均有影響。 w(乳化劑 )=7%,乳化溫度 85 ℃ ～ 90 ℃, 乳化時間 40 min, 攪拌速度為 1 000 r/min下采用劑在油中法, 制得了平均粒度為 1.3 μm, 折光率為 1.42, 固含量約為 50%的石蠟乳液, 乳液外觀為均勻、細膩的乳白色液體。

關鍵詞:石蠟乳液;乳化劑;顆粒度

中圖分類號:TQ423.92;TE626.8+8 文獻標識碼:A 文章編號:1001 -1803(2010)03 -0174 -04

石蠟乳液在農業 、化工 、輕工、橡膠、醫藥、建筑 、食品 、造紙和陶瓷等行業中的應用越來越廣泛,因而其開發和利用倍受關注。國內已經有相關的工作報道, 劉艷新等[ 1] 用 12%的復配乳化劑制得固含量為 20%的石蠟乳狀液;LiuWeirong等[ 2] 用 8%的 Tween80 與Span80的復配乳化劑制得固含量為 20%的石蠟乳液;全紅平等[ 3] 用 10%的復配 乳化劑制得固含 量為30% ～ 35%的石蠟乳狀液 。前人研究工作中, 要想制備性能好的石蠟乳液 ,一般乳化劑的用量均較大,且石蠟乳液的固含量也較低。制備固含量高、流動性好 、乳化劑用量少的乳化蠟產品仍然是該領域需要攻克的一個難題 。目前,國內外對乳化蠟應用領域的研究不斷深入,已經向高附加值、高技術含量的特種蠟方向發展 ,形成了品種齊全、應用廣泛的特種蠟產品體系[ 4]。而固含量高的商品乳化蠟產品與固含量在 40%以下通常的乳液相比 ,具有生產效率高 、運輸成本低、干燥快 、能耗低等優點 ,現在已經成為研究熱點 ,越來越受到市場的重視[ 5]。

石蠟乳液粒度大小是表征乳液的一個重要指標。減小乳液粒度,可增加乳液的機械穩定性 、儲存穩定性和耐熱穩定性;減小乳液粒度 , 還可以改善其滲透性、成膜性能, 并使耐溶劑性能增強[ 6]。因此, 在乳液的制備中 ,粒度的控制就顯得非常重要 。乳化體系中乳化劑的用量、乳化溫度和時間[ 7]、攪拌速度和乳化方法等因素均會對乳液的粒度大小產生影響 。作者對石蠟乳化的條件和工藝進行了系統的研究 ,并詳細考察了每種因素對乳液顆粒度的影響。

1 實驗部分

1.1 藥品及儀器

58#石蠟 ,北京燕山石化公司;Span80、Tween80、平平加 A-20、硬脂酸、十二烷基硫酸鈉, 均為市售化學純試劑 。 JJ-1增力電動攪拌器 , 金壇市醫療儀器廠;HH-S型水浴鍋 ,鞏義市英峪予華儀器廠 ;TA1004電子天平 ,上海天平儀器廠;TGL-16高速離心機, 常州國華電器有限公司;Rise-2008激光粒度分析儀 ,濟南潤之科技有限公司 ;WYA-2S數字式阿貝折光儀, 上海精密科學儀器有限公司 ;DP-AW溶液表面張力測定儀, 南京桑力電子設備廠 。

1.2 石蠟乳液制備方法

將復配好的乳化劑加入到石蠟中 , 一起加熱熔化到 90 ℃左右并攪拌均勻 (A), 將一定量的水加熱到80 ℃左右 (B),在攪拌下將 (B)中的一部分緩慢加入(A)中形成 W/O型乳液, 繼續加水攪拌轉相形成 O/W型蠟乳液,乳化 25 min后, 再快速加入剩余水進行稀釋 ,乳化 15 min后便得到穩定的石蠟乳液 。

1.3 固含量測定用稱量瓶稱取 2 g左右的樣品 , 置于 105 ℃恒溫鼓風烘箱中靜置 2 h, 取出恒重 , 按下式計算固含量[ 8] :固含量 =樣品烘后質量 /樣品烘前質量 ×100%

1.4 乳液性能測試

穩定性測定 :在離心試管中加入乳液樣品 ,放入高速離心機中, 以 3 000 r/min的速度離心 30 min, 記錄乳液的分層情況 ,以出水率來表示乳液穩定性的好壞。

出水率 =水相體積 /乳液總體積 ×100%

折光率測定 :將制備好的石蠟乳液 2 ～ 3滴均勻地置于阿貝折光儀的磨砂棱鏡上 ,關緊棱鏡 ,在室溫下測定乳液的折光率 ,并記錄讀數, 重復測其 2 ～ 3次 ,取其平均值作為乳液的折光率 。

粒度大小測定:將制備好的石蠟乳液 4 ～ 5滴直接加入到激光粒度分析儀的樣品池中循環測試, 記錄遮光比在 1 ～ 2之間的粒度大小數據。

表面張力測定:采用 DP-AW溶液表面張力測定儀 ,利用最大氣泡法, 測定在 25 ℃下石蠟乳液的表面張力。

2 結果與討論

2.1 乳化劑的選擇

乳化劑的選擇對能否研制出穩定的石蠟乳液是非常重要的。經驗表明 ,多種乳化劑進行復配使用才能制備出性能比較好的乳化蠟體系[ 9]。單種乳化劑對石蠟的乳化效果并不理想, 這主要是因為乳狀液的穩定性與界面膜的強度等因素有關,一般而言,單一的表面活性劑產生的界面膜不致密 ,因而其機械強度不高,而經過復配所得的乳化劑在乳化體系中能產生協同效應 ,如增加吸附量、降低臨界膠束濃度和臨界表面張力 ,可以有效提高乳液的穩定性。目前常見的乳化劑多為陰 /非離子復配型的乳化劑[ 10]。

選用石蠟乳化劑時, HLB值是其首先要考慮的一個因素 。實驗選用 Span80, Tween80,平平加 A-20,硬脂酸和十二烷基硫酸鈉利用均勻設計軟件 ,進行配方設計,并用所得不同 HLB值的乳化劑乳化石蠟, 考察復配乳化劑 HLB值對石蠟乳化的影響 ,結果見表 1。

由表 1可以看出, 表面張力先隨 HLB值增大而減小 ,到 42.8 mN· m-1后,表面張力隨著 HLB值的增大而增大 ,說明乳化劑能降低表面張力 ,選擇表面張力的最小值時, HLB值為 9.3, 并且該 HLB值的乳化劑對石蠟的乳化效果較佳, 故選擇 9.3作為復合乳化劑的較佳 HLB值 。

乳化劑總 HLB值計算公式為 HLB混 =∑ HLBa ×A%, HLBa為單種表面活性劑的親水親油平衡值, A%為復合體系中該表面活性劑的質量分數。表面活性劑的 HLB值會因其他添加劑的存在而改變 ,而且體系組分相互作用較大時, HLB值的加和結果也存在較大的偏差。在綜合考慮 HLB值的基礎上, 利用均勻設計與優化軟件通 過實驗尋找 到了較佳 的乳化劑 配方(w/%):Span80 57.73, Tween80 20.73,平平加 A-209.43,硬脂酸 11.24,十二烷基硫酸鈉 0.87。

2.2 乳化條件對乳液粒度的影響

2.2.1 乳化劑用量對乳液粒度的影響

在乳化溫度為 90 ℃、乳化時間為 40 min和攪拌速度為 1 000 r/min的條件下采用劑在油中法, 考察乳化劑用量對石蠟乳液粒度的影響 。圖 1是乳化劑的質量分數分別為 4%, 5%, 6%, 7%和 8%時的粒度分布圖 。由圖 1可見, 乳化劑用量對乳液的粒度影響比較大 。乳化劑用量過少 , 粒度較大 ;乳化劑用量過多, 乳液中的泡沫增多, 黏度增加, 乳化效果反而不好 。當w(乳化劑 )=7%時, 乳液的綜合性能達到較佳, 乳液的平均粒度最小 ,為 1.3 μm。一般遵循采用必不可少的最低用量的原則, 因此 ,實驗選擇的乳化劑用量為7%,而多數研究中乳化劑的用量達乳液的 10%以上或為蠟用量的 20% ～ 30%[ 11 -12]。作者使用的乳化劑含量較低,大大降低了石蠟乳液的生產成本。

2.2.2 乳化溫度對乳液粒度的影響

在乳化劑用量為 7%、乳化時間為 40 min和攪拌速度為 1 000 r/min的條件下采用劑在油中法, 考察乳化溫度對石蠟乳液粒度的影響。圖 2是乳化溫度分別為 75 ℃, 80 ℃, 85 ℃, 90 ℃和 95 ℃的粒度分布圖。低于 85 ℃和高于 90 ℃時 ,乳液的粒度均較大。溫度較低時 ,乳化劑不能充分熔解, 不能參與油與水的相互作用;但乳化溫度過高, 分子運動加劇 , 粒子之間碰撞機率增加,粒度容易變大, 非離子乳化劑的水溶性會降低 ,使乳液變得不穩定而易聚結 ,因此 , 乳化溫度選擇85 ℃ ～ 90 ℃。

2.2.3 乳化時間對乳液粒度的影響

在乳化劑用量為 7%、乳化溫度為 90 ℃和攪拌速度為 1 000 r/min的條件下采用劑在油中法 ,考察乳化時間對石蠟乳液粒度的影響 。圖 3是乳化時間分別為20 min, 30 min, 40 min和 50 min的粒度分布圖 。由圖3可見,乳化時間對乳液的粒度影響較大。乳化時間過短時 ,石蠟不能充分乳化 , 制得的乳液顆粒較粗, 且穩定性較差 。當乳化時間為 40 min時 ,乳液的綜合性能達到較佳 , 平均粒度最小。 因此 , 乳化時間選擇40 min。

2.2.4 攪拌速度對乳液粒度的影響

在乳化劑用量為 7%、乳化溫度為 90 ℃和乳化時間為 40 min的條件下采用劑在油中法, 考察攪拌速度對石蠟乳液粒度的影響 。圖 4 是攪拌速度分別為400 r/min, 600 r/min, 800 r/min, 1 000 r/min和1 200 r/min的粒度分布圖。攪拌速度較小時, 石蠟分散不均勻,且石蠟和乳化劑也得不到有效而充分的混合 ,因而不能充分乳化 。當攪拌速度達到 1 000 r/min時乳液的粒度較小。如果再增大攪拌速度 ,所得的乳液泡沫過多 ,影響乳液的性能 ;同時 , 攪拌速度過快導致體系中的水分揮發程度加劇, 乳液冷卻后易變成白色的膏狀物 。

2.2.5 乳化方法對乳液粒度的影響

在乳化劑用量為 7%、乳化溫度為 90 ℃、乳化時間為 40 min和攪拌速度為 1 000 r/min的條件下,考察乳化方法對石蠟乳液粒度的影響 。圖 5是乳化方法分別為劑在水中法和劑在油中法的粒度分布圖。通過實驗 ,劑在油中法在乳液穩定性、分散性上都有一定的優勢 ,所制得的乳液粒度較小, 均一性也較好 ,因此對于該實驗選擇的乳化劑 ,較佳的乳化方法為劑在油中法。

2.3 石蠟乳液的物性參數

按 1.2石蠟乳液制備方法, 在較佳的乳化條件和工藝下制得了固含量為 50%且穩定性好的石蠟乳液,其外觀為均勻、細膩且流動性好的乳白色液體。測得乳液的折光率為 1.42,平均粒度為 1.3 μm。

3 結論

考察了石蠟乳化劑適宜的 HLB值 , 乳化劑的用量 、乳化溫度和時間、攪拌速度和乳化方法等工藝條件對石蠟乳液顆粒度的影響 。得到較佳的乳化條件和工藝 :石蠟乳化劑適宜的 HLB值約為 9.3, w(乳化劑)=7%, 乳化溫度 85 ℃ ～ 90 ℃, 乳化時間 40 min, 在1 000 r/min的攪拌速度下采用劑在油中法 。在此條件下乳化 58#石蠟 , 制得了外觀為均勻、細膩, 平均粒度為 1.3 μm,折光率為 1.42的固含量約為 50%的穩定石蠟乳液。

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