高效固体切片石蜡乳液制备工艺改进

具有良好稳定性的石蜡乳液的制备及改进

侯长军1, 2,刘勇1,霍丹群2,杨眉2,法焕宝1,傅深娜1

(1.重庆大学 化学化工学院, 重庆 433000;2.重庆大学 生物工程学院, 重庆 433000)

摘 要:选用 Span80、Tween80为石蜡复配乳化剂, 采用 O-D乳化法与 PIT法相结合研究了乳化剂 HLB值、乳化剂用量、乳化水加入方式及用量、乳化时间、乳化温度 、搅拌方式及搅拌速度对石蜡乳液制备的影响。 结果表明, 适宜的乳化工艺条件为:复合乳化剂的 HLB为 10.5, 复合乳化剂的用量(M乳化剂/M石蜡 )为 30%, 乳化水用量(M水/M石蜡 )为 2.5, 乳化时间 30 min, 乳化温度 75 ℃, 搅拌速度 1 000 r/min。 在该条件下可制得具有良好稳定性和分散性的石蜡乳液, 粒径单分散性也较好。

关键词:石蜡乳液;HLB;乳化剂;粒径

中图分类号:O648.2+3 文献标识码:A 文章编号:1671 -3206(2010)02 -0175 -04

石蜡乳液是借助乳化剂的定向吸附作用, 通过机械外力的作用下均匀地分散在水中 ,制成的一种含蜡含水的均匀流体。使用时无需加热熔融或用溶剂溶解。石蜡乳液具有粘度低、无毒、无特殊性刺激气味 、涂层滑、覆盖性好 、高效和低成本等优点,因此在工业上的应用十分广泛。如皮革业用作皮革涂饰的添加剂 、光亮剂、消光剂和手感剂 ;在建筑业用作钢筋混凝土固化;在农业用作林木果树的防冻剂和果品保鲜剂;轻工、橡胶行业用作上光剂 、涂料和助剂;水性涂料及水性油墨业用作提高涂膜的抗划伤性能 、表面疏水性能以及抗粘防污性能 ;在造纸工业上用作纸浆施胶剂等[ 1]。

石蜡乳液的生产在国外已相当成熟 , 最早是美孚石油公司在 20世纪 50年代研究开发, 60年代在美国普遍使用。 20世纪 70 年代, 英国 、德国 、日本也开始研究和使用石蜡乳液[ 2]。而我国国内的石蜡乳液产品才刚刚起步,生产的石蜡乳液品种 、规格都很少 ,所以我国的石蜡乳液市场潜能巨大,课题研究意义重大 。

石蜡是一种内聚力较强的油性有机物, 由于其分子是由直链的饱和碳氢组成 ,难溶于水 ,若将其与水混合制成稳定的 O/W石蜡乳液 , 乳化剂的选择是最关键的因素。乳化剂的选择通常是以亲水 -亲油平衡值(HLB)为依据[ 5],石蜡乳化的 HLB范围在9 ～ 12, 很难找到一种 HLB值与石蜡乳化所需 HLB值相符合的乳化剂。但是乳化剂通过复配可以发挥其表面活性剂的协同作用 ,达到良好的乳化效果,而且根据微小乳液形成理论 , 加入与表面活性剂性质不同的 C4 ～ C8[ 3]醇可以进一步降低界面张力, 增加界面强度, 促使乳化易于进行, 形成稳定均匀的微乳 。只有与石蜡的 HLB值相近的乳化剂 ,才能将石蜡很好的乳化,所以复配出合适的石蜡乳化剂是乳化石蜡的关键 。因此本实验选择非离子乳化剂Span-80、Tween-80 进行复配 , 得到复合乳化剂[ 6]。研究了复合乳化剂 HLB值 、复合乳化剂用量、乳化水用量及加入方式 、乳化时间 、乳化温度 、搅拌速度及搅拌方式对石蜡乳液性能的影响 , 为制得稳定的石蜡乳液提供新的思路及可靠的实验数据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

液体石蜡、Span-80、Tween-80均为工业品;1, 3-丁二醇为分析纯;去离子水。JJ-1型电动搅拌器;HH-2 数显恒温水浴锅;LXJ-IIB离心机;Rise-2008型激光粒度仪。

1.2 实验方法

采用剂在油中法。将一定量的液体石蜡加入到三口烧瓶中,放入恒温水浴锅。在慢速搅拌下加入乳化剂 Tween-80、Span-80, 助乳化剂 1, 3-丁二醇, 快速搅拌,先加入少量水, 形成 W/O型乳液, 然后加入剩下的水形成 O/W型乳液 ,快速冷却 ,得成品乳液[ 3]。本乳化方法为微乳液的 O-D(液晶相 )乳化法与 PIT(转相温度法 )相结合 。

1.3 石蜡乳液的性能测定

1.3.1 分散性 分散性分为 5个等级 , 一级为较好, 五级最差[ 4]。

1.3.2 离心稳定性 按 GB11543— 89标准 , 将样品放 入离心机, 在 4 000 r/min的转速 下, 离心10 min,不发生分层即为稳定 。

1.3.3 乳液粒径大小测定 将石蜡乳液用去离子水稀释 1 000倍,用激光粒度仪测定其粒径大小。

2 结果与讨论

2.1 HLB值对乳化效果影响当乳化剂的 HLB值在 10.0 ～ 11.0 范围时 , 乳化的稳定性能好 , 见表 1。同时, 由图 1可知 , HLB值为 10.5 时, 乳液粒径最小 , 说明此时乳化剂的HLB值与石蜡的 HLB值最为相近 ,乳液颗粒细小均匀。因此 ,选择 HLB值为 10.5的乳化剂 。

2.2 复合乳化剂用量对石蜡乳化的影响

表面活性剂作为乳化剂,其作用有:①降低界面张力;②形成牢固的保护膜 ;③分散双电层 。当界面完全被乳化剂覆盖时 ,界面张力下降到最低值 ,形成完整的保护膜和建立稳定的双电层, 即制得稳定的乳状液[ 7]。因此, 只有加入适量的表面活性剂的乳化剂才能达到较佳乳化效果。

乳化剂用量为 15%时 , 乳液出现分层, 且上层有少许油滴 ;随着乳化剂用量的增加 ,乳液的稳定性和分散性随之增强, 粒径逐渐减小 (见表 2)。乳化剂用量为 35%和 30%时 , 它们粒径相差不大 (见图 2),但当乳化剂用量为 35%时, 会产生大量气泡 ,带来后续消泡问题, 且乳液防水性开始下降[ 8]。因此 ,选择 30%为合适乳化剂的用量 。

2.3 乳化水用量及加入方式的影响

乳液的质量与乳化水的用量及加入的顺序和方法有关。水的加入方式也有很大的影响[ 7], 水分多次且连续加远比一次加入足够的水所得的乳液的质量好 。先加入少量的热水 , 形成 O/D液晶相 , 转相时迅速加完余下的热水, 这个过程可以发挥乳化剂的协同效应。

由表 3可知,当 M水 /M石 蜡 为 2.0时 ,出现分层,因为此时的乳化水用量过少不易形成水包油型乳液, 导致乳液稳定性和分散性较差 , 油层和水层分离;当 M水 /M石蜡 为 4.0时, 也出现分层现象 ,是由于乳化水用量过多,乳液浓度降低,乳液不稳定导致分层。 M水 /M石蜡 在 2.5 ～ 3.5范围时乳液的性能较好,且在 2.5时粒径最小 ,见图 3。因此,选择 M水 /M石蜡为 2.5为合适乳化水用量 。

2.4 乳化时间的影响

较佳的乳化时间,不仅能保证产品质量 ,而且能提高生产效率 ,降低能耗 。乳化时间太短,石蜡不能充分乳化 ;乳化时间太长造成浪费而且还会造成乳液质量下降[ 9]。由表 4 可知 , 乳化时间为 20 min时, 离心后出现分层现象,说明乳液性能差 ,因为乳化剂与石蜡还没有完全反应 ,乳化效果差 ;乳化时间为 50, 60 min时 ,离心后同样出现分层现象, 说明乳液也不稳定 ,因为乳化时间过长,乳液中的颗粒相互接触机会多 ,易重新凝聚形成大的颗粒不利于细小均匀液滴形成 ,从而导致其性质下降;乳化时间在 30、40 min时 ,乳液性能稳定 , 粒径大小相差微小 , 见图 4。从节约能耗的角度 ,选择 30 min为合适乳化时间 。

2.5 乳化温度的影响

本实验采用非离子表面活性剂 , 所以温度影响是一个重要因素 。因为当温度下降时, 非离子表面活性剂的亲油性下降而亲水性上升 。体系会从W/O向 O/W转变 ,发生转相, 称为转相温度, 对于O/W型乳液 PIT温度应该比乳液储藏温度高 20 ～60 ℃[ 10],当乳化温度在 PIT相近时, 乳液的粒度最小且均匀。

由表 5可知,温度为 70 ℃时, 离心后乳液出现分层 ,乳液的性能较差, 说明此时乳化温度所提供的能量不能使搅拌时石蜡更好的分散;温度为 90 ℃时, 离心后乳液也出现分层 , 乳液性能也较差, 因为温度过高时,乳化剂分子运动加剧 ,降低乳化剂分子在石蜡表面的定向吸附 ,不利于乳化的进行 ;温度在75 ～ 85 ℃时, 乳液稳定性好。

由图 5可知,温度 75 ℃时粒径最小。因此, 选择 75 ℃为合适乳化温度。

2.6 搅拌方式和搅拌速度的影响

石蜡乳液的粒度大小与搅拌速度有直接的关系。稳定的乳液粒度一般在 0.1 ～ 0.5 μm, 1 μm以上的粒子因 Ostwald成熟现象[ 11] 容易再次聚集, 放置易返粗 。实验中开始以慢速搅拌使石蜡与乳化剂充分的混合,以利于乳化剂吸附在石蜡界面上。在其转相时高速搅拌 ,使石蜡以细小微粒均匀的分散水中 。实验中研究转相后的搅拌速度。

由表 6可知 ,搅拌速度在 600 ～ 1 200 r/min时,乳液性能稳定 ,此时搅拌速度提供足够剪切力,使石蜡分散在水中 。搅拌速度 1 500 r/min, 乳液出现分层。因为搅拌速度过高 ,将已经结合好的胶团打散,使乳液破乳,影响其稳定性。

由图 6可知, 随着搅拌速度的加快,乳液的粒径是逐渐减小的,高剪切力使得油相以更细小微粒分散于水中,搅拌速度在 1 000, 1 200 r/min粒径相差微小。从节约能耗的角度, 选 1 000 r/min为合适搅拌速度 。

3 结论

采用 O-D乳化法与 PIT法相结合制备石蜡乳液的较佳工艺为:复合乳化剂 HLB值 10.5, 复合乳化剂用量 30%, 乳化水 M水 /M石蜡 为 2.5, 乳化时间30 min,乳化温度 75 ℃, 搅拌速度 1 000 r/min。乳化水分 3次加入且加入乳化水的温度与乳化时的温度相近 ,乳液由 W/O型到 O/W型经过充分的 O/D液晶过程,利于乳液的稳定。乳化温度在 75 ℃时 ,与石蜡 PIT温度相近 ,制得的乳液的粒径均匀细小且性能稳定 。以间歇式搅拌 ,开始低速搅拌使复合乳化剂在石蜡界面上的吸附 ,稳定后再高速搅拌使石蜡以细小微粒均匀分散在水中。较佳工艺可制备稳定石蜡乳液,因此具有十分广泛的应用前景 。

参考文献:

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