非離子型石蠟乳液的制備

非離子型石蠟乳液的制備

江金龍，黃鈴

(湖南化工職業技術學院，湖南 株洲 412004)

[摘 要]以 58#石蠟和復配乳化劑為原料,采用劑在油中法，制備了非離子石蠟乳液。考察了乳化劑類型、乳化劑用量、乳化溫度、乳化時間、攪拌速度對石蠟乳液性能的影響。確定了較佳乳化工藝條件：復配乳化劑用量 9 %，乳化溫度 85 ℃，乳化時間 40 min，攪拌速度 500 r/min。成品含固量約為 30 %，具有良好的穩定性和分散性。

[關鍵詞]石蠟；非離子；復配乳化劑；劑在油中法

[中圖分類號]TQ [文獻標識碼]A [文章編號]1007-1865(2011)11-0045-02

石蠟乳液產品已廣泛應用于造紙、紡織、皮革、建筑、化妝品和汽車保養等行業。石蠟是具有直鏈碳氫結構的長鏈化合物，分子中不含親水基團，油性較強。其乳化關鍵是將石蠟分散成微小液滴，并使其表面定向吸附乳化劑分子，在蠟水界面形成具有一定機械強度，帶有電荷的乳化劑單分子界面膜，親油基團朝蠟，極性基團朝水，使蠟滴穩定分散于水中而不易接近凝聚[1]。要想獲得質量穩定的乳液，必須選擇好乳化劑并控制好乳化工藝。根據所使用表面活性劑的類型，石蠟乳液可分為非離子型、陰離子型、陽離子型和兩性離子型。非離子型產品不易受酸、堿及無機鹽類影響，性能穩定，應用廣泛[2]。文章即選用非離子表面活性劑Span80、Tween80、硬脂酸和助乳劑復配作為58#石蠟乳化劑，控制適宜的乳化工藝條件，制備了具有良好穩定性和分散性的非離子石蠟乳液。

1 實驗部分

1.1 原材料

58#全精煉石蠟、Span80、Tween60、硬脂酸和助乳劑(均為工業級)。

1.2 試驗方法

采用劑在油中法，將計量的石蠟和復配乳化劑加入到反應器中，水浴加熱升溫；待石蠟熔解一半左右時，啟動增力電動攪拌器緩慢攪拌；至完全熔解后，加入少量同溫預熱水，充分攪拌形成W/O型乳液；再逐步加入一部分同溫預熱水，充分攪拌形成O/W型乳液；最后加入剩余同溫預熱水，稀釋乳液至目標含固量。

1.3 石蠟乳液性能測試

(1)穩定性測試將10 mL蠟乳液注入離心試管，于離心機中以3000 r/min轉速離心30 min，如果乳液不分層則為穩定。

(2)分散性測試[3]分散性參照農乳的測定方法，分為五等級，一級較好，五級最差。一級：將石蠟乳狀液滴入水中，能迅速地分散成帶藍色熒光云霧狀分散液，稍加攪動后成藍色或蒼白色透明溶液。二級：將石蠟乳狀液滴入水中，能迅速自動分散成藍白色云霧狀帶熒光的分散液，稍加攪動成藍色半透明溶液。三級：將石蠟乳狀液滴入水中，呈白色云霧狀或條狀分散液，攪動后得乳白色稍帶熒光的不透明乳液。四級：將石蠟乳狀液滴入水中，呈白色微粒浮在水面，攪動后仍能成為乳白色不透明的乳液。五級：將石蠟乳狀液滴入水中，呈大顆粒浮在水面，攪動后雖能乳化，但立即發生分層，石蠟上浮。

1.4 成品質量指標外觀呈乳白色粘液；pH為6.0~7.0；含固量約30 %；以3000r/min轉速離心30 min不分層。

2 結果與討論

2.1 乳化劑類型對乳液性能的影響

乳狀液是熱力學不穩定體系，影響乳狀液穩定性的因素很多，其中乳化劑類型影響最大。乳化劑的選擇通常以親油親水平衡值(HLB)為依據，每一種表面活性劑都具有一定的HLB值。使用單一乳化劑雖然降低了物系的ΔG ，可以形成石蠟乳液，但卻增加了乳液的界面自由焓，不能使體系保持穩定[4]。復配乳化劑間具有協同效應。因此，文章選擇與乳化石蠟的HLB值(9~13)相近的乳化劑作為參考，考察了不同復配體系對乳液性能的影響，其結果如表1所示。

表1 不同復配乳化劑對乳液性能的影響

由表1可以看出，單用Span80和Tween80復配體系，還不能制得穩定的石蠟乳液。復配體系中引入硬脂酸后，乳液穩定性得到明顯提高。文章所選助乳劑為有機堿類，適量的引入進一步提高了乳液的分散性。究其原因，一方面是有機堿對硬脂酸起到了中和作用；另一方面，其中和產物也有助于乳液穩定性的提高。后續試驗均采用此復配體系。

2.2 乳化劑用量對乳液性能的影響

乳化過程實質是利用表面活性劑降低溶液表面張力的過程。乳化劑用量太少，溶液表面張力下降較小；隨著乳化劑用量的增加，溶液表面張力降至一定值，乳液趨于穩定；再增加乳化劑用量，表面張力變化很小，對乳液性能影響較小。但過高的乳化劑用量，會增加產品成本。由表2可知，乳化劑較佳用量為9 %。

2.3 乳化溫度對乳液性能的影響

溫度升高，分子動能增加，親水性基團水化程度減小，易轉化為W/O型乳狀液。當溫度降低時，易形成O/W型乳狀液。在一定條件體系中，此轉化溫度就是該體系中乳化劑的親水親油性達到平衡溫度，稱為相轉化溫度(PIT)。對于O/W型乳狀液，一種合適的乳化劑其PIT應比乳液的保存溫度高20～60 ℃；對于W/O型乳狀液，其合適的乳化劑PIT應比保存溫度低10～40 ℃。石蠟乳液的PIT在90 ℃左右，在其附近加入同溫度水，易發生相轉變，且乳液穩定性好[5]。乳化溫度對乳液性能的影響如表3所示。

表3 乳化溫度對乳液性能的影響

根據表3結果，選擇85 ℃為較佳乳化溫度。溫度過低，將影響乳化程度甚至不能成功乳化；溫度過高，乳化劑分子運動加劇，將降低乳化劑分子在蠟水界面的定向吸附性能，亦不利于乳化，高溫條件更增加了生產成本。同時，乳化所用預熱水溫度也應維持在85 ℃左右，不宜與體系相差太大。若乳液急劇受冷，保護膜急劇收縮降低了自身強度，乳液穩定性隨之下降，甚至出現破乳現象。

2.4 乳化時間對乳液性能的影響

文章所講乳化時間即從第一次加入預熱水開始，到最后加入稀釋用預熱水為止，不包含乳化結束體系冷卻所用時間。時間過短，石蠟與乳化劑接觸機會降低，可能導致乳液于W/O型階段轉相不成功，嚴重影響乳液質量。時間過長，雖對乳液性能無明顯不良影響，但加工時間的延長會增加生產成本。由表4可以看出，乳化時間控制在40 min為宜。

2.5 攪拌速度對乳液性能的影響

攪拌速度會影響乳液性能。速度過慢，將不能使石蠟與乳化劑充分接觸，無法將油相較好的乳化；速度過快，體系易產生較多泡沫，尤其在乳化劑分子吸附到兩相界面上形成膠團后，激烈攪拌不利于牢固保護膜和分散雙電層的形成，影響乳液質量。試驗中發現，攪拌速度太快會使蠟乳液產生破乳現象，嚴重影響乳液性能。因此，根據表5結果，最終選擇500 r/min作為乳化時的攪拌速度。

3 結論

(1)制備非離子石蠟乳液的較佳工藝條件是：以 Span80、Tween80、硬脂酸和助乳劑復配體系為石蠟乳化劑，復配乳化劑用量 9 %，乳化溫度 85 ℃，乳化時間 40 min，攪拌速度 500 r/min。(2)成品外觀呈乳白色粘液；pH 為 6.0~7.0；含固量約 30 %；以 3000 r/min 轉速離心 30 min 不分層；具有良好的穩定性和分散性。

應選擇稀土固體超強酸 SO42--La3+/TiO2 作催化劑。由于固體超強酸的活性中心是質子酸中心加上路易斯酸中心，在不同的化學反應中或是單酸中心起主導作用，或是二者協同作用。對稀士固體超強酸 SO42--La3+/TiO2來說，可看作是在 SO42-/TiO2 的表面上吸附的 SO42-又吸附了一定量的 La3+，而 La3+本身就是路易斯酸，通過 SO42-的吸附不但增強了 La3+的路易斯酸強度，而且又使得該催化劑比 SO42-/TiO2 多了一部分路易斯酸中心。由于酸度提高，其催化活性也較高。

2.5 催化劑的用量對酯產率的影響采用 1.3 節的合成方法，微波輻射功率 420 W(350 W)，微波輻射時間 4.0 min(3.0 min)，其它條件不變，催化劑用量范圍為0.2~1.2 g，考察催化劑的用量對反應的影響，結果表明，合適的催化劑用量均為0.6 g，異戊醇產率可達 94.8 %；異辛酯產率為 92.6%。

2.6 催化劑的重復使用次數對酯產率的影響采用 1.3 節的合成方法，微波輻射功率 420 W(350 W)，微波輻射時間 4.0 min(3.0 min)，其它條件不變，待第一次反應結束后，過濾、分離出催化劑，紅外烘干，重復 1~5 次合成步驟，考察其對反應的影響，實驗結果說明，在兩種酯的合成中，稀土固體超強酸 SO42--La3+/TiO2重復使用的穩定性較好，使用 5 次后均能保持 80 %以上的產率。

3 結論

(1)水楊酸和異戊醇(異辛醇)以稀土型固體超強酸 SO42--La3+/TiO2 為催化劑，在微波常壓條件下進行酯化反應合成了水楊酸異戊酯(水楊酸異辛酯)。探討并找到了微波輻射與稀土型固體超強酸催化劑催化合成的優化條件：微波輻射功率：420 W(350 W)；反應時間：4.0 min(3.0 min)；催化劑用量：0.6 g(0.6 g)；酸醇摩爾比：1︰3.0(1︰2.5)；產率：94.8 %(92.6 %)。同時也發現在低功率狀態下延長輻射時間或稍高功率狀態下縮短輻射時間都不能達到最高產率。

(2)稀土型固體超強酸 SO42--La3+/TiO2 催化劑是合成水楊酸酯的良好催化劑，其制備簡便，比表面積較大，表面酸度高，活性高，對酯化反應催化作用顯著，易于同產品分離，無腐蝕，能代替質子酸，具有很好的應用前景。

(3)微波輻射方法具有反應裝置及操作簡單、反應速率快、后處理方便、轉化率高、環保清潔等特點，是比較理想的合成方法。

參考文獻

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