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石蜡乳液的乳化工艺及优化

阅读次数:481 - 发布时间:2017/9/14 11:25:40

石蜡乳液的乳化工艺及优化

●王 兴,张美云,罗 英(陕西省重点实验室造纸技术及特种纸研究团队,陕西科技大学,西安 710021)

摘要:研究用于提高育果袋纸抗水性能的石蜡乳液的乳化工艺,并对其进行了优化。最佳的乳化工艺为:乳化温度85~90℃,乳化时间 30~40 min,搅拌速度 600~800 r·min-1;优化配方为:石蜡 100 份,硬脂酸 31 份,硼砂 9 份以及纯碱 2 份。关键词:抗水性;石蜡乳液中图分类号:TS727 文献标识码:A 文章编号:1001-6309(2012)07-0053-04

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石蜡乳液是将石蜡经过乳化处理而生成的一种均匀分散的体系。它具有抗水性好、成膜均匀、稳定性高、分散性好、易与其他水溶液或者乳状液物质混合使用、无毒无腐蚀、生产工艺简单、成本低廉、使用方便以及利于贮存等优点 [1]。造纸行业中使用石蜡乳液的目的是提高纸张的抗水性、弹性、光泽度和柔软度 [2]。石蜡乳液可以与松香胶一起作为施胶剂,因为石蜡的抗水性强并且与松香具有匹配性,因此在抄纸中添加石蜡乳液可以获得更强的抗水性 [3]。

在抄纸时加入石蜡乳液具有以下优点 [4] :(1)在获得同样施胶度的情况下,可减少松香胶施胶的用量,降低生产成本;而且可以进行重施胶,施胶均匀。(2)可改善纸和纸板的质量,提高耐久性;平滑度增加,纸张泛黄和起卷现象减少,光泽度增大,印刷适性得到改进,耐折度和耐磨度也增加。(3)因为石蜡乳液具有消泡的作用,避免了泡沫障碍,抄纸过程得到了改善。抄纸时的 pH 值增加,同时减少了环境污染。

育果袋纸是在水果生产过程中对其实施生理保护的一种高附加值农业技术用纸。果实的生长期是一个漫长的过程,在此期间难免会遭遇到阴雨天气,湿度大,这就要求育果袋纸具有良好的抗水性能。本实验对用于提高育果袋纸抗水性能的石蜡乳液的乳化工艺及配方优化进行了研究。


1 实验

1.1 原料国 产 废 报 纸 浆(打 浆 度 51°SR),本 色 针叶 木 浆 板(打 浆 度 13°SR),粗 石 蜡、硬 脂 酸(CH3(CH2)16COOH,珠状),硼砂(Na2B4O7·10H2O),纯碱(Na2CO3)。


1.2 实验

石蜡乳液的制备:打开电热恒温水浴锅加热至一定温度,同时将烧杯中的水也加热至此温度,精确称量粗石蜡和珠状的硬脂酸并将它们一并加入到另一烧杯内,放置在电热恒温水浴锅中混合加热融化,用玻璃棒手工搅拌,以使石蜡和硬脂酸均匀混合。待石蜡与硬脂酸完全融化后,将精确称量的硼砂和纯碱在热水中溶解并用玻璃棒手工搅拌,并加入石蜡与硬脂酸中,这时会产生白色泡沫,即发生了乳化作用。然后开动搅拌器搅拌一段时间,在结束搅拌前补加蒸发掉的热水,再加入热水稀释至20% 左右浓度,停止搅拌。最后加入温水,用玻璃棒慢慢搅拌稀释至 8% 左右的浓度,倒入细口瓶中放置以便使用,此时抗水剂石蜡乳液制备成功,为乳白色液体状。

石蜡乳液是热力学很不稳定的体系,静止放置时易发生分层。因此,在一定的乳化工艺条件下,必须要选用适宜的乳化剂才能合成出质量稳定的石蜡乳液。本实验选用的乳化剂为硬脂酸、硼砂和纯碱。

石蜡的乳化过程是将其分散在水中,依靠乳化剂的定向吸附作用,使其表面张力发生变化,在机械搅拌的作用下生成分散性好、均匀且稳定的石蜡乳液 [5]。


2 结果与讨论

2.1 影响石蜡乳液乳化的因素2.1.1 乳化温度合适的乳化温度能使搅拌中的石蜡充分而快速地分散均匀,提高乳液的稳定性,同时加入同一温度下的水会发生转相,得到的乳液稳定性高 [6]。放置一段时间观察石蜡乳液的稳定性,研究不同温度对石蜡乳化效果的影响,结果如表 1。


2.2 石蜡乳液配方的优化

为了确定石蜡乳液中石蜡、硬脂酸、硼砂和纯碱的最佳配方,在以石蜡用量为固定值的条件下,对硬脂酸、硼砂和纯碱采用正交试验(三因素三水平)来进行确定,以成纸的抗水性来表示石蜡乳液的使用效果。抄纸工艺条件:原料为废报纸浆与本色针叶木浆混合浆,填料瓷土用量 10%,阳离子分散松香胶用量 0.75%,抗水剂石蜡乳液用量 5%~10%,湿强剂用量 3%~5%,工业硫酸铝用量8%~10%。固定石蜡的用量 100 份,根据工厂的经验值确定硬脂酸三个水平分别为 23、25、27 份、硼砂三个水平分别为 9、10、11 份,纯碱的三个水平分别为 1.0、1.5、2.0 份。正交试验结果检测见表 4。

正交实验结果

由表 4 的实验结果可知,抗张指数、湿抗张指数和透气度均可以达到育果袋纸的使用要求,由于抗水剂石蜡乳液主要影响着抗水性,所以只对抗水性进行计算分析,结果见表 5。

抗水性正交实验结果分析

由表 5 可知,随着石蜡乳液中硬脂酸、硼砂和纯碱用量的增大,所抄育果袋纸的抗水性随之提高。通过分析极差结果显示,它们的最优水平分别是:硬脂酸 27 份、硼砂 11 份、纯碱 2 份。但是从实验结果分析可知,硬脂酸的用量对抗水性的影响最大,纯碱对抗水性的影响较大,而硼砂对抗水性的影响最小。硼砂用量从 9 份增加到 11 份时,抗水性才增加 1 s,因此,从抗水性能和节约成本等方面考虑,硼砂的用量选用 9 份。硼砂在抗水剂的制备过程中是作为一种稳定剂来添加的,它是一种多羟基结构的物质;羟基会使颗粒相互间产生排斥力,防止粒子与粒子的凝聚,对石蜡乳液分散均匀发挥了重要作用,含有的羟基越多,颗粒就越容易充分分散 [11]。如果要得到分散充分而且稳定性好的石蜡乳液,应当适当地加入稳定剂硼砂,如果硼砂添加得过多,会使颗粒间的范德华引力大于粒子间的排斥力,使颗粒发生聚集,产生聚沉现象。只有添加的硼砂量适当,才能保证颗粒间的排斥力足够抵抗范德华引力,得到的石蜡乳液才能分散均匀 [12]。硼砂会与硬脂酸发生皂化反应而生成硬脂酸钠,其反应方程式为 [13] :

Na2B4O7·10H2O + 2CH3(CH2)16COOH → H2B4O7 + 2CH3(CH2)16COONa+10H2O

硬脂酸和纯碱对抗水性的影响较大,而且增加幅度明显,是不是继续加大它们的添加量会取得更好的抗水效果呢?因此,还需要对硬脂酸和纯碱进行补充实验。在石蜡 100 份,硬脂酸 27 份,硼砂 9份的条件下,改变纯碱的用量,结果见表 6。

纯碱对抗水性的影响

由表 6 可知,随着纯碱用量的增加,抗水性逐渐提高,在纯碱用量为 2 份时,抗水性达到最大值75 s,纯碱用量进一步增加,抗水性反而下降。因此,在石蜡乳液的配方中,纯碱用量为 2 份。纯碱是一种强碱弱酸的盐类,作为 pH 值的调节剂,在溶液中起缓冲作用,使 pH 值保持在稳定的范围内,本实验中所制备的石蜡乳液具有一定的微碱性。同时纯碱也起到了分散作用,添加纯碱后,颗粒之间会产生排斥力,使石蜡乳液处于良好分散的状态 [14,15]。纯碱与硬脂酸同样也会发生皂化反应生成硬脂酸钠,反应式为:

Na2CO3+2CH3(CH2)16COOH →2CH3(CH2)16COONa+CO2+H2O

确定纯碱用量后,再对硬脂酸的用量进行补充实验,在石蜡 100 份,硼砂 9 份和纯碱 2 份的条件下,改变硬脂酸的用量,结果见表 7。

硬脂酸对抗水性的影响

由表 7 可知,随着硬脂酸用量的增加,育果袋纸的抗水性越来越好,当用量超过 31 份后,抗水性基本上没什么变化。因此,硬脂酸的用量不超过 31份。硬脂酸经过皂化后,会使石蜡形成细小的颗粒,悬浮地分散在硬脂酸钠中,从而起到了抗水作用,颗粒分散得越小,其抗水效果就越明显 [16]。同时,硬脂酸经皂化后生成的硬脂酸钠是一种阴离子表面活性剂,加入到纸浆后,会形成细小的、相互不连通的、分散均匀的气孔,将毛细管形成了更细小、分散以及曲折的状态,使水渗透的渠道得到了减少;另外,还降低了毛细管内壁的表面张力,难以经过毛细管渗透到纸的内部,使水以球状水珠的状态存在于纸的表面上,从而赋予纸张良好的抗水性 [17]。经过上述的实验研究表明,要使育果袋纸具有良好的抗水效果,抗水剂石蜡乳液的各化学品的配方为:石蜡 100 份,硬脂酸 31 份,硼砂 9 份和纯碱 2份。在不添加抗水剂和其他化学品添加剂用量不变的情况下,抄造育果袋纸并且检测其抗水性能,抗水性仅为 28 s。


3 结论

3.1 石蜡乳液是育果袋纸抄造中一个重要化学品添加剂,它的性能好坏决定了育果袋纸的抗水性能。要在适宜的乳化工艺条件下才能获得稳定性能良好的石蜡乳液,最佳的乳化工艺为:乳化温度 85~90℃,乳化时间 30~40 min 以及搅拌速度为600~800 r·min-1。

3.2 石蜡乳液是由石蜡、硬脂酸、硼砂和纯碱制备得到的,要使石蜡乳液的抗水性达到最佳时,其最佳配方为:石蜡 100 份,硬脂酸 31 份,硼砂 9 份以及纯碱 2 份。


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