超高浓度石蜡乳状液的研制

超高浓度石蜡乳状液的研制

蒋金芝，阎智勇
（中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083）
摘 要：超高浓度石蜡乳液，是蜡含量能达到 50％的同时具有良好流动性、高度分散性和稳定性等特点的白色乳
液。本文以工业石蜡为主要原料，采用特殊工艺和新型复配乳化剂，最终制得了环保型超高浓度石蜡乳液。考察
了乳化剂的选择及其用量、新型复配乳化剂中各组分的比例、乳化温度、乳化时间和搅拌速度对石蜡乳化效果的
影响。并确定了较佳乳化工艺条件：新型复配乳化剂为 7％（以总固含量为基准的质量分数），乳化时间 40 min，
乳化温度为 70 ℃，搅拌速度 1700 r/ min。在此条件下，石蜡乳液蜡含量为 50％，且稳定性、分散性、流动性较好。

关性词：石蜡乳液；浓缩乳化；乳化剂

中图分类号：TQ 423 文献标识码：A 中图分类号：1000–6613（2008）10–1632–05

石蜡乳液又叫乳化蜡，是固体石蜡均匀分散在水 中的乳液；其使用时无需加热熔融或用溶剂溶解，成 膜均匀、覆盖性好，且易于和其它物质的水溶液或乳 液复合使用，具有安全、高效和经济环保等优点 [1] ， 是一种用途广泛的化工产品。一般低浓度的乳化蜡的 用途如下：医药行业上用作乳胶制品的助剂；农业上 用作果品保鲜等。而高浓度乳化蜡，蜡含量一般为 35％，由于其蜡含量更高，覆盖性更好，相应使用成 本更低，应用范围更为广泛，如在建筑行业上用作钢 筋混凝土的固化剂；造纸工业上用作纸浆施胶剂；印 刷油墨中作分散剂；皮革行业中用作涂饰剂等 [2 － 3] 。

 乳化蜡最早是美孚石油公司在20世纪50年代开始研究开发，10 年后即已在美国普遍使用。20 世纪 70 年代时，英国、联邦德国、日本也逐渐开始研究 和应用乳化蜡 [4] 。目前，国外已有专利 [5 － 7] 报道了蜡 含量不低于 50%的石蜡乳液。我国该方面研究起步较 晚，目前其开发应用与国外相比差距很大，需使用乳 化蜡的部门几乎全用不合理的代替品，而且研究及生 产出的乳白色、高浓度的乳化蜡品种更是极少。 石蜡乳液的制备按照乳化剂的加入方式，一般 分为 4 种 [8] ：剂在水中法、剂在油中法、初生皂法、轮流加液法等。本工作的实验证明这 4 种方法均难 以得到浓度超过 35％、且具有良好流动性的高浓度 石蜡乳液。因此，本工作分别对石蜡乳化剂的选择、 乳化条件的影响、乳化工艺的改进进行探讨，拟研 究出新型复配乳化剂，并采用特殊工艺，获得国内 尚未见报道的超高浓度石蜡乳液，其蜡含量可达 50％，并为石蜡乳液产品的多用途开发研究和应用 提供可靠的实验数据。

1 实验部分

1.1 石蜡乳化原理 

石蜡乳液是一种热力学不稳定体系，放置时石 蜡和水两相易分离。要使石蜡分散于水中成为高分 散、均匀、稳定的乳液，必须选择合适的乳化剂并 通过一定的乳化工艺来实现。乳化剂使石蜡固体形 成微小的液滴（粒径在 1～3 µm）并能定向吸附其 表面，使石蜡水界面形成具有一定机械强度的界面 膜，从而使稳定分散于水中而不易聚结析出。因此 要制得颗粒细小、均匀稳定的石蜡，乳化剂的选择 是首要条件 [9] ，其次是乳化的工艺及条件。

 一般浓度乳化蜡液的制备由于蜡含量低，采用 一般工艺和两种乳化剂复配便可得到机械强度足够 的界面膜；而高浓乳化蜡液由于蜡含量高，若乳化 剂在乳液粒子表面形成的吸附层不够致密，界面膜 强度低，将导致乳粒相互靠拢合并成大颗粒而破乳 分层。因此制备超高浓乳化蜡液的关键在于找出新 乳化剂以在石蜡水界面得到足够强度的界面膜。

1.2 仪器及药品 

仪器：电炉（1000 W）、恒温电磁搅拌水浴锅、 锥形瓶。

  药品：45 # 石蜡（工业级）、硬脂酸（分析纯）、 乳化稳定剂 HP-1（工业级）、助剂 AP-2（分析纯）、 助剂 AP-1（工业级）。

 1.3 制备方法

  本实验采用浓缩乳化再稀释的特殊工艺，具体 操作如下。

 将 25 g 工业石蜡、11 g 水、0.085 g 乳化稳定剂 HP-1、1.24 g 硬脂酸、0.085 g 助剂 AP-1 在烧杯中 混合并薄膜密封，用电炉加热直至蜡固体开始融化， 再移至水浴温度为 70～72 ℃的水浴锅中。待固体 全部融化后，先将瓶内液体搅拌均匀，此时呈略黄 的乳白色，再向其中加入 0.49 g 助剂 AP-2，搅拌均 匀，并在瓶内 70 ℃下搅拌 40 min，搅拌速率为 1700 r/ min。冷却并搅拌，直至瓶内温度降为 35～38 ℃此时再向瓶中加入 12 g 50～55 ℃的自来水进行稀 释，最后边搅拌边冷却至室温。

1.4 乳化蜡性能测试方法

 文中乳化蜡性能的测试均在蜡含量为 50％的 石蜡乳液中进行。 

1.4.1 稳定性测定 将乳化蜡在室温下静置 30 天后，测量乳化液的 体积（V O ）占整个溶液体积（V T ）的分数，其值越 大，表明所制备的乳化液越稳定。

 1.4.2 分散性检测 分散性测定参照农乳的 5 个等级，一级较好， 五级最差，具体见文献[10]。

 1.4.3 石蜡乳液类型评定 采用冲淡法。取少许石蜡乳液，加入少量水， 轻轻搅拌，易与水掺合者为水包油型（O/W），反 之，为油包水型（W/O）。

2 结果与讨论 

2.1 乳化剂的选择及其用量的确定 

2.1.1 乳化剂的选择 选择乳化剂通常以亲水－亲油平衡值（HLB） 为依据，石蜡乳化要求 HLB 值在 10 左右，而且经 验表明，乳化蜡的稳定体系需要两种以上的表面活 性剂才有较好的效果 [11] 。为此，可以利用有机概念 图，图中将有机物亲油和亲水的程度用数字来表示， 即有机性值（O）和无机性值（I）。这样就能根据 化合物的有机性值辅助选择乳化剂 [12 － 14] 进行复配， 即利用了有机性值相近相溶原则选择乳化剂。

 石蜡的 O 值范围为 520～640。几种乳化剂的有 机性值和无机性值见表 1。

由表 1 中各乳化剂的 I、O 值，可知用助剂 AP-2 与硬脂酸复配的乳化剂较好。在此基础上，通过查 阅相关资料 [15] ，又加入乳化稳定剂和助剂 AP-1 再进 行复配得到新型复配乳化剂，并通过实验考察了不同复配乳化剂对石蜡乳液稳定性的影响（本文中每 次实验的总质量均规定约为 50 g，其中石蜡为 25 g， 水为 23 g，各类助剂共 1.9 g）。实验结果如表 2。

从表 2 可知，4 种乳化剂复配的新乳化剂能得 到具有流动性的高含量石蜡乳液。因此，选用硬脂 酸、乳化稳定剂 HP-1、助剂 AP-2、助剂 AP-1 进行 复配得到新型复配乳化剂。

 2.1.2 乳化剂用量的选择

 实验已证明表面活性剂作为乳化剂时，其在界 面上形成吸附膜的强度与界面活性剂的浓度有 关 [16] ，因此只有加入足够量的乳化剂才能达到较佳 乳化效果。但乳化剂用量过多，产品会形成太多气 泡而影响其质量。因此乳化剂一般遵循采用必不可 少的最低用量原则，通常为总固含量的 4%～15%。 通过实验考察了不同用量的上述新型复配乳化剂对 石蜡乳化效果的影响，结果见表 3（本文中“－” 表示乳液凝固无法评价）。

从表 3 中可知，当新型复配乳化剂用量小于 6％ 时，无法得到具有流动性的高浓度乳化液；用量大 于 7％时，石蜡乳化效果即较好，但为避免产生太 多气泡以及提高成本，选取乳液总固含量的 7％为 新型乳化剂的含量。

2.1.3 乳化剂中各组分间比例的确定 

由表1和文献[17]知硬脂酸和助剂AP-2应为乳 化剂中主要成分，且它们质量之和与乳化稳定剂 HP-1 和助剂 AP-1 质量之和的比应约为 1∶10。为 探讨乳化剂组分间的比例问题，先固定乳化稳定剂 HP-1 和助剂 AP-1 的用量，将硬脂酸与助剂 AP-2 按不同比例进行实验，考察其对石蜡乳液稳定性的 影响，结果见表 4。

由表 4 可知，硬脂酸过量，可使乳化蜡的稳定 性增强。这是因为硬脂酸具有较小的亲水端基，能 有效吸附在界面上和插入表面活性剂分子之间，呈 更紧密的空间排列，形成致密的高强度膜。但硬脂 酸过量太多反而影响乳液的稳定性，因此我们确定 硬脂酸和助剂 AP-2 的比大约为 2.5∶1。 

其次在表 4 中 5 号实验的基础上，考察乳化稳 定剂HP-1和助剂AP-1两者之间的比例对乳化蜡稳 定性的影响，结果如表 5 所示。

由表 5 可知，乳化稳定剂 HP-1 和助剂 AP-1 的 较佳比例应为 1∶1。 

根据乳化剂的总量约为 1.9 g，可计算得出上述 较佳比例下新型乳化剂中的各成分的质量分别为： 1.24 g 硬脂酸、0.49 g 助剂 AP-2、0.085g 乳化稳定 剂 HP-1、0.085 g 助剂 AP-1，其在乳液中的质量分 数分别为 2.48%的硬脂酸、0.98%的助剂 AP-2、 0.17%的乳化稳定剂 HP-1、0.17％的助剂 AP-1。

2.3 乳化温度的影响
适宜的乳化温度可以使蜡微粒在搅拌作用下迅速而充分地分散，增加乳液的稳定性。温度对石蜡乳液的影响见表 6。

从表 6 中可看出，温度低于 70 ℃时，难以得 到稳定的石蜡乳液，因此乳化温度应不低于 70 ℃， 最终选取 70 ℃。

2.4 乳化时间的影响
在较佳乳化剂用量以及乳化温度的条下，考察了乳化时间对石蜡乳液的稳定性的影响，实验结果如表 7 所示。

由表 7 可见，乳化时间太短石蜡不能充分乳化，时间太长则造成浪费。实验证明乳液粒径开始时随时间的延长而变小，但一定时间后粒径不再变化。乳化时间超过40 min，即可得到稳定的石蜡乳化液。因此我们选择较佳乳化时间为 40 min。

2.5 搅拌速度的影响
杨基和等 [18] 发现，在乳化过程中，搅拌速度也会影响石蜡乳液的性质。速度过低不能将油相的蜡较好的乳化，乳液颗粒不均匀；搅拌速度过高，则易带入大量的气泡，消泡困难，并且搅拌速率太高会使乳化蜡破乳，影响其稳定性。不同的搅拌速率对乳化液的影响见表 8。
从表 8 中可见，搅拌速率大于 1500 r/min 时，乳液稳定性和分散性较好，但搅拌速率过快则不宜控制，且能耗较高。而当搅拌速率低于 500 r/min时则难以得到石蜡乳液。因此选择 1700 r/min 为合适的搅拌速率。

2.5 新型乳化工艺
石蜡乳液的制备常采用剂在水中法、剂在油中法和初生皂法等。在确定了上述新型复配乳化剂后，在保证 50％蜡含量的前提下，通过实验进行了传统乳化工艺和新工艺的对比研究，实验结果见表 9。

由表 9 可知，传统的 3 类方法均难以制得有流动性的蜡含量为 50％的高浓度石蜡乳液，而采用新工艺，不仅可以简化制作条件，也能得到具有流动性的高浓度乳化液。

2.6 产品性能
制得的超高浓度石蜡乳液基本无毒，符合环保要求，外观为乳白色，经检测为 O/W 型，分散性为二级，稳定放置 40 天不分层。

3 结 论

（1）确定了新型复配乳化剂及其配方（质量分数）：乳化稳定剂 HP-1 为 0.17%，助剂 AP-2 为0.17%，助剂 AP-1 为 0.98％，硬脂酸为 2.48％。
（2）研究出了将水油初始混合进行浓缩乳化，然后再稀释的新石蜡乳化工艺，并对乳化工艺条件进行考察，确定了制备稳定石蜡乳液的较佳工艺条件为：乳化温度 70 ℃，乳化时间 40 min，搅拌速度 1700 r/min。
（3）制得了蜡含量高达 50％的超高浓度石蜡乳液，且其流动性、稳定性和分散性均较好。

（4）本方法所需生产设备及原料简单，工艺条件易于操作，产品经济环保，适于工业化生产。