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亚微粒子石蜡乳液的制备及影响因素

阅读次数:2538 - 发布时间:2017/9/21 10:32:57

亚微粒子石蜡乳液的制备及影响因素

张圣祖 郭铭霞 王发鹏 王宝 (武汉纺织大学化学与化工学院,武汉 430074)

摘 要:蜡乳液具有良好的流动性、高度分散性和乳液稳定性等特点,在纺织、化工、医药等领域得到广泛应用。本文以#54石蜡为原料制备了稳定的亚微粒子石蜡乳液;考察了乳化剂的类型、用量、乳化温度、时间以及搅拌速度等对乳化效果的影响。结果表明:乳化工艺条件为乳化剂(司盘60和吐
温60)用量为石蜡质量的30%~35% ,温度为85℃,搅拌速度为200~300r/m in,乳化时间为20~30m in;偏光显微镜测试表明乳液微粒呈现均匀的球布;激光粒度分析仪分析表明乳液粒径主要分布范围在0.1~0.5μm。
关键词:石蜡乳液;乳化剂;粒径分布


石蜡是一种非常重要的基础蜡。石蜡的乳化就是通 过乳化剂的定向吸附,降低油/水界面的表面张 力,并在机械外力的作用下使石蜡分散于水中,形 成均匀稳定,并且具有良好分散性乳液的过程 [1] 。和石蜡相 比,石蜡乳液在使用时不需要加热熔融或者使用溶剂溶解, 并且能够和其他物质的水溶液或乳液复合使用。石蜡乳液还 具有使用方便、在基材表面成膜均匀、安全性好等优点,因而 在造纸、化工、建筑等领域具有广泛的用途 [2~4] 。我们国家具 有丰富的石蜡资源,但是乳化蜡产品的开发应用工作尚属起 步阶段,因此开发高附加值的乳化石蜡产品是一个值得重视 的课题 [5] 。

 研究表明 [6] ,粒子直径在1μm 以下的亚微粒子(subm icron particle)乳液其应用性能会急剧提高,甚至获得某些优异性 能。因此,本研究以 # 54石蜡为原料,S p- 60和S p-80等为乳 化剂制备了亚微粒子石蜡乳液,并对乳液制备的影响因素进 行了研究。


1 实验部分 

1.1 药品及仪器 

药品: # 54石蜡(工业级)、S p-60(化学纯)、S p-80(化 学纯)、Tw een-60(化学纯)、Tw een-80(化学纯)

仪器:激光粒度分析仪,S3000/S3500,宁波欧普仪器 有限公司。偏光显微镜(PO M ),BH -2,O lym pus。离心机, 800B 型,上海安亭科学仪器厂。 

1.2 制备方法 

在装有电动搅拌器和温度计的三口烧瓶中加入按一定比 例称取的54 # 石蜡、表面活性剂和助剂,加热熔化。另一烧杯 称取一定量的去离子水,加热至90~95℃。在一定的搅拌速 度下先将少量热水加入上述熔化的蜡中,然后缓缓加入剩余 热水,保持温度在85℃,时间为30m in,缓慢冷却到室温,则 形成O /W 蜡乳液。 

1.3 性能测试 

稳定性测试:将制得的乳液置于离心机中,4000r/m in 的转速下离心15m in。 

粒径大小及形貌测试:将制备的乳液平铺到载玻片中, 在偏光显微镜下观察粒子形貌。

 粒径分布测试:先将乳液用去离子水稀释,然后用激光 粒度分析仪测试乳液粒径大小及分布。

2 结果与讨论 

2.1 乳化剂的选择及配比 

蜡乳液的不稳定性突出地表现在破乳和分层上,因此乳 化剂的选择是首要条件。研究表明,乳化蜡的稳定体系需要 两种以上的乳化剂才有较好的效果 [7,8] 。复配乳化剂由于疏水 基之间的范德华力和亲水基的极性吸引力在界面附近形成强 界面膜。因此,乳化剂的选择配伍性将在决定乳液粒度和稳 定性方面起重要作用 [9] 。

 表1是不同表面活性剂复配对石蜡乳化的影响。表中可以 看出Sp-60和Tw -60的复配可以制备具有蓝光的稳定乳液。 在乳化剂的选择上,一方面,乳化剂的憎水基团的结构与油的 结构越相似越好,这样乳化剂和油的亲和力强,分散效果好。 由于S p- 60和T w - 60的分子结构中的憎水基都是长碳链的 脂肪烃,而石蜡的分子通式为C n H 2n+2 ,也主要是长碳链的分 子构型,二者互溶性好,因而乳化效果较好。另一方面,复配 乳化剂的H L B 值应该与油的H L B 相近。O / W 型乳化石蜡所 需的H L B 值大约为9~10,从表2中Sp-60和T w -60的配比可 以计算出复配乳化剂的H L B 值为9.8,满足乳化石蜡所需的 H LB 值,因此能够制备稳定的石蜡乳液。

不同表面活性剂复配对乳化的影响

不同乳化剂配比对乳液的影响

2.2 乳化剂用量

表3为乳化剂用量对蜡乳液性能的影响。从表中可以看 出,S p- 60和T w - 60复配乳化剂的质量小于蜡质量30% 时 不能形成稳定乳液。虽然乳化剂用量为25% 时乳液仍出现蓝 光,说明虽然乳液粒径较小,但乳液处于亚稳定状态。乳化剂 在乳化的过程中的作用是降低乳液中油/水两相界面张力, 界面张力随着乳液中乳化剂的浓度增加而降低。乳化剂用量 过少,油/水两相界面张力达不到最低,乳液体系不稳定。因 此,只有加入了足量的乳化剂才能达到最佳的乳化效果。当 复配乳化剂用量高于40% 时,乳液制备过程中出现大量泡沫, 这是因为乳液中多余的乳化剂所致。一般来说,乳化剂用量遵循必不可少的最低用量原则,稍高于乳液的临界胶束浓度(C M C)即可,因此复配乳化剂的最佳用量应该在30%~35%为宜。

乳化剂用量对乳液性能的影响

乳化剂加入方式对乳液性能的影响

乳化温度对乳液性能的影响


2.3 乳化剂加入方式 

乳化剂的加入方式对石蜡乳化具有非常明显的影响。从 表4可以看出,乳化剂在水相时制备的乳液存在大颗粒,而乳 化剂在两相时乳液也不稳定,所以乳化剂在油相是较好的乳 化方式。原因是乳化剂和石蜡一起熔化后改变了石蜡的一些 性质,通过加入少量的热水形成W /O 型膏状物,大量热水加 入后W /O 型膏状物经转相形成稳定的O /W 型乳液。

2.4 乳化时间及搅拌速度对乳液的影响 

实验表明,乳化时间控制在20~30m in较好。时间过短, 乳液颗粒较大,乳液的稳定性差。乳化时间过长,增加乳液颗 粒之间的碰撞机率,易于团聚,降低乳液的稳定性。搅拌速 度为200~300r/m in。速度过低,乳化时剪切力不足,乳液颗 粒变大并且不均匀。搅拌速度过快,则容易带入大量的空气形 成气泡,产生泡沫,影响乳液质量。 

2.5 乳化温度对乳液性能的影响 

乳化过程中温度的影响主要表现在石蜡的粘度和内聚 力,因此适宜的乳化温度有利于乳化剂分子在石蜡液滴表面 的定向排列,增加乳液的稳定性。从表5可以看出,当乳化温 度低于80℃时,乳液出现白色絮状沉淀,稳定性较差,这是由 于乳化剂分子不能在石蜡表面形成较好的吸附层的缘故。而 当乳化温度高于90℃时,虽然制备了具有蓝光的稳定石蜡乳 液,但在搅拌过程中形成了大量的泡沫。因此最佳的乳化温 度应该在85℃。

 2.6 粒子粒径分布及形貌 

乳液粒子大小是衡量乳液质量的一个十分重要的参数。 图1是激光粒度分析仪测试的乳液粒径大小及分布。图1a、图 1b、图1c分别为乳化剂用量为蜡质量的30% 、35% 、40% 时的 乳液粒径分布图。从图中可以看出,乳液粒径主要分布在0.1 ~0.5μm 之间。相比35% ,30% 的乳化剂用量导致乳液中出现 少量大的粒子。这是因为乳化剂用量过少,乳化剂分子不足以 覆盖整个油水界面,而且在界面处排列松散,容易导致不稳 定乳液粒子的合并所致。而当乳化剂用量为40% 时,小粒径乳 液粒子明显增加的同时,也出现较多的大粒子,导致粒径范围变宽。这可能是由于过多的乳化剂大量降低了水的表面张力, 导致粒子聚集。因此合适的乳化剂用量对制备粒径更加均匀 的乳液是非常重要的。 

图2为偏光显微镜下观察的乳液粒子的形貌。图中可以 看出,制备的乳液粒子为较好的球形。比较图2a、图2b、图2c 可知,35% 用量的乳化剂制备的乳液粒子分布较30% 和40% 更加均匀,并且40% 的乳化剂制备的乳液大颗粒明显增加。该 结果与图1中乳液粒径分布是相对应的。

乳化剂用量对乳液粒径分布的影响

乳化剂用量对乳液粒子形貌的影响


3 结论

利用相转变的方法,通过表面活性剂S p- 60和T w - 60等复配制备了 # 54石蜡亚微粒子乳液。实验表明:在乳化剂用量为石蜡质量的30% ~35% ,温度85℃,搅拌速度为200~300r/m in,乳化时间为20~30m in的工艺条件下,得到的石蜡乳液微粒呈现均匀的球形分布,乳液粒径主要分布范围在0.1~0.5μm 。

参考文献

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[2]张建雨,朱丽实,杨孔盛.石油蜡—石油蜡应用的新进展[J].炼油设计,1999,29(6):56-61.
[3]任天日,李小瑞,费贵强,等.新型松香石蜡阳离子中性施胶剂的制备及应用[J].中华纸业,2009,30(24):68-71.
[4]丛玉凤,孙凤娇,廖克俭,等.石蜡的改性和乳化型地板上光用蜡的制备[J].化学工业与工程,2009,26(3),252-255.
[5]应向东,张声东.石蜡乳液的制备及影响因素探讨[J].建筑人造板,1996,12(4):11-12.
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