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以单一非离子型乳化剂制备氧化聚乙烯蜡微乳液

阅读次数:430 - 发布时间:2017/9/28 15:38:44

以单一非离子型乳化剂制备氧化聚乙烯蜡微乳液

刘清泉 1 ,周仕祥 1,杨震 1 ,瞿作明 1,杨萍 1 ,周建华 2 ,高敬民 3
(1. 湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭 411201; 2. 陕西科技大学资源与环境学院,西安 710021; 3. 株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲 412007)

摘 要:采用高压乳化法,以氧化聚乙烯(OPE)蜡为原料用单一乳化剂制备了淡黄色、半透明的非离子型 OPE 蜡 微乳液。考察了非离子型乳化剂的用量和乳化压力对 OPE 蜡微乳液的乳胶粒子粒径和粒径分布的影响。结果表明: 增加乳化剂用量或增加乳化压力均有利于降低水的表面张力,形成粒径更小的 OPE 乳胶粒子。在乳化剂用量为 OPE 蜡的 25%、助剂用量为乳化剂的 5%,乳化时压力为(8. 5 ±0. 5) MPa 时,可获得性能良好的非离子型 OPE 微乳液。

关键词:氧化聚乙烯蜡;非离子型乳化剂;微乳液
中图分类号:TQ 645 文献标识码:A
文章编号:0253 -4312(2012)11 -0043 -03


蜡乳液的应用非常广泛,从较早的地板上光延伸到了农 业、防锈、涂料、木材加工、皮革、汽车或家具上光、陶瓷、造纸、 纺织、建材防水和水泥预制件养生等领域 [1 -3] 。相对于普通 乳液,微乳液在应用效果和运输贮存等细节上有很大提升。 因此,微乳液的发展给蜡乳液产品的应用提供了更广阔的发 展前景 [4 -5] 。

氧化聚乙烯(OPE)蜡是低相对分子质量聚乙烯的氧化产 物,具有黏度低、软化点高、硬度好等特性,且无毒性;同时, OPE 蜡的热稳定性好,对填料、颜料的分散性极佳,并与聚烯 烃树脂等有良好的相容性 [6 -7] 。霍尼韦尔公司生产的高密度 OPE 蜡,具有良好的光泽,因此用它制备的蜡乳液常用于纸 张、木器、金属涂层、复印油墨、地板和皮革上光等,如美国 Michelman 公司生产的 Emulsion 39635 就是一种淡黄色、半透 明的非离子型 OPE 蜡乳液,该乳液由单一乳化剂制备,乳胶粒 子粒径 <100 nm,且粒径分布窄,与其他乳液(如聚丙烯酸酯 类乳液)的相容性良好。

目前,为提高乳化能力和降低乳胶粒子粒径,国内一般采 用 2 种或 2 种以上的复合乳化剂制备 OPE 微乳液,这导致生 产成本的增加,同时在一定程度上影响 OPE 微乳液与其他乳 液的相容性。而单一乳化剂制备的 OPE 微乳液有利于提高该 乳液与其他乳液如聚丙烯酸酯类乳液的相容性 [8] ,且在实际 生产中可降低生产成本、简化生产工艺。因此,本研究以霍尼 韦尔公司生产的氧化聚乙烯蜡,以单一非离子型乳化剂制备 了淡黄色、半透明的 OPE 蜡微乳液。


1 实验部分 

1. 1 原料与设备 

氧化聚乙烯蜡:工业级,霍尼韦尔中国公司;非离子型乳 化剂(异构脂肪醇聚氧乙烯醚,常压下浊点为105 ℃ ):工业 级,美国陶氏化学;乳化助剂、氢氧化钾、焦亚硫酸钠:化学纯, 国药集团化学试剂有限公司。

高压反应釜(CJK -0. 5):威海宏协化工机械有限公司;台 式离心机(TDZ5 - WS):长沙维尔康湘鹰离心机有限公司;激 光粒 度 仪 ( Mastorsizer 2000): 英 国 马 尔 文; 布 氏 黏 度 计 (Brookfield DV - ⅠPrime):欧洲飞莱博。


1. 2 OPE 微乳液的制备 

将一定量的 OPE 蜡、非离子型乳化剂、乳化助剂、氢氧化 钾、焦亚硫酸钠和去离子水加入高压反应釜,密封后通入高压 氮气,使釜内压力超过 5 MPa;然后加热至 150 ℃,在该温度下 恒速(200 r/min)搅拌 1 h;最后通入冷却水冷却至室温,停止 搅拌,泄压,出料。

1. 3 OPE 微乳液的表征 

向 离 心 试 管 内 加 入 50 mL OPE 微 乳 液 样 品,以 3 000 r/min的速度离心 30 min,如果不破乳、不分层、无沉淀 物,则稳定性好;反之则稳定性差。 用 Mastorsizer 2000 激光粒度仪分析 OPE 微乳液的粒径分 布、平均粒径和比表面积;用 Brookfield DV - ⅠPrime 测定 OPE 微乳液的黏度,测定时用 3 # 转子,转速 100 r/min。

2 结果与讨论

2. 1 乳化剂用量对 OPE 蜡液乳液粒子粒径及粒径分布的影响

OPE 微乳液常需与其他乳液(如聚丙烯酸酯类乳液)混合 使用,因此 OPE 微乳液与其他乳液的相容性非常重要。壬基 酚聚氧乙烯醚类非离子型乳化剂因难以降解,目前已在多个 领域被禁止使用。因此,本研究在做了大量调研及前期试验 的基础上,选用异构脂肪醇聚氧乙烯醚为单一乳化剂,再采用 一种小分子化合物为助乳化剂,采用高压乳化法制备 OPE 微 乳液(OPE ME)。在固定助乳化剂用量(乳化剂用量的 5%) 和乳化压力的基础上,改变异构脂肪醇聚氧乙烯醚的用量(分 别为 OPE 蜡的 15%、20%、25%),所得乳液分别为 OPE ME - 01、OPE ME - 02、OPE ME - 03,考察乳化剂用量对 OPE 乳液 粒子粒径和粒径分布的影响,OPE 微乳液和 Emulsion 39635 的 粒径分布曲线如图 1 所示,其他性能测试结果如表 1 所示。

不同乳化剂用量时 OPE 微乳液和 Emulsion 39635 的粒径分布图

从图1 可知,OPE 微乳液的粒径分布比 Emulsion 39635 稍 宽,ME -01 至 ME - 03 的粒径上限均为 316 nm,而 Emulsion 39635 的粒径上限为 275 nm,但 ME -01 至 ME -03 的粒径曲 线表明粒径为 316 nm 的乳胶粒子的体积分数分别为 0. 45%、 0. 15%和 0. 10%,可见粒径上限的乳胶粒子数量非常少;其 次,尽管前者的粒径分布较宽,OPE ME - 03 的比表面积稍高 于 Emulsion 39635,说明前者中含有更高比例的小粒径乳胶粒 子,前者更小的平均粒径(84 nm)进一步证实了这一观点;最后,OPE 微乳液的黏度均小于 Emulsion 39635,这也有利于 OPE 微乳液与其他乳液的共混使用,通过这种方法制备的 OPE 微乳液且具有良好的离心稳定性,且在室温下放置半年 后无明显的变化。

乳化剂用量对 OPE 微乳液性能的影响

随乳化剂用量的增加,粒径范围无明显变化,但 OPE 微乳 液的比表面积从 56. 9 m 2 /g 增加到 71. 1 m 2 /g,平均粒径从 105 nm 减小至84 nm,说明增加乳化剂用量可显著提高更小粒 径的乳胶粒子比例,这在 OPE 微乳液的应用中显得非常重要。 在 OPE 微乳液与其他乳液混合使用时,更小粒径的 OPE 乳胶 粒子有利其嵌入到其他乳胶粒子中,更好地发挥其上光和润 滑作用。

2. 2 乳化压力对 OPE 乳胶粒子粒径及粒径分布的 影响 

由于增加乳化压力可降低水的表面张力,因此,在 OPE ME -03 的基础上,降低乳化时的压力,以考察乳化压力对 OPE 乳胶粒子尺寸及粒径分布的影响。不同乳化压力下获得 的 OPE 微乳液的粒径分布曲线如图 2 所示。

不同乳化压力时 OPE 微乳液的粒径分布图

从图 2 可知,随着乳化压力降低,OPE 微乳液的粒径分布 曲线逐渐向右移动,说明 OPE 乳胶粒子的平均粒径增加,OPE ME -04 和 OPE ME -05 的粒径分布范围分别是 46 ~ 417 nm 和 60 ~550 nm,平均粒径分别为 101 nm 和 109 nm。 因此,为减小 OPE 微乳液的平均粒径和缩小粒径分布范 围,提高乳化压力是有效的方法。因为增加体系的压力可有 效降低水的表面张力,在表面活性剂的共同作用下,OPE 可分 散成细小液滴,形成平均粒径小于 100 nm 的乳胶粒子。然 而,实际生产中提高压力往往意味着增加生产成本,缩短相关 设备的使用寿命。因此,在实际生产中可将乳化压力控制在 10 MPa 以下,通过提高水乳比同样可达到上述目的。

3 结 语 

采用异构脂肪醇聚氧乙烯醚为单一非离子型乳化剂,以 OPE 蜡为原料,采用高压乳化法制备了淡黄色、半透明的 OPE 微乳液。结果表明:乳化剂用量和乳化压力均会对 OPE 乳胶 粒子的尺寸和粒径分布产生影响,但后者的影响相对较小。 当乳化剂用量为 OPE 用量的 25%,且乳化助剂、氢氧化钾和 焦亚硫酸钠的用量分别为乳化剂用量的 5%、2. 5% 和 0. 5% 时,获得性能最佳的 OPE 微乳液,固含量 35. 2%,Brookfield 黏 度 28. 0 mPa·s,且平均粒径仅为 84 nm。

参考文献 

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[8] HOHNER G,STALMANN E. Utilization of oxidized polyolefin waxes for textile finishing: US,2005/0107511 A1[P]. 2005 -05 -19.


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