石蠟乳液的乳化工藝及優(yōu)化

●王 興，張美云，羅 英（陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室造紙技術(shù)及特種紙研究團(tuán)隊(duì)，陜西科技大學(xué)，西安 710021）

摘要：研究用于提高育果袋紙抗水性能的石蠟乳液的乳化工藝，并對其進(jìn)行了優(yōu)化。較佳的乳化工藝為：乳化溫度85~90℃，乳化時(shí)間 30~40 min，攪拌速度 600~800 r·min-1；優(yōu)化配方為：石蠟 100 份，硬脂酸 31 份，硼砂 9 份以及純堿 2 份。關(guān)鍵詞：抗水性；石蠟乳液中圖分類號：TS727 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-6309(2012)07-0053-04

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石蠟乳液是將石蠟經(jīng)過乳化處理而生成的一種均勻分散的體系。它具有抗水性好、成膜均勻、穩(wěn)定性高、分散性好、易與其他水溶液或者乳狀液物質(zhì)混合使用、無毒無腐蝕、生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉、使用方便以及利于貯存等優(yōu)點(diǎn) [1]。造紙行業(yè)中使用石蠟乳液的目的是提高紙張的抗水性、彈性、光澤度和柔軟度 [2]。石蠟乳液可以與松香膠一起作為施膠劑，因?yàn)槭灥目顾詮?qiáng)并且與松香具有匹配性，因此在抄紙中添加石蠟乳液可以獲得更強(qiáng)的抗水性 [3]。

在抄紙時(shí)加入石蠟乳液具有以下優(yōu)點(diǎn) [4] ：（1）在獲得同樣施膠度的情況下，可減少松香膠施膠的用量，降低生產(chǎn)成本；而且可以進(jìn)行重施膠，施膠均勻。（2）可改善紙和紙板的質(zhì)量，提高耐久性；平滑度增加，紙張泛黃和起卷現(xiàn)象減少，光澤度增大，印刷適性得到改進(jìn)，耐折度和耐磨度也增加。（3）因?yàn)槭炄橐壕哂邢莸淖饔?，避免了泡沫障礙，抄紙過程得到了改善。抄紙時(shí)的 pH 值增加，同時(shí)減少了環(huán)境污染。

育果袋紙是在水果生產(chǎn)過程中對其實(shí)施生理保護(hù)的一種高附加值農(nóng)業(yè)技術(shù)用紙。果實(shí)的生長期是一個漫長的過程，在此期間難免會遭遇到陰雨天氣，濕度大，這就要求育果袋紙具有良好的抗水性能。本實(shí)驗(yàn)對用于提高育果袋紙抗水性能的石蠟乳液的乳化工藝及配方優(yōu)化進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料國 產(chǎn) 廢 報(bào) 紙 漿（打 漿 度 51°SR），本 色 針葉 木 漿 板（打 漿 度 13°SR），粗 石 蠟、硬 脂 酸（CH3(CH2)16COOH，珠狀），硼砂（Na2B4O7·10H2O），純堿（Na2CO3）。

1.2 實(shí)驗(yàn)

石蠟乳液的制備：打開電熱恒溫水浴鍋加熱至一定溫度，同時(shí)將燒杯中的水也加熱至此溫度，精確稱量粗石蠟和珠狀的硬脂酸并將它們一并加入到另一燒杯內(nèi)，放置在電熱恒溫水浴鍋中混合加熱融化，用玻璃棒手工攪拌，以使石蠟和硬脂酸均勻混合。待石蠟與硬脂酸完全融化后，將精確稱量的硼砂和純堿在熱水中溶解并用玻璃棒手工攪拌，并加入石蠟與硬脂酸中，這時(shí)會產(chǎn)生白色泡沫，即發(fā)生了乳化作用。然后開動攪拌器攪拌一段時(shí)間，在結(jié)束攪拌前補(bǔ)加蒸發(fā)掉的熱水，再加入熱水稀釋至20% 左右濃度，停止攪拌。最后加入溫水，用玻璃棒慢慢攪拌稀釋至 8% 左右的濃度，倒入細(xì)口瓶中放置以便使用，此時(shí)抗水劑石蠟乳液制備成功，為乳白色液體狀。

石蠟乳液是熱力學(xué)很不穩(wěn)定的體系，靜止放置時(shí)易發(fā)生分層。因此，在一定的乳化工藝條件下，必須要選用適宜的乳化劑才能合成出質(zhì)量穩(wěn)定的石蠟乳液。本實(shí)驗(yàn)選用的乳化劑為硬脂酸、硼砂和純堿。

石蠟的乳化過程是將其分散在水中，依靠乳化劑的定向吸附作用，使其表面張力發(fā)生變化，在機(jī)械攪拌的作用下生成分散性好、均勻且穩(wěn)定的石蠟乳液 [5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響石蠟乳液乳化的因素2.1.1 乳化溫度合適的乳化溫度能使攪拌中的石蠟充分而快速地分散均勻，提高乳液的穩(wěn)定性，同時(shí)加入同一溫度下的水會發(fā)生轉(zhuǎn)相，得到的乳液穩(wěn)定性高 [6]。放置一段時(shí)間觀察石蠟乳液的穩(wěn)定性，研究不同溫度對石蠟乳化效果的影響，結(jié)果如表 1。

2.2 石蠟乳液配方的優(yōu)化

為了確定石蠟乳液中石蠟、硬脂酸、硼砂和純堿的較佳配方，在以石蠟用量為固定值的條件下，對硬脂酸、硼砂和純堿采用正交試驗(yàn)（三因素三水平）來進(jìn)行確定，以成紙的抗水性來表示石蠟乳液的使用效果。抄紙工藝條件：原料為廢報(bào)紙漿與本色針葉木漿混合漿，填料瓷土用量 10%，陽離子分散松香膠用量 0.75%，抗水劑石蠟乳液用量 5%~10%，濕強(qiáng)劑用量 3%~5%，工業(yè)硫酸鋁用量8%~10%。固定石蠟的用量 100 份，根據(jù)工廠的經(jīng)驗(yàn)值確定硬脂酸三個水平分別為 23、25、27 份、硼砂三個水平分別為 9、10、11 份，純堿的三個水平分別為 1.0、1.5、2.0 份。正交試驗(yàn)結(jié)果檢測見表 4。

由表 4 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，抗張指數(shù)、濕抗張指數(shù)和透氣度均可以達(dá)到育果袋紙的使用要求，由于抗水劑石蠟乳液主要影響著抗水性，所以只對抗水性進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見表 5。

由表 5 可知，隨著石蠟乳液中硬脂酸、硼砂和純堿用量的增大，所抄育果袋紙的抗水性隨之提高。通過分析極差結(jié)果顯示，它們的最優(yōu)水平分別是：硬脂酸 27 份、硼砂 11 份、純堿 2 份。但是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，硬脂酸的用量對抗水性的影響最大，純堿對抗水性的影響較大，而硼砂對抗水性的影響最小。硼砂用量從 9 份增加到 11 份時(shí)，抗水性才增加 1 s，因此，從抗水性能和節(jié)約成本等方面考慮，硼砂的用量選用 9 份。硼砂在抗水劑的制備過程中是作為一種穩(wěn)定劑來添加的，它是一種多羥基結(jié)構(gòu)的物質(zhì)；羥基會使顆粒相互間產(chǎn)生排斥力，防止粒子與粒子的凝聚，對石蠟乳液分散均勻發(fā)揮了重要作用，含有的羥基越多，顆粒就越容易充分分散 [11]。如果要得到分散充分而且穩(wěn)定性好的石蠟乳液，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)丶尤敕€(wěn)定劑硼砂，如果硼砂添加得過多，會使顆粒間的范德華引力大于粒子間的排斥力，使顆粒發(fā)生聚集，產(chǎn)生聚沉現(xiàn)象。只有添加的硼砂量適當(dāng)，才能保證顆粒間的排斥力足夠抵抗范德華引力，得到的石蠟乳液才能分散均勻 [12]。硼砂會與硬脂酸發(fā)生皂化反應(yīng)而生成硬脂酸鈉，其反應(yīng)方程式為 [13] ：

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

硬脂酸和純堿對抗水性的影響較大，而且增加幅度明顯，是不是繼續(xù)加大它們的添加量會取得更好的抗水效果呢？因此，還需要對硬脂酸和純堿進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。在石蠟 100 份，硬脂酸 27 份，硼砂 9份的條件下，改變純堿的用量，結(jié)果見表 6。

由表 6 可知，隨著純堿用量的增加，抗水性逐漸提高，在純堿用量為 2 份時(shí)，抗水性達(dá)到最大值75 s，純堿用量進(jìn)一步增加，抗水性反而下降。因此，在石蠟乳液的配方中，純堿用量為 2 份。純堿是一種強(qiáng)堿弱酸的鹽類，作為 pH 值的調(diào)節(jié)劑，在溶液中起緩沖作用，使 pH 值保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)中所制備的石蠟乳液具有一定的微堿性。同時(shí)純堿也起到了分散作用，添加純堿后，顆粒之間會產(chǎn)生排斥力，使石蠟乳液處于良好分散的狀態(tài) [14,15]。純堿與硬脂酸同樣也會發(fā)生皂化反應(yīng)生成硬脂酸鈉，反應(yīng)式為：

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

確定純堿用量后，再對硬脂酸的用量進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，在石蠟 100 份，硼砂 9 份和純堿 2 份的條件下，改變硬脂酸的用量，結(jié)果見表 7。

由表 7 可知，隨著硬脂酸用量的增加，育果袋紙的抗水性越來越好，當(dāng)用量超過 31 份后，抗水性基本上沒什么變化。因此，硬脂酸的用量不超過 31份。硬脂酸經(jīng)過皂化后，會使石蠟形成細(xì)小的顆粒，懸浮地分散在硬脂酸鈉中，從而起到了抗水作用，顆粒分散得越小，其抗水效果就越明顯 [16]。同時(shí)，硬脂酸經(jīng)皂化后生成的硬脂酸鈉是一種陰離子表面活性劑，加入到紙漿后，會形成細(xì)小的、相互不連通的、分散均勻的氣孔，將毛細(xì)管形成了更細(xì)小、分散以及曲折的狀態(tài)，使水滲透的渠道得到了減少；另外，還降低了毛細(xì)管內(nèi)壁的表面張力，難以經(jīng)過毛細(xì)管滲透到紙的內(nèi)部，使水以球狀水珠的狀態(tài)存在于紙的表面上，從而賦予紙張良好的抗水性 [17]。經(jīng)過上述的實(shí)驗(yàn)研究表明，要使育果袋紙具有良好的抗水效果，抗水劑石蠟乳液的各化學(xué)品的配方為：石蠟 100 份，硬脂酸 31 份，硼砂 9 份和純堿 2份。在不添加抗水劑和其他化學(xué)品添加劑用量不變的情況下，抄造育果袋紙并且檢測其抗水性能，抗水性僅為 28 s。

3 結(jié)論

3.1 石蠟乳液是育果袋紙抄造中一個重要化學(xué)品添加劑，它的性能好壞決定了育果袋紙的抗水性能。要在適宜的乳化工藝條件下才能獲得穩(wěn)定性能良好的石蠟乳液，較佳的乳化工藝為：乳化溫度 85~90℃，乳化時(shí)間 30~40 min 以及攪拌速度為600~800 r·min-1。

3.2 石蠟乳液是由石蠟、硬脂酸、硼砂和純堿制備得到的，要使石蠟乳液的抗水性達(dá)到較佳時(shí)，其較佳配方為：石蠟 100 份，硬脂酸 31 份，硼砂 9 份以及純堿 2 份。

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