石蠟乳液穩(wěn)定性研究

付雪1，朱蠡慶1，朱靜2，楊勇3，諸林4

( 1． 重慶科技學院 化學化工學院，重慶 401331; 2． 沈陽工業(yè)大學 石油化工學院，遼寧 遼陽 111003;3． 重慶機床( 集團) 有限責任公司，重慶 400055; 4． 西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500)

摘 要: 以 58#全精煉石蠟為原料，采用復配乳化劑( Tween-60 和 Span-60) 分別溶解的方法制備石蠟乳液。利用均勻設計安排實驗，建立石蠟乳化的回歸方程。通過規(guī)劃求解確定復配乳化劑的 HLB 值( 親水親油平衡值) 為 9． 93，水蠟比為 3( w/w) ，乳化時間為 20 min。以表面張力和 Zeta 電位為考察指標，通過單因素實驗優(yōu)化石蠟乳化工藝條件。結果表明，當 HLB 值為 9． 93，水蠟比為 3． 4，乳化劑含量為 9% ( w/w) ，乳化溫度為 80 ℃，乳化時間為 30 min時，石蠟乳液的穩(wěn)定性較好; 在石蠟乳液中添加 2% ( w/w) 異戊醇后，乳液的粒徑變得更加均勻，乳液的穩(wěn)定性增強。

關鍵詞: 石蠟乳液; HLB 值; 表面張力; Zeta 電位

中圖分類號: TQ 642 文獻標識碼: A 文章編號: 1671 － 3206( 2013) 07 － 1189 － 04

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石蠟乳液是在乳化劑的定向吸附作用下，通過機械攪拌將石蠟均勻地分散在水中，形成高分散性、均勻、穩(wěn)定的流體; 石蠟乳液成膜均勻、性質穩(wěn)定、無需加熱或溶于其它溶劑即可使用; 無毒、無腐蝕性、可降解，在上光劑、水果防腐、金屬防護、紡織和皮革加工等行業(yè)有廣泛的應用［1］。石蠟乳液是熱力學不穩(wěn)定體系，制備性能穩(wěn)定的石蠟乳液需要選擇合適的乳化劑，采用適當?shù)闹苽涔に?，使石蠟分散成小而均勻的液滴，石蠟乳液才能具有長期穩(wěn)定性。本文采用非離子表面活性劑 Tween-60 和 Span-60 為復合乳化劑，采用乳化劑分別溶解的方法制備石蠟乳液; 利用均勻設計和回歸分析，研究石蠟乳化過程中乳化工藝條件對石蠟乳液穩(wěn)定性的影響，確定乳化工藝條件; 通過單因素實驗進一步優(yōu)化，以期制得穩(wěn)定性好、分散性好、無毒環(huán)保和色澤好的優(yōu)質石蠟乳液。

1 實驗部分

1． 1 試劑與儀器

58#全精煉切片石蠟、Tween-60、Span-60、異戊醇均為化學純。

JJ-1 型電動攪拌器; HH-2 型數(shù)顯恒溫水浴鍋;80-1 型離心分離機; Zetasizer Nano ZS90 型納米粒度及 Zeta 電位分析儀; BX41 數(shù)碼顯微鏡。

1． 2 石蠟乳液的制備

稱取一定量的去離子水注入三口燒瓶中，加入水溶性乳化劑，置于恒溫水浴中加熱。稱取一定量的 58#全精煉石蠟，加入油溶性乳化劑，加熱，攪拌均勻。待水溫升至反應溫度時，緩慢滴加熔融石蠟，繼續(xù)攪拌至預定的乳化時間，在室溫下靜止冷卻。

1． 3 性能測試

1． 3． 1 穩(wěn)定性測定

1． 3． 1． 1 靜置穩(wěn)定性［2］ 將石蠟乳液注入磨口瓶中，并密封，觀察分層現(xiàn)象及時間。

1． 3． 1． 2 離心穩(wěn)定性［3-4］ 按 GB 11543—89 進行離心穩(wěn)定性測定。將 10 mL 蠟乳液注入帶刻度的離心管中，在離心機中以 4 000 r/min 的轉速離心分離15 min，以分水率來表示乳液穩(wěn)定性的好壞。分水率 = ( 水相體積/乳液總體積) × 100%

1． 3． 2 分散性測定 參照農乳［5］的測定方法，共分五個等級，一級較好，五級最差。

1． 3． 3 表面張力 按照 GB /T 27842—2011 方法測定表面張力。

2 結果與討論

2． 1 均勻設計與回歸分析

采用均勻設計實驗方法，以乳化劑的 HLB 值( Span-60 和 Tween-60 復配) 、水蠟比( 質量比) 、乳化時間為影響因素，以乳液分水率為評價指標。選用 U*14 ( 145) 表、采用擬水平法安排實驗。因素水平和實驗結果分別見表 1 和表 2。

通過 SPSS 軟件對表 2 中數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，得回歸方程:

Y = 7． 645 + 0． 006X1X2 + 0． 077X22 － 1． 547X2

對方程求解，找到 Y 最小的一個優(yōu)化搭配為( X1、X2、X3 ) = ( 3、9． 93、20) ，Y = 0． 055。對回歸方程進行 F 檢驗，F(xiàn) 服從自由度為( 3，10) 的分布，F(xiàn) =13． 79 ＞ F0． 01 ( 3，10) = 6． 55，回歸方程可信。回歸模型確定水蠟比為 3，HLB 值為 9． 93，乳化時間對石蠟乳液分水率影響較小，取最小值 20 min。

2． 2 乳化劑 HLB 值

回歸分析中確定制備石蠟乳液的 HLB 值為9． 93，為進一步驗證和優(yōu)化實驗結果，采用多種復配比例( Span-60 和 Tween-60) ，考察 HLB 值對乳化效果的影響。實驗在乳化溫度為 80 ℃，乳化劑用量為9% ，水蠟比為 3，乳化時間為 30 min 的條件下進行，結果見表 3。

由表 3 可知，表面張力先隨 HLB 值增大而減小，乳液分水率逐漸減小; HLB 值增到 9． 93 時，表面張力最小，分水率為 0，石蠟乳化效果較佳; 隨后表面張力又隨 HLB 值的增大而增大，乳液分散性變差，分水率增加。所以，選擇乳化劑 HLB 值為 9． 93作為復合乳化劑的較佳 HLB 值，與回歸分析的預測結果一致。

2． 3 乳化劑用量乳化劑的用量直接影響乳液的形成和穩(wěn)定性，乳化劑在界面上形成的吸附膜的強度與乳化劑的濃度有關。乳化劑用量少時，界面上吸附的分子少，界面膜的強度低。隨著乳化劑用量的增加，界面膜的強度加大，形成完整的保護膜并建立雙電層，達到較佳乳化效果［6］。

由圖 1 可知，當乳化劑用量逐漸增加時，乳液的表面張力逐漸減小，當乳化劑用量為 9% 時，表面張力達到最小。石蠟乳液呈負電性，Zeta 電位值隨乳化劑用量而逐漸增大，當乳化劑用量為 9% 時，Zeta電位值達到最大; 繼續(xù)加大乳化劑用量，過多的乳化劑會在水中形成反膠束，形成增溶膠束或微乳液滴，增強了油相物質在水相中的溶解，石蠟乳液的穩(wěn)定性變差。故選擇較佳乳化劑用量為 9% 。

2． 4 水蠟比

水蠟比對石蠟乳液的質量有顯著影響，水蠟比過小不能形成 O/W 乳液; 水蠟比過大，不能得到高含蠟乳狀液，影響乳液的成膜性和潤滑性［7］?；貧w分析預測水蠟比為 3，為進一步優(yōu)化實驗結果，在乳化溫度 80 ℃，乳化劑用量 9% ，乳化時間 30 min 時，研究水蠟比對乳液性能的影響，結果見圖 2。

由圖 2 可知，乳化水與石蠟質量比為 3． 4 時，乳液的表面張力最小，液滴負電性最強，乳液穩(wěn)定性較好。

2． 5 乳化溫度

石蠟乳化時需要一定的熱量使石蠟熔融，降低其分子間內聚力，在攪拌作用下能夠迅速分散，與乳化劑充分、均勻混合。由圖 3 可知，當乳化溫度為80 ℃時，Zeta 電位值最大，表面張力最小，乳液穩(wěn)定性較好。當溫度繼續(xù)升高時，水的蒸發(fā)程度逐漸加大，在三口燒瓶中形成回流，影響了乳液中水和石蠟的固定比例［8］，致使乳液的穩(wěn)定性和分散性有所下降。故乳化溫度以 80 ℃為宜。

2． 6 乳化時間由回歸分析可知，乳化時間的影響并不顯著，預測乳化時間為 20 min; 為進一步研究乳化時間對乳液穩(wěn)定性的影響，本文在乳化劑用量為 9% ，水蠟比為 3． 4，乳化溫度為 80 ℃ 時，考察乳化時間對乳化效果的影響，結果見表 4。

表 4 乳化時間對乳化效果的影響

由表 4 可知，乳化時間達到 20 min 以上時，石蠟乳液均具有良好的離心穩(wěn)定性; 乳化時間越長，乳液粒徑越小，乳液的穩(wěn)定性、分散性越好［9-10］; 液滴間摩擦增大，液滴所帶電荷增多，負電性增強，阻止了液 滴 的 聚 集，乳 液 更 加 穩(wěn) 定。乳 化 時 間 超 過40 min時，液滴的負電性增加幅度不大，但生產成本會大 大 增 加［11-12］。因 此，選擇較佳乳化時間在30 min左右。

2． 7 異戊醇的影響

長碳鏈的脂肪醇能與乳化劑在界面上形成混合膜，使表面黏度升高，提高界面膜的強度; 同時增加表面活性劑的乳化作用，使乳液的表面張力進一步降低［13］。在 HLB 值為 9． 93，乳化劑用量為 9% ，乳化溫度為 80 ℃，乳化時間為 30 min 時制備石蠟乳液，通過數(shù)碼顯微鏡觀察異戊醇對石蠟乳液的影響，結果見圖 4。

由圖 4 可知，在石蠟乳液中添加異戊醇后，乳液的粒徑變小、更加均勻，乳液穩(wěn)定性增強。

3 結論

( 1) 利用均勻設計安排實驗并進行回歸分析，建立了石蠟乳化的回歸模型。制備穩(wěn)定性良好的石蠟乳液的較佳工藝條件為: 以 Span-60 和 Tween-60為復配乳化劑，HLB 值為 9． 93，乳化劑用量為 9% ，乳化溫度為80 ℃，乳化時間為30 min，水蠟比為3． 4。

( 2) 助乳化劑異戊醇能增強乳液的穩(wěn)定性。

參考文獻:

［1］ 郭澤軍，李會鵬，沈鍵，等． 非離子石蠟乳液的研究［J］． 化學工業(yè)與工程，2008，25( 5) : 414-418．

［2］ 王萬林，史建公． 多功能乳化蠟制備工藝的優(yōu)化研究［J］． 河北北方學院學報，2008，24( 3) : 30-33．

［3］ 朱升干，朱春燕，鄭典模． 非離子型蠟乳液的制備工藝［J］． 化工中間體，2010( 4) : 55-59．

［4］ 暴軍萍，王靜，李鳳艷，等． 影響高固含量石蠟乳液顆粒度因素的考察［J］． 日用化學工業(yè)，2010，40 ( 3) :174-177．

［5］ 全紅平，黃志宇，劉暢． 高含蠟石蠟乳狀液的研制及影響因素探討［J］． 精細石油化工進展，2007，8( 4) : 43-46．

［6］ 蔣金芝，閻智勇． 超高濃度石蠟乳狀液的研制［J］． 化工進展，2008，27( 10) : 1632-1636．

［7］ 王冬美，張建中，肇薇，等． 一種微乳液型汽車上光蠟的制備［J］． 應用化工，2011，40( 2) : 365-368．

［8］ 涂渝嬌，吳正宇，周梅村． 切片石蠟乳液的制備［J］． 造紙科學與技術，2006，25( 4) : 62-63．

［9］ Pey C，Maestro A，Solé I，et al． Optimization of nanoemulsionsprepared by low-energy emulsification methodsat constant temperature using a factorial design study［J］． Colloids and Surfaces A: Physicochemical and EngineeringAspects，2006，288( 1) : 144-150．

［10］ Liu Weirong，Sun Dejun，Li Caifu，et al． Formation andstability of paraffin oil-in-water nano-emulsions preparedby the emulsion inversion point method［J］． Journal ofColloid and Interface Science，2006，303( 2) : 557-563．

［11］ 陳劍波，孟巨光，葉建忠． 陽離子蠟乳液的制備工藝［J］． 化學工業(yè)與工程，2006，23( 4) : 336-338．

［12］ 馮國琳，劉有智，焦緯洲，等． 石蠟乳液制備及性能研究［J］． 日用化學工業(yè)，2011，41( 6) : 415-418．

［13］ 李鳳艷，代黨會，趙天波． 非離子與陰離子表面活性劑復配制備石蠟微乳液［J］． 石油化工高等學校學報，2012，25( 2) : 12-15．