亞微粒子石蠟乳液的制備及影響因素

張圣祖 郭銘霞 王發(fā)鵬 王寶 （武漢紡織大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，武漢 430074）

摘 要：蠟乳液具有良好的流動(dòng)性、高度分散性和乳液穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在紡織、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文以#54石蠟為原料制備了穩(wěn)定的亞微粒子石蠟乳液；考察了乳化劑的類型、用量、乳化溫度、時(shí)間以及攪拌速度等對(duì)乳化效果的影響。結(jié)果表明：乳化工藝條件為乳化劑（司盤60和吐
溫60）用量為石蠟質(zhì)量的30%～35% ,溫度為85℃,攪拌速度為200～300r/m in，乳化時(shí)間為20～30m in；偏光顯微鏡測(cè)試表明乳液微粒呈現(xiàn)均勻的球布；激光粒度分析儀分析表明乳液粒徑主要分布范圍在0.1～0.5μm。
關(guān)鍵詞：石蠟乳液；乳化劑；粒徑分布

石蠟是一種非常重要的基礎(chǔ)蠟。石蠟的乳化就是通 過乳化劑的定向吸附，降低油/水界面的表面張 力，并在機(jī)械外力的作用下使石蠟分散于水中，形 成均勻穩(wěn)定，并且具有良好分散性乳液的過程 [1] 。和石蠟相 比，石蠟乳液在使用時(shí)不需要加熱熔融或者使用溶劑溶解， 并且能夠和其他物質(zhì)的水溶液或乳液復(fù)合使用。石蠟乳液還 具有使用方便、在基材表面成膜均勻、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，因而 在造紙、化工、建筑等領(lǐng)域具有廣泛的用途 [2～4] 。我們國家具 有豐富的石蠟資源，但是乳化蠟產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用工作尚屬起 步階段，因此開發(fā)高附加值的乳化石蠟產(chǎn)品是一個(gè)值得重視 的課題 [5] 。

 研究表明 [6] ，粒子直徑在1μm 以下的亞微粒子(subm icron particle）乳液其應(yīng)用性能會(huì)急劇提高，甚至獲得某些優(yōu)異性 能。因此，本研究以 # 54石蠟為原料，S p- 60和S p-80等為乳 化劑制備了亞微粒子石蠟乳液，并對(duì)乳液制備的影響因素進(jìn) 行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分 

1.1 藥品及儀器 

藥品： # 54石蠟（工業(yè)級(jí)）、S p-60（化學(xué)純）、S p-80（化 學(xué)純）、Tw een-60（化學(xué)純）、Tw een-80（化學(xué)純）

儀器：激光粒度分析儀，S3000/S3500，寧波歐普儀器 有限公司。偏光顯微鏡（PO M ），BH -2，O lym pus。離心機(jī)， 800B 型，上海安亭科學(xué)儀器廠。 

1.2 制備方法 

在裝有電動(dòng)攪拌器和溫度計(jì)的三口燒瓶中加入按一定比 例稱取的54 # 石蠟、表面活性劑和助劑，加熱熔化。另一燒杯 稱取一定量的去離子水，加熱至90～95℃。在一定的攪拌速 度下先將少量熱水加入上述熔化的蠟中，然后緩緩加入剩余 熱水，保持溫度在85℃，時(shí)間為30m in，緩慢冷卻到室溫，則 形成O /W 蠟乳液。 

1.3 性能測(cè)試 

穩(wěn)定性測(cè)試：將制得的乳液置于離心機(jī)中，4000r/m in 的轉(zhuǎn)速下離心15m in。 

粒徑大小及形貌測(cè)試：將制備的乳液平鋪到載玻片中， 在偏光顯微鏡下觀察粒子形貌。

 粒徑分布測(cè)試：先將乳液用去離子水稀釋，然后用激光 粒度分析儀測(cè)試乳液粒徑大小及分布。

2 結(jié)果與討論 

2.1 乳化劑的選擇及配比 

蠟乳液的不穩(wěn)定性突出地表現(xiàn)在破乳和分層上，因此乳 化劑的選擇是首要條件。研究表明，乳化蠟的穩(wěn)定體系需要 兩種以上的乳化劑才有較好的效果 [7，8] 。復(fù)配乳化劑由于疏水 基之間的范德華力和親水基的極性吸引力在界面附近形成強(qiáng) 界面膜。因此，乳化劑的選擇配伍性將在決定乳液粒度和穩(wěn) 定性方面起重要作用 [9] 。

 表1是不同表面活性劑復(fù)配對(duì)石蠟乳化的影響。表中可以 看出Sp-60和Tw -60的復(fù)配可以制備具有藍(lán)光的穩(wěn)定乳液。 在乳化劑的選擇上，一方面，乳化劑的憎水基團(tuán)的結(jié)構(gòu)與油的 結(jié)構(gòu)越相似越好，這樣乳化劑和油的親和力強(qiáng)，分散效果好。 由于S p- 60和T w - 60的分子結(jié)構(gòu)中的憎水基都是長碳鏈的 脂肪烴，而石蠟的分子通式為C n H 2n+2 ，也主要是長碳鏈的分 子構(gòu)型，二者互溶性好，因而乳化效果較好。另一方面，復(fù)配 乳化劑的H L B 值應(yīng)該與油的H L B 相近。O / W 型乳化石蠟所 需的H L B 值大約為9～10，從表2中Sp-60和T w -60的配比可 以計(jì)算出復(fù)配乳化劑的H L B 值為9.8，滿足乳化石蠟所需的 H LB 值，因此能夠制備穩(wěn)定的石蠟乳液。

2.2 乳化劑用量

表3為乳化劑用量對(duì)蠟乳液性能的影響。從表中可以看 出，S p- 60和T w - 60復(fù)配乳化劑的質(zhì)量小于蠟質(zhì)量30% 時(shí) 不能形成穩(wěn)定乳液。雖然乳化劑用量為25% 時(shí)乳液仍出現(xiàn)藍(lán) 光，說明雖然乳液粒徑較小，但乳液處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。乳化劑 在乳化的過程中的作用是降低乳液中油/水兩相界面張力， 界面張力隨著乳液中乳化劑的濃度增加而降低。乳化劑用量 過少，油/水兩相界面張力達(dá)不到最低，乳液體系不穩(wěn)定。因 此，只有加入了足量的乳化劑才能達(dá)到較佳的乳化效果。當(dāng) 復(fù)配乳化劑用量高于40% 時(shí)，乳液制備過程中出現(xiàn)大量泡沫， 這是因?yàn)槿橐褐卸嘤嗟娜榛瘎┧?。一般來說，乳化劑用量遵循必不可少的最低用量原則，稍高于乳液的臨界膠束濃度（C M C）即可，因此復(fù)配乳化劑的較佳用量應(yīng)該在30%～35%為宜。

2.3 乳化劑加入方式 

乳化劑的加入方式對(duì)石蠟乳化具有非常明顯的影響。從 表4可以看出，乳化劑在水相時(shí)制備的乳液存在大顆粒，而乳 化劑在兩相時(shí)乳液也不穩(wěn)定，所以乳化劑在油相是較好的乳 化方式。原因是乳化劑和石蠟一起熔化后改變了石蠟的一些 性質(zhì)，通過加入少量的熱水形成W /O 型膏狀物，大量熱水加 入后W /O 型膏狀物經(jīng)轉(zhuǎn)相形成穩(wěn)定的O /W 型乳液。

2.4 乳化時(shí)間及攪拌速度對(duì)乳液的影響 

實(shí)驗(yàn)表明，乳化時(shí)間控制在20～30m in較好。時(shí)間過短， 乳液顆粒較大，乳液的穩(wěn)定性差。乳化時(shí)間過長，增加乳液顆 粒之間的碰撞機(jī)率，易于團(tuán)聚，降低乳液的穩(wěn)定性。攪拌速 度為200～300r/m in。速度過低，乳化時(shí)剪切力不足，乳液顆 粒變大并且不均勻。攪拌速度過快，則容易帶入大量的空氣形 成氣泡，產(chǎn)生泡沫，影響乳液質(zhì)量。 

2.5 乳化溫度對(duì)乳液性能的影響 

乳化過程中溫度的影響主要表現(xiàn)在石蠟的粘度和內(nèi)聚 力，因此適宜的乳化溫度有利于乳化劑分子在石蠟液滴表面 的定向排列，增加乳液的穩(wěn)定性。從表5可以看出，當(dāng)乳化溫 度低于80℃時(shí)，乳液出現(xiàn)白色絮狀沉淀，穩(wěn)定性較差，這是由 于乳化劑分子不能在石蠟表面形成較好的吸附層的緣故。而 當(dāng)乳化溫度高于90℃時(shí)，雖然制備了具有藍(lán)光的穩(wěn)定石蠟乳 液，但在攪拌過程中形成了大量的泡沫。因此較佳的乳化溫 度應(yīng)該在85℃。

 2.6 粒子粒徑分布及形貌 

乳液粒子大小是衡量乳液質(zhì)量的一個(gè)十分重要的參數(shù)。 圖1是激光粒度分析儀測(cè)試的乳液粒徑大小及分布。圖1a、圖 1b、圖1c分別為乳化劑用量為蠟質(zhì)量的30% 、35% 、40% 時(shí)的 乳液粒徑分布圖。從圖中可以看出，乳液粒徑主要分布在0.1 ～0.5μm 之間。相比35% ，30% 的乳化劑用量導(dǎo)致乳液中出現(xiàn) 少量大的粒子。這是因?yàn)槿榛瘎┯昧窟^少，乳化劑分子不足以 覆蓋整個(gè)油水界面，而且在界面處排列松散，容易導(dǎo)致不穩(wěn) 定乳液粒子的合并所致。而當(dāng)乳化劑用量為40% 時(shí)，小粒徑乳 液粒子明顯增加的同時(shí)，也出現(xiàn)較多的大粒子，導(dǎo)致粒徑范圍變寬。這可能是由于過多的乳化劑大量降低了水的表面張力， 導(dǎo)致粒子聚集。因此合適的乳化劑用量對(duì)制備粒徑更加均勻 的乳液是非常重要的。 

圖2為偏光顯微鏡下觀察的乳液粒子的形貌。圖中可以 看出，制備的乳液粒子為較好的球形。比較圖2a、圖2b、圖2c 可知，35% 用量的乳化劑制備的乳液粒子分布較30% 和40% 更加均勻，并且40% 的乳化劑制備的乳液大顆粒明顯增加。該 結(jié)果與圖1中乳液粒徑分布是相對(duì)應(yīng)的。

3 結(jié)論

利用相轉(zhuǎn)變的方法，通過表面活性劑S p- 60和T w - 60等復(fù)配制備了 # 54石蠟亞微粒子乳液。實(shí)驗(yàn)表明：在乳化劑用量為石蠟質(zhì)量的30% ～35% ，溫度85℃，攪拌速度為200～300r/m in，乳化時(shí)間為20～30m in的工藝條件下，得到的石蠟乳液微粒呈現(xiàn)均勻的球形分布，乳液粒徑主要分布范圍在0.1～0.5μm 。

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