陰離子石蠟乳液的制備及其在熱敏涂料中的應(yīng)用

張春蘭＊ 1蘇秀霞1　李仲謹1 　孫英惠 2
(1.陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院, 陜西 西安 710021;2.河南江河紙業(yè)責(zé)任有限公司, 河南 焦作 454950)

摘　要:石蠟乳液是一種重要的壓力發(fā)色防止劑, 但一直存在難乳化、乳液穩(wěn)定性差、涂料在中性或弱堿性條

件下才最穩(wěn)定、涂料中各組分都是陰電性等問題。 為此, 我們制備出一種穩(wěn)定且和熱敏涂料具有良好相容性能的
陰離子石蠟乳液, 并確定了其較佳涂料配方。 在固定無色染料、顯色劑、增感劑、膠粘劑和其他添加劑用量不變時,
較佳的涂料配方是填料 22%、硬脂酸鋅 8%、石蠟 5%。

關(guān)鍵詞:石蠟乳液;表面活性劑;壓力發(fā)色防止劑

熱敏紙的平滑性對發(fā)色靈敏度有很大影響 〔1〕 。 為了獲得高靈敏度,需要對熱敏紙進行壓光處理,提 高平滑度,但是壓光時往往因為壓力作用而使底色 發(fā)色。結(jié)晶熱焓大的物質(zhì)在壓光處理時能有效地吸 收壓光時的發(fā)熱 〔2〕 ,阻止底色發(fā)色。蠟類是代表性 的壓力發(fā)色防止劑, 與無色染料、顯色劑等相容性 好 。采用石蠟乳液作為壓力發(fā)色防止劑時 , 由于石 蠟的表面張力小,還有一定的消泡作用 。 

石蠟乳液雖然是一種重要的壓力發(fā)色防止劑, 但一直存在難乳化 、乳液穩(wěn)定性差 、涂料在中性或弱 堿性條件下才最穩(wěn)定 、涂料中各組分都是陰電性等 問題 〔5〕 。為此, 我們制備出一種穩(wěn)定且和熱敏涂料 具有良好相容性能的陰離子石蠟乳液 ,并確定了其 較佳涂料配方 。

1 實驗部分

 1.1 儀器和藥品

 OP乳化劑(化學(xué)純, 天津市福晨化學(xué)試劑廠), 乙二醇單甲醚 (分析純, 天津市津宇精細化工廠), AES、span60(實驗試劑, 派尼化學(xué)試劑廠 ), 全精煉 石蠟(市售)。

 GFJ-0.4高速分散機 (上海涂墨化工機械有限 公司 ), 水浴調(diào)溫 電熱鍋, 自制不 銹鋼罐 (直徑 125mm、高 140mm), XSP-2C A [ 2XC4C]生物顯微鏡 (上 海 宇 隆 儀器 有 限 公 司 ), 電子 天 平 , 電 爐 (1000W),吹風(fēng)機 , 吹風(fēng)機計量棒, 辦公用傳真機 , 光密度儀,實驗室小型壓光機。

1.2　乳化實驗
采用轉(zhuǎn)相乳化的方法 ,將石蠟和固體乳化劑加 入自制不銹鋼罐中, 在水浴鍋中加熱至 90℃融化 , 加入稱量好的液體乳化劑 , 充分攪勻 , 提高轉(zhuǎn)速至 3000r/min, 同時緩慢加入一定量的溫度為 92～ 93℃ 的乳化水, 直至成乳白色膏狀物質(zhì) (相轉(zhuǎn)化點 ), 快 速加完剩余的乳化水, 再高速攪拌 2 ～ 3min后降低 攪速為 1500r/min, 同時停止加熱。 10min左右后待 乳液溫度降為稍高于石蠟熔點時根據(jù)所需固含量要 求緩慢加入冷卻水, 至 45℃左右時降低攪速為 200r/min消泡 ,直至乳液無泡 。

1.3 實驗室應(yīng)用小試 

無色染料、膠粘劑 、分散劑經(jīng)分散設(shè)備研磨成 A 料 ;顯色劑 、膠粘劑、助劑 、填料經(jīng)分散設(shè)備研磨 成 B料。

 把 A料 、B料 、石蠟乳液及瓷土加入混合槽中充 分攪拌成涂料,將配制好的涂料用計量棒涂在經(jīng)過 預(yù)涂的紙上 。用吹風(fēng)機把涂好的濕熱敏紙吹干 。烘 干后的熱敏紙經(jīng)壓光機壓光得到具有一定平滑度的 熱敏紙 。用傳真機打印并觀察是否粘打印頭 ;最后 用光密度儀檢測圖像的光密度 。

2 結(jié)果與討論 

2.1 乳化實驗的討論 

2.1.1 乳化結(jié)果 

通過以上實驗方法, 得到一種均勻穩(wěn)定的石蠟 乳液, pH值為 6.57;Zeta電位為-1eq/g;在生物顯微 鏡下觀察粒徑分布范圍 0.5 ～ 1μm;放置半年后未 見分層 。

取樣品做粒徑分析 ,石蠟乳液的粒徑分布見圖1。由圖 1可知乳液的粒徑均勻的分布在 0.158 ～0.724μm。

2.1.2　影響石蠟乳液乳化的因素
(1)乳化劑能否制得高質(zhì)量的乳化蠟 ,乳化劑的選擇是關(guān)鍵因素之一〔6〕 。本配方中選用 AES, 不僅因為 AES的憎水基團 C 12～ 18 與蠟 (主要為 C 18 ～40 的長直鏈烷 烴)結(jié)構(gòu)相似, 互溶性好, 而且由于 AES是陰離子表 面活性劑 ,乳液粒子帶負電荷 ,相互排斥 ,所以制得 的乳液更穩(wěn)定 ;同時加入助乳化劑 ,使乳液穩(wěn)定性提 高。助乳化劑具有親水 、親油性, 可有效增強非離子 表面活性劑與油相 、水相的親和力 ,克服溫度升高帶 來的不利因素 。因此增加了乳化效果 ,有助于形成 微乳液。

(2)溫度 

在其他條件不變的情況下對石蠟進行乳化, 發(fā) 現(xiàn) 90℃左右制備的乳液最穩(wěn)定, 沒有分層現(xiàn)象 , 高 于或低于 90℃都不能得到穩(wěn)定均勻的乳液 。因為 石蠟乳液的乳化過程,就是乳化劑的分子吸附在水 - 石蠟界面上形成牢固的保護膜, 并建立穩(wěn)定雙電層 的過程。從熱力學(xué)觀點來講 ,吸附過程是放熱的 ,因 此升高溫度不利于吸附過程的進行。但是石蠟熔化 需要一定的熱量, 目的是使其熔化 ,降低其內(nèi)聚能, 以便于攪拌時更好的分散, 因此乳化溫度必須高于 石蠟的熔點。

冷卻水加入時要控制好乳液溫度, 防止稀釋時其組分因局部溫度過冷, 以致低于其熔點而從乳液中析出,稍微高于石蠟熔點時加入冷卻水比較合適。溫度在高于 45℃時不能停止攪拌 , 以防乳液增稠固化 。

(3)攪拌方式和攪拌速度 

在乳化過程中, 攪拌器的攪拌方式和攪拌速度 也會影響微小乳化液的液滴均勻分布 。速度太慢 , 不能將油相乳化;太快, 易破乳 。一般而言, 為了避 免油相物料濺到器壁上而造成部分油相得不到有效 的乳化 ,開始采用較慢的攪拌速度 (約 200r/min), 待混合均勻時再加快攪拌速度 (約 3000r/min)激烈 攪拌, 以便使油相物料以細小微粒均勻地分散于水 中 。隨之降低攪拌速度以便使乳化劑均勻包覆在油 相周圍而和水相溶 。最后降低攪拌速度 (約 200 r/min),得到?jīng)]有泡沫的乳液 。

(4)轉(zhuǎn)相水的溫度及加入量 經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn) ,只有轉(zhuǎn)相水的溫度高出石蠟溫度 2 ～ 3℃而且轉(zhuǎn)相水的量為石蠟質(zhì)量的 1/3時才能得 到穩(wěn)定的乳液。原因可能是轉(zhuǎn)相水的溫度如果低于 石蠟的溫度 ,就不能提供足夠的熱量使石蠟分散成 細小顆粒。轉(zhuǎn)相水太多 , 乳液不經(jīng)過油包水而直接 轉(zhuǎn)變成水包油型乳液, 沒有經(jīng)過轉(zhuǎn)相得到的乳液極 不穩(wěn)定 ;如果轉(zhuǎn)相水太少, 也不利于轉(zhuǎn)相。

2.2 涂布工藝及影響涂布的因素

 一般熱敏紙的涂料配方成分主要是無色染料 、 顯色劑 、增感劑、填料、潤滑劑、壓力發(fā)色防止劑 、膠 粘劑、其他添加劑 〔4〕 。為了得到光密度高而又不粘 熱敏打印頭同時不產(chǎn)生底色的熱敏紙, 本實驗在無 色染料 、顯色劑、增感劑的用量不變的條件下 , 主要 對填料 、潤滑劑、石蠟用量做了研究。

2.2.1　填料用量

熱敏涂料中選用具有空穴的吸油性大的填料是 為了將熔融的無色染料和顯色劑及時吸收以免粘附 打印頭 ;而吸油性越大 ,粒度越細,比表面積越大,其 相對活性越好,從而底灰越大, 且保存中底灰也易上 升 ,所以宜采用表面活性小的或吸油量小的填料 。 在平衡選擇合適的填料之后 ,合適的添加量也尤為 重要。填料用量對熱敏紙性能指標(biāo)的影響見表 1。 本實驗中填料用量在 22%時最為合適。

2.2.2 潤滑劑用量

 為防止記錄時熱敏記錄紙與加熱頭的粘著現(xiàn)象 和提高適印性 ,熱敏紙的摩擦系數(shù)必須降低 ,主要使 用硬脂酸鋅和金屬皂作潤滑劑。本實驗采用硬脂酸 鋅作為熱敏紙的潤滑劑, 用量多時可以起到一定的 潤滑作用 ,而且鋅的含量越大 , 字跡的顏色越鮮艷。 但是并不是越多越好,由于硬脂酸鋅的價格較高 ,用 量大時成本升高, 而且超過一定量對粘著現(xiàn)象沒有 明顯影響 。硬酯酸鋅用量對熱敏紙性能指標(biāo)的影響 見表 2。本實驗中硬脂酸鋅用量為 8%時最為合適。

2.3.3　石蠟用量
用本實驗制備的石蠟乳液添加到涂料中, 起到 了明顯的潤滑作用 ,從而降低底灰的程度,同時防止 粘打印頭 ,但是加入量不斷增多時會明顯影響光密 度, 使光密度降低, 字跡的清晰度下降 ,石蠟用量對 熱敏紙性能指標(biāo)的影響見表 3。本實驗得出石蠟用 量在 5%時最為合適。

3　結(jié)論

石蠟乳液是一種重要的壓力發(fā)色防止劑, 其制 造工藝比較簡單, 乳液粒徑微小 ,易長期貯存, 可用 水任意稀釋,使用方便。使用的設(shè)備簡易,小型企業(yè) 也便于自己生產(chǎn),從而降低成本。

 在固定無色染料、顯色劑 、增感劑、膠粘劑、其他 添加劑等用量不變時, 較佳的涂料配方是填料 22%、硬脂酸鋅 8%、石蠟 5%, 可以得到無底色、不 粘打印頭 、字跡清晰的熱敏紙 。

參考文獻

〔1〕沈一丁, 王賽.陽離子石蠟乳液的制備及其在中性施膠和表面涂飾中的應(yīng)用〔J〕.中華紙業(yè), 2003, (2):39～ 40
〔2〕 KainzHJ.Stableaqueouswaxdispersions〔P〕.US5743949, 1998-04-28
〔3〕 戴躍玲.60#石蠟乳狀液的研制〔P〕.遼寧化工, 1995, (2):8 ～ 12
〔4〕 錢鷺生, 曹麗云, 凌永龍, 等.涂布加工紙技術(shù)手冊〔M〕.北京:中國輕工業(yè)出版社, 2000.29 ～ 30
〔5〕 王寶峰, 等.乳化石蠟的研制及應(yīng)用〔P〕.山東化工, 2004, (33):14～ 21
〔6〕 王錦.石蠟穩(wěn)定乳狀液的制備及性能〔J〕.山東輕工業(yè)學(xué)院院報, 1997, 11(2):24～ 27