以單一非離子型乳化劑制備氧化聚乙烯蠟微乳液

劉清泉 1 ，周仕祥 1，楊震 1 ，瞿作明 1，楊萍 1 ，周建華 2 ，高敬民 3
(1． 湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭 411201; 2． 陜西科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，西安 710021; 3． 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

摘 要:采用高壓乳化法，以氧化聚乙烯(OPE)蠟為原料用單一乳化劑制備了淡黃色、半透明的非離子型 OPE 蠟 微乳液?？疾炝朔请x子型乳化劑的用量和乳化壓力對(duì) OPE 蠟微乳液的乳膠粒子粒徑和粒徑分布的影響。結(jié)果表明: 增加乳化劑用量或增加乳化壓力均有利于降低水的表面張力，形成粒徑更小的 OPE 乳膠粒子。在乳化劑用量為 OPE 蠟的 25%、助劑用量為乳化劑的 5%，乳化時(shí)壓力為(8. 5 ±0. 5) MPa 時(shí)，可獲得性能良好的非離子型 OPE 微乳液。

關(guān)鍵詞:氧化聚乙烯蠟;非離子型乳化劑;微乳液
中圖分類號(hào):TQ 645 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):0253 －4312(2012)11 －0043 －03

蠟乳液的應(yīng)用非常廣泛，從較早的地板上光延伸到了農(nóng) 業(yè)、防銹、涂料、木材加工、皮革、汽車或家具上光、陶瓷、造紙、 紡織、建材防水和水泥預(yù)制件養(yǎng)生等領(lǐng)域 ［1 －3］ 。相對(duì)于普通 乳液，微乳液在應(yīng)用效果和運(yùn)輸貯存等細(xì)節(jié)上有很大提升。 因此，微乳液的發(fā)展給蠟乳液產(chǎn)品的應(yīng)用提供了更廣闊的發(fā) 展前景 ［4 －5］ 。

氧化聚乙烯(OPE)蠟是低相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯的氧化產(chǎn) 物，具有黏度低、軟化點(diǎn)高、硬度好等特性，且無毒性;同時(shí)， OPE 蠟的熱穩(wěn)定性好，對(duì)填料、顏料的分散性極佳，并與聚烯 烴樹脂等有良好的相容性 ［6 －7］ ?；裟犴f爾公司生產(chǎn)的高密度 OPE 蠟，具有良好的光澤，因此用它制備的蠟乳液常用于紙 張、木器、金屬涂層、復(fù)印油墨、地板和皮革上光等，如美國 Michelman 公司生產(chǎn)的 Emulsion 39635 就是一種淡黃色、半透 明的非離子型 OPE 蠟乳液，該乳液由單一乳化劑制備，乳膠粒 子粒徑 ＜100 nm，且粒徑分布窄，與其他乳液(如聚丙烯酸酯 類乳液)的相容性良好。

目前，為提高乳化能力和降低乳膠粒子粒徑，國內(nèi)一般采 用 2 種或 2 種以上的復(fù)合乳化劑制備 OPE 微乳液，這導(dǎo)致生 產(chǎn)成本的增加，同時(shí)在一定程度上影響 OPE 微乳液與其他乳 液的相容性。而單一乳化劑制備的 OPE 微乳液有利于提高該 乳液與其他乳液如聚丙烯酸酯類乳液的相容性 ［8］ ，且在實(shí)際 生產(chǎn)中可降低生產(chǎn)成本、簡化生產(chǎn)工藝。因此，本研究以霍尼 韋爾公司生產(chǎn)的氧化聚乙烯蠟，以單一非離子型乳化劑制備 了淡黃色、半透明的 OPE 蠟微乳液。

1 實(shí)驗(yàn)部分 

1. 1 原料與設(shè)備 

氧化聚乙烯蠟:工業(yè)級(jí)，霍尼韋爾中國公司;非離子型乳 化劑(異構(gòu)脂肪醇聚氧乙烯醚，常壓下濁點(diǎn)為105 ℃ ):工業(yè) 級(jí)，美國陶氏化學(xué);乳化助劑、氫氧化鉀、焦亞硫酸鈉:化學(xué)純， 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

高壓反應(yīng)釜(CJK －0. 5):威海宏協(xié)化工機(jī)械有限公司;臺(tái) 式離心機(jī)(TDZ5 － WS):長沙維爾康湘鷹離心機(jī)有限公司;激 光粒 度 儀 ( Mastorsizer 2000): 英 國 馬 爾 文; 布 氏 黏 度 計(jì) (Brookfield DV － ⅠPrime):歐洲飛萊博。

1. 2 OPE 微乳液的制備 

將一定量的 OPE 蠟、非離子型乳化劑、乳化助劑、氫氧化 鉀、焦亞硫酸鈉和去離子水加入高壓反應(yīng)釜，密封后通入高壓 氮?dú)?，使釜?nèi)壓力超過 5 MPa;然后加熱至 150 ℃，在該溫度下 恒速(200 r/min)攪拌 1 h;最后通入冷卻水冷卻至室溫，停止 攪拌，泄壓，出料。

1. 3 OPE 微乳液的表征 

向 離 心 試 管 內(nèi) 加 入 50 mL OPE 微 乳 液 樣 品，以 3 000 r/min的速度離心 30 min，如果不破乳、不分層、無沉淀 物，則穩(wěn)定性好;反之則穩(wěn)定性差。 用 Mastorsizer 2000 激光粒度儀分析 OPE 微乳液的粒徑分 布、平均粒徑和比表面積;用 Brookfield DV － ⅠPrime 測定 OPE 微乳液的黏度，測定時(shí)用 3 # 轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速 100 r/min。

2 結(jié)果與討論

2. 1 乳化劑用量對(duì) OPE 蠟液乳液粒子粒徑及粒徑分布的影響

OPE 微乳液常需與其他乳液(如聚丙烯酸酯類乳液)混合 使用，因此 OPE 微乳液與其他乳液的相容性非常重要。壬基 酚聚氧乙烯醚類非離子型乳化劑因難以降解，目前已在多個(gè) 領(lǐng)域被禁止使用。因此，本研究在做了大量調(diào)研及前期試驗(yàn) 的基礎(chǔ)上，選用異構(gòu)脂肪醇聚氧乙烯醚為單一乳化劑，再采用 一種小分子化合物為助乳化劑，采用高壓乳化法制備 OPE 微 乳液(OPE ME)。在固定助乳化劑用量(乳化劑用量的 5%) 和乳化壓力的基礎(chǔ)上，改變異構(gòu)脂肪醇聚氧乙烯醚的用量(分 別為 OPE 蠟的 15%、20%、25%)，所得乳液分別為 OPE ME － 01、OPE ME － 02、OPE ME － 03，考察乳化劑用量對(duì) OPE 乳液 粒子粒徑和粒徑分布的影響，OPE 微乳液和 Emulsion 39635 的 粒徑分布曲線如圖 1 所示，其他性能測試結(jié)果如表 1 所示。

從圖1 可知，OPE 微乳液的粒徑分布比 Emulsion 39635 稍 寬，ME －01 至 ME － 03 的粒徑上限均為 316 nm，而 Emulsion 39635 的粒徑上限為 275 nm，但 ME －01 至 ME －03 的粒徑曲 線表明粒徑為 316 nm 的乳膠粒子的體積分?jǐn)?shù)分別為 0. 45%、 0. 15%和 0. 10%，可見粒徑上限的乳膠粒子數(shù)量非常少;其 次，盡管前者的粒徑分布較寬，OPE ME － 03 的比表面積稍高 于 Emulsion 39635，說明前者中含有更高比例的小粒徑乳膠粒 子，前者更小的平均粒徑(84 nm)進(jìn)一步證實(shí)了這一觀點(diǎn);最后，OPE 微乳液的黏度均小于 Emulsion 39635，這也有利于 OPE 微乳液與其他乳液的共混使用，通過這種方法制備的 OPE 微乳液且具有良好的離心穩(wěn)定性，且在室溫下放置半年 后無明顯的變化。

隨乳化劑用量的增加，粒徑范圍無明顯變化，但 OPE 微乳 液的比表面積從 56. 9 m 2 /g 增加到 71. 1 m 2 /g，平均粒徑從 105 nm 減小至84 nm，說明增加乳化劑用量可顯著提高更小粒 徑的乳膠粒子比例，這在 OPE 微乳液的應(yīng)用中顯得非常重要。 在 OPE 微乳液與其他乳液混合使用時(shí)，更小粒徑的 OPE 乳膠 粒子有利其嵌入到其他乳膠粒子中，更好地發(fā)揮其上光和潤 滑作用。

2. 2 乳化壓力對(duì) OPE 乳膠粒子粒徑及粒徑分布的 影響 

由于增加乳化壓力可降低水的表面張力，因此，在 OPE ME －03 的基礎(chǔ)上，降低乳化時(shí)的壓力，以考察乳化壓力對(duì) OPE 乳膠粒子尺寸及粒徑分布的影響。不同乳化壓力下獲得 的 OPE 微乳液的粒徑分布曲線如圖 2 所示。

從圖 2 可知，隨著乳化壓力降低，OPE 微乳液的粒徑分布 曲線逐漸向右移動(dòng)，說明 OPE 乳膠粒子的平均粒徑增加，OPE ME －04 和 OPE ME －05 的粒徑分布范圍分別是 46 ～ 417 nm 和 60 ～550 nm，平均粒徑分別為 101 nm 和 109 nm。 因此，為減小 OPE 微乳液的平均粒徑和縮小粒徑分布范 圍，提高乳化壓力是有效的方法。因?yàn)樵黾芋w系的壓力可有 效降低水的表面張力，在表面活性劑的共同作用下，OPE 可分 散成細(xì)小液滴，形成平均粒徑小于 100 nm 的乳膠粒子。然 而，實(shí)際生產(chǎn)中提高壓力往往意味著增加生產(chǎn)成本，縮短相關(guān) 設(shè)備的使用壽命。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可將乳化壓力控制在 10 MPa 以下，通過提高水乳比同樣可達(dá)到上述目的。

3 結(jié) 語 

采用異構(gòu)脂肪醇聚氧乙烯醚為單一非離子型乳化劑，以 OPE 蠟為原料，采用高壓乳化法制備了淡黃色、半透明的 OPE 微乳液。結(jié)果表明:乳化劑用量和乳化壓力均會(huì)對(duì) OPE 乳膠 粒子的尺寸和粒徑分布產(chǎn)生影響，但后者的影響相對(duì)較小。 當(dāng)乳化劑用量為 OPE 用量的 25%，且乳化助劑、氫氧化鉀和 焦亞硫酸鈉的用量分別為乳化劑用量的 5%、2. 5% 和 0. 5% 時(shí)，獲得性能較佳的 OPE 微乳液，固含量 35. 2%，Brookfield 黏 度 28. 0 mPa·s，且平均粒徑僅為 84 nm。

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