陳文藝, 宮召君, 段寧寧

(遼寧石油化工大學(xué),遼寧撫順 113001)

新型多用途乳化蠟制備研究

陳文藝, 宮召君, 段寧寧

(遼寧石油化工大學(xué),遼寧撫順 113001)

以氧化蠟和石蠟為原料,采用復(fù)配的乳化劑,在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%,增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%,在乳化溫度為85℃、乳化時(shí)間為30 min、攪拌速率1 000 r/min的工藝條件下,制備的O/W型石蠟乳液的粒徑在1μm左右。該石蠟乳液具有生產(chǎn)成本低、制備工藝簡單、使用方便、對環(huán)境無污染、泡沫低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

石蠟; 乳化蠟; 乳化劑; 氧化蠟

石油蠟是一種重要的工業(yè)原料,在我國石蠟大多以初級產(chǎn)品應(yīng)用于蠟燭、火柴、印刷、造紙等行業(yè),應(yīng)用領(lǐng)域較窄,并且品種也較少,經(jīng)濟(jì)效益不高,出口蠟的品種也單一,產(chǎn)品還未形成系列化。因此如何充分利用我國豐富的石蠟資源,研制與開發(fā)出一系列高附加值的產(chǎn)品是我們面臨的一個(gè)重要課題。乳化石蠟具有無味、不燃、不揮發(fā)、無毒、分散性好、涂層均勻、韌性適宜等諸多優(yōu)點(diǎn)[1],使得乳化蠟在使用時(shí)不需加熱熔融或不必溶于某些溶劑,易于與其它物質(zhì)的水溶液或乳狀液混合復(fù)合使用,具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)、使用方便等優(yōu)點(diǎn),因此大大增加了石蠟產(chǎn)品的附加值[2-5]。

本研究以硬脂酸、吐溫-20、單硬脂酸甘油酯為復(fù)配的乳化劑,在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%,石蠟和氧化蠟總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,其中石蠟和氧化蠟質(zhì)量比為2∶1,并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的增稠劑,制備出性能良好的乳化蠟。通過對石蠟乳化液制備條件考察,確定其最佳工藝條件。本乳化蠟配方簡單,具有生產(chǎn)成本低、制備工藝簡單、使用方便、對環(huán)境無污染、泡沫低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

全精煉石蠟60號:工業(yè)級,撫順石油一廠生產(chǎn);氧化蠟,實(shí)驗(yàn)室自制;司盤-80(CR):沈陽市合富化學(xué)試劑廠生產(chǎn);吐溫-80:分析純,大連藝秀分子篩催化劑有限公司生產(chǎn);吐溫-20:分析純,大連藝秀分子篩催化劑有限公司生產(chǎn);羧甲基纖維素鈉(CMC·Na):配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%溶液,沈陽新興試劑廠;單硬脂酸甘油酯:化學(xué)純,沈陽市合富化學(xué)試劑廠生產(chǎn);硬脂酸:化學(xué)純,沈陽新興試劑廠生產(chǎn);去離子水,實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

石蠟針入度試驗(yàn)器:上海石油儀器廠;GSL-101B型激光粒度測試儀:遼寧儀表研究所;實(shí)驗(yàn)室用標(biāo)準(zhǔn)型均質(zhì)器:上海標(biāo)本模型廠;LB108型超級恒溫水浴:遼陽市恒溫儀器廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程及方法

以石蠟和氧化石蠟為原料,借助乳化劑的定向吸附作用,在機(jī)械外力的作用下即可制得乳化蠟。將石蠟和氧化蠟切成1 cm3左右的小碎塊,按比例稱好后,放入250 m L的三口燒瓶中,在90℃的恒溫水浴中溶化。加入復(fù)合乳化劑,待乳化劑和石蠟完全融化,開啟攪拌,升高溫度,逐滴加入相同溫度的去離子水和乳液穩(wěn)定劑,保持乳化一定時(shí)間。達(dá)到乳化時(shí)間后,保持?jǐn)嚢?將乳液溫度迅速降至40℃以下,即可得到石蠟乳液。

1.4 乳化蠟性能測定

機(jī)械穩(wěn)定性的測定,按GB11543-89方法測定;乳液的粒度測定,采用GLS-101B型激光粒度測試儀測定;分散性測定,將石蠟滴入60℃的水中,分散性測定方法參照農(nóng)乳的5個(gè)等級,1級最好,5級最差。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化劑的選擇

乳化劑的選擇通常以親油親水平衡值(HLB)為依據(jù)。對于O/W型乳化蠟,選擇與乳化蠟HLB值(9～12)相近的表面活性劑為乳化劑,考察了乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的乳液穩(wěn)定性的影響,結(jié)果見表1。由表1可以看出,復(fù)配乳化劑的乳化效果好于單獨(dú)乳化劑,特別是用單硬脂酸甘油酯、Tween-20和硬脂酸3者制備的復(fù)合乳化劑,在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),形成的乳液穩(wěn)定性、流動(dòng)性、分散性都較好,因此本實(shí)驗(yàn)選用3號配方作為復(fù)合乳化劑。

2.2 原料配比對乳液性能的影響

氧化蠟引入了—COOH、—OH、—CO等極性基團(tuán)[6],制得的乳液穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。為了制得性能穩(wěn)定的石蠟乳液,本實(shí)驗(yàn)在復(fù)合乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、增稠劑(CMC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的條件下,采用石蠟和氧化蠟進(jìn)行復(fù)配,考察了蠟的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%條件下,石蠟與氧化蠟的加入比例對乳液穩(wěn)定性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可以看出,當(dāng)石蠟和氧化蠟質(zhì)量比為2∶1時(shí),乳液穩(wěn)定性好,不分層,且分散性好,故比較適合的石蠟與氧化蠟質(zhì)量比為2∶1。

乳化劑HLB值石蠟乳液狀態(tài)

表1 乳化劑對乳液性能的影響Table 1 The influence of emulsifier to emulsion performance

表2 石蠟和氧化蠟的質(zhì)量比對乳液性能的影響Table 2 The influence of paraffin wax and oxidized wax mass ratio to emulsion performance

2.3 氧化蠟酸值對乳化效果的影響

天然蜂蠟在乳化蠟的配方中有較好的應(yīng)用,但天然蜂蠟價(jià)格昂貴,用氧化蠟代替天然蜂蠟,也會得到較穩(wěn)定的石蠟乳液[7]。天然蜂蠟的酸值在18～24 mg(KOH)/g。圖1所示為氧化蠟酸值對乳液粒徑影響。表3為氧化蠟酸值對乳化效果的影響。

Fig.1 The influence of acid value of oxidized wax emulsion to emulsion particle size圖1 氧化蠟酸值對乳液粒徑的影響

表3 酸值對乳化效果的影響Table 3 The influence of acid value to emulsifies effect

由圖1可看出,氧化石蠟的酸值在20～30 mg (KOH)/g時(shí),所得的乳液粒徑小;由表3可以看出,酸值在20～40 mg(KOH)/g時(shí)乳液離心穩(wěn)定性、分散性、流動(dòng)性都較好。因此,在實(shí)驗(yàn)中采用酸值在20～30 m g(KOH)/g的氧化蠟替代天然蜂蠟。

2.4 乳化劑用量對乳液性能的影響

研究已表明表面活性劑作為乳化劑時(shí),其在界面上形成吸附膜的強(qiáng)度與界面活性劑的濃度有關(guān),只有加入足夠量的乳化劑才能達(dá)到最佳乳化效果。乳化劑用量對乳液性能的影響見表4。乳化劑用量過多,產(chǎn)品易形成泡沫,影響質(zhì)量;用量過少,蠟不能完全乳化或乳液不穩(wěn)定。通過實(shí)驗(yàn)確定,復(fù)配乳化劑的適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)得到的乳液的穩(wěn)定性最好。

表4 乳化劑用量對穩(wěn)定性的影響Table 4 The influence of emulsifier amount to stable

2.5 增稠劑用量對乳液性能的影響

增稠劑能顯著增加石蠟乳液的粘度,減少乳化劑的用量,增加乳液的穩(wěn)定性。增稠劑加入量對乳液性能影響如表5所示。由表5可以看出,比較適宜的增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%,此時(shí)得到的乳液穩(wěn)定,且分散性好。

2.6 乳化溫度對乳液性能的影響

乳化過程是乳化劑分子吸附在水和石蠟界面的過程。石蠟乳化過程需要一定的熱量,使其內(nèi)聚力降低[8],以便在攪拌下迅速而充分地分散。乳化溫度對乳液性能的影響見表6,對乳液粒徑的影響見圖2。

表5 增稠劑對乳液性能的影響Table 5 The influence of thicken ing agent to emulsion performance

由表6可見,由于石蠟熔化需要一定溫度,便于攪拌,因此乳化溫度必須高于石蠟熔點(diǎn),當(dāng)溫度高于95℃時(shí),接近水的沸點(diǎn),水容易蒸出,且能耗大,所以通常選擇的乳化溫度在80～90℃。

表6 乳化溫度對乳液性能的影響Table 6 The influence of emulsified tem perature to emulsion performance

Fig.2 The influence of emulsified tem perature to emulsion particle size圖2 乳化溫度對乳液粒徑的影響

由圖2可以看出,乳化溫度為85℃左右乳液粒徑出現(xiàn)極小值。結(jié)合表6和圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定最佳乳化溫度為85℃。

2.7 乳化時(shí)間對乳液性能的影響

圖3為乳化時(shí)間對乳液粒徑的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,乳化時(shí)間太短,石蠟不能充分乳化,而乳化時(shí)間太長,則導(dǎo)致泡沫增多且能耗過高。因此,最佳乳化時(shí)間在30 min左右。

Fig.3 The influence of emulsified time to emulsion particle size圖3乳化時(shí)間對乳液粒徑的影響

2.8 攪拌速率對乳液性能的影響

攪拌速率對乳液粒徑的影響見圖4。由圖4可見,攪拌速率大于800 r/min,得到的石蠟乳液粒徑較小,從節(jié)能考慮,選擇攪拌速率控制在1 000 r/ min左右為宜。

綜上,確定石蠟乳化液制備最佳工藝條件為:乳化溫度85℃左右,乳化時(shí)間30 min,攪拌速率1 000 r/min。本乳化蠟配方簡單,具有生產(chǎn)成本低、制備工藝簡單、使用方便、對環(huán)境無污染、泡沫低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。通過上述方法得到的石蠟乳液,所制得的乳液粒徑在1μm左右,且比較均勻,因此具有廣泛應(yīng)用前景。

Fig.4 The influence of agitate speed to emulsion particle size圖4 攪拌速率對粒徑的影響

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(Ed.:YYL,Z)

陳文藝,男,漢族,1961年10月生,遼寧省遼中縣人,中共黨員,教授,碩士研究生導(dǎo)師。

自1984年7月?lián)犴樖蛯W(xué)院石油化學(xué)工程專業(yè)畢業(yè)留校以來,一直從事石油加工方面的教學(xué)、科研和管理工作。先后榮獲“撫順石油學(xué)院青年教師優(yōu)秀教學(xué)獎(jiǎng)”、“撫順石油學(xué)院優(yōu)秀教學(xué)成果一等獎(jiǎng)”、“中國石油化工總公司優(yōu)秀青年知識分子”、“撫順市有突出貢獻(xiàn)科技工作者”、“撫順市第二屆青年學(xué)科帶頭人”、“撫順市第三屆青年學(xué)科帶頭人”等榮譽(yù)稱號?，F(xiàn)任遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院院長。

主要研究方向?yàn)檩p油改質(zhì)與重質(zhì)油的分析與預(yù)測,石油加工新工藝與催化劑研究,特種蠟及其助劑研究及利用。自2000年以來,主持完成7項(xiàng)中石化、中石油和省級科研項(xiàng)目和多項(xiàng)企業(yè)項(xiàng)目?？蒲谐晒ㄟ^鑒定4項(xiàng),獲得省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng),市級科技進(jìn)步獎(jiǎng)4項(xiàng),校級科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)?！按呋疘I套再吸收塔改造”項(xiàng)目為企業(yè)每年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益110萬元以上。目前正承擔(dān)省部級項(xiàng)目2項(xiàng),企業(yè)委托項(xiàng)目3項(xiàng)。在國內(nèi)外公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文近50篇,被SCIE、EI收錄論文10篇。出版教材1部,授權(quán)國家發(fā)明專利1項(xiàng)。

Preparation a New M ulti-Purpose Emulsion Wax

CHEN Wen-yi,GONG Zhao-jun,DUAN Ning-ning
(L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning 113001,P.R.China)

14 M ay 2010;revised 5 June 2010;accep ted 18 June 2010

Take the oxidized wax and paraffin as raw materials,take themixture of emulsifiers w hich accession to the amount was 3.0%(mass f raction),the amount of thickener by adding 3.0%(mass fraction),the size of the p repared O/W type emulsified wax w ith 1μm can be obtained under the technology w hen the emulsion temperature was 85℃,emulsifying time was 30 min,stirring speed 1 000 r/min.The em ulsified wax have the advantages of low cost of p roduction,the p reparation craft is simp le,easy to use,non-environmental pollution,low bubble,good stability,etc.,may obtain the w idesp read app lication.

Paraffin;Emulsifying wax;Emulsifier;Oxidized wax

.Tel.:+86-413-6860835;fax:+86-413-6860835;e-mail:fscw y@126.com

TQ630.4

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.03.011

1006-396X(2010)03-0048-04

2010-05-14

陳文藝(1961-),男,遼寧遼中縣,教授。

遼寧省教育廳資助項(xiàng)目(2006T090)。