鄒 忌 鄒長(zhǎng)清 黎偉東 林曉潔

(廣州納英化工有限公司,廣州 510000)

1 主要實(shí)驗(yàn)儀器和材料

實(shí)驗(yàn)儀器：氣相色譜儀以及配套頂空進(jìn)樣器(安捷倫GC-7890A)、分析天平(雙杰JJ224BC)、電子天平(雙杰JJ2202BC)、熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(ZEISS Sigma 500)；以及其他制作牙膏需要設(shè)備如單級(jí)旋片真空泵(南北儀器TW-4A)、懸臂式恒速?gòu)?qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)(上海標(biāo)本模型廠BOS-150)。

香精、材料A、去離子水以及牙膏配方所需要的其他原料(如下表1所示)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和方法

設(shè)計(jì)兩個(gè)牙膏配方，其配比如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)配方組分表(w,%)

表1中：1B 為含有材料A的牙膏，2B為不含材料A的牙膏。

兩個(gè)配方使用相同的香精(不同的香原料按照一定比例混合)，并且加入量也一樣。用同樣的工藝制作，在真空狀態(tài)下用可調(diào)速攪拌器使材料分散均勻，真空泵最高真空度達(dá)到-0.094Mpa。一個(gè)配方中使用材料A(占2.5%)，另一個(gè)配方中不使用材料A，不使用材料A的相應(yīng)的比例用二氧化硅代替。對(duì)制作出的產(chǎn)品進(jìn)行編號(hào)，使用了材料A的產(chǎn)品編號(hào)為1B，未使用的產(chǎn)品編號(hào)為2B。

稱取制作的牙膏5克，將牙膏與去離子水按照7∶3的比例混合，輕輕地?cái)嚢杈鶆颍换旌虾髽悠妨⒓捶湃腠斂諝庀嗌V儀的進(jìn)樣皿中，在60℃恒溫下，保持40分鐘。得到頂空氣相色譜圖，將譜圖中我們主要關(guān)注的項(xiàng)目“保留時(shí)間(min)”和“峰面積(pa.s)”單獨(dú)列出，得到下表2。

表2 牙膏加水稀釋并攪拌，在氣相色譜儀中相同 “保留時(shí)間”下，“峰面積”對(duì)比表

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

分析原理：牙膏中香精是用多種香原料按照比例混合配制而成的，刷牙時(shí)我們總是希望牙膏中的香原料都能夠比較快、很充分地釋放出來(lái)，這樣可以帶來(lái)期望的口感和效果。在色譜儀中，不同的組分出峰時(shí)間(保留時(shí)間)不同。峰面積(pa·s)代表該香原料釋放的量，釋放得越快釋放的量越大，在譜圖上對(duì)應(yīng)的峰面積(pa·s)也越大。因?yàn)闃悠费栏?B和對(duì)照樣品2B使用的是相同的香原料和相同的量，所以，我們可以比較在相同的出峰時(shí)間(保留時(shí)間)下，試驗(yàn)樣品和對(duì)照品釋放的組分的量。在刷牙時(shí)，釋放得快的牙膏香氣也出來(lái)得更加充分飽滿，相反，釋放慢的牙膏香氣可能單薄、寡味。

2.3 結(jié)果

從表2中比較，當(dāng)對(duì)牙膏樣品攪拌加水后，在相同的出峰時(shí)間點(diǎn), 樣品1B的峰面積均大于樣品2B，所以樣品1B釋放的香原料速度和量要明顯大于樣品2B。且材料A可促進(jìn)牙膏在刷牙時(shí)釋放膏體中添加的香原料成分。

3 機(jī)理研究及討論

為探索材料A如何促進(jìn)香原料成分釋放，將材料A表面用掃描電鏡掃描，記錄下該材料掃描電鏡圖見(jiàn)圖1。

圖1 材料A掃描電鏡圖

圖1中掃描電鏡圖片清楚的證實(shí)，該材料具有豐富的微孔和軟的褶皺。

材料的表面形貌對(duì)材料的性質(zhì)有重大的影響。同一個(gè)化學(xué)材料在相同尺寸時(shí)，表面形貌不同其性質(zhì)也會(huì)有巨大的不同。材料多孔有利于提高比表面積，從而具有強(qiáng)力的吸附能力[1]。

材料A在常溫狀態(tài)下表面吸附空氣，孔隙被空氣所占據(jù)。物理吸附主要是基于范德華力、氫鍵和靜電力，相當(dāng)于流體中組分分子在吸附劑表面上的凝聚，可以是單分子層，也可以是多分子層。物理吸附一般速度較快且是可逆的[2]。

Freundlich方程式用于描述平衡數(shù)據(jù)的最早的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式之一，其表達(dá)式為

q=Kp1/n

(1)

式中:q——吸附質(zhì)在吸附劑相中的濃度；

p——吸附質(zhì)在流體相中的分壓；

K，n——與溫度有關(guān)的特征常數(shù)[2]。

在牙膏制作的工藝過(guò)程中，通常會(huì)讓容器內(nèi)處于真空狀態(tài)。此時(shí)容器內(nèi)空氣分壓p(空氣)降低至接近0，根據(jù)式(1)，在材料上的空氣濃度q(空氣)也會(huì)降低至接近0。相當(dāng)于此材料孔隙中的空氣被脫出，那么此時(shí)牙膏中添加的香原料和某些其他功效材料會(huì)因?yàn)榉謮捍蠖晃竭M(jìn)入孔隙中，最后達(dá)到吸附平衡。在這種情況下，香原料和某些功效材料因吸附作用而穩(wěn)定。

物理吸附的吸附質(zhì)分子可通過(guò)降低壓力的方法解吸[2]。在刷牙時(shí)，空氣和水的加入使流體體積變大，使功效成分在流體中的分壓降低而大量解吸，分散在空氣等流體中，達(dá)到了釋放的作用。而在沒(méi)有材料A的配方(2B)中，香原料和某些功效材料與配方中其他組分因表面活性作用、氫鍵、靜電引力等分子作用力緊緊的被束縛，故難以在刷牙時(shí)脫出釋放。

測(cè)試材料A樣品的BET單點(diǎn)比表面積為1.27534m2/g，單點(diǎn)吸附總體積為0.00462cm3/g，顯示該材料具有豐富的微孔，比常見(jiàn)的普通粉末材料的比表面積大得多。具有比較強(qiáng)的吸附一些活性材料的能力[1]。

為了證明功效原料因材料A的吸附能力而在牙膏中變得更加穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了將上面實(shí)驗(yàn)制作的同一牙膏樣品在沒(méi)有攪拌也不添加水稀釋——也就是對(duì)牙膏不增加外部動(dòng)力的情況下取5克樣品在相同溫度直接放入頂空進(jìn)樣皿進(jìn)入氣相色譜儀，用相同的分析方法分析香原料釋放的圖譜，將譜圖中我們主要關(guān)注的項(xiàng)目“保留時(shí)間(min)”和“峰面積(pa·s)”單獨(dú)列出，得到下表3。

從表3可以看出：如果不對(duì)牙膏進(jìn)行加水?dāng)嚢柚苯訙y(cè)試其中的功效香原料的釋放能力時(shí)，在相同的出峰時(shí)間點(diǎn)，樣品1B的峰面積均小于樣品2B。所以1B牙膏與2B牙膏相比釋放出的香原料成分更慢和更少。證明含有材料A的牙膏中的香原料成分比不含的更加穩(wěn)定，這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了功效原料因材料A的吸附能力而在牙膏中變得更加穩(wěn)定。

表3 對(duì)樣品牙膏不攪拌不添加水的條件下氣相色譜值

表2和表3的結(jié)果證明：含有材料A且添加了功效原料的牙膏在刷牙時(shí)，因牙刷刷動(dòng)以及唾液中水分作用下，比不添加材料A的更容易釋放。但是在靜止貯放狀態(tài)時(shí)時(shí)卻又比不含材料A的牙膏有更好的熱穩(wěn)定性。這個(gè)特點(diǎn)也正符合微孔隙吸附的特征。

4 總結(jié)

①通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)證明功效原料及香原料會(huì)因牙膏體系中含有的物質(zhì)差異而表現(xiàn)出釋放速度差異及熱穩(wěn)定性差異。

②實(shí)驗(yàn)表明材料A的吸附能力使功效原料及香原料在牙膏中變得更加穩(wěn)定，從而牙膏具有更好的儲(chǔ)存熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)牙膏產(chǎn)品保質(zhì)期；

③由于功效成分、香原料與材料A的吸附作用，材料A可促進(jìn)在刷牙時(shí)對(duì)其他的功能材料的釋放，使香氣更加充分飽滿。