兩性-非離子型汽車上光乳化蠟的制備

程振鋒，張忠凱，趙 恒

湖北文理學(xué)院食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院與化學(xué)工程學(xué)院，湖北襄陽 441000

乳化蠟是借助乳化劑的乳化作用，將石蠟、微晶蠟、氧化聚乙烯(OPE)蠟等分散在水中形成的均勻分散體系，具有可拋光性、自修復(fù)性和耐刮擦性，且成膜均勻、使用方便，廣泛應(yīng)用于木材加工、汽車上光和皮革拋光等[1-4]。其中，汽車上光乳化蠟可以保護(hù)車輛表面、保持車體光亮、增加車輛美觀[5]，因此上光乳化蠟研制倍受關(guān)注。

根據(jù)所用乳化劑的類型不同，汽車上光乳化蠟分為陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性離子型。非離子型乳化蠟不帶電，不易受到酸、堿和無機(jī)鹽的影響，穩(wěn)定性高。王冬美等[6]以巴西棕櫚蠟、蜂蠟、石蠟和表面活性劑為原料，采用非離子復(fù)配Ⅰ型乳化劑，制備了穩(wěn)定性高的微乳型汽車上光蠟，功能單一的非離子型乳化蠟影響其使用。兩性離子型乳化蠟采用了兩性離子型乳化劑，具有良好的防銹性，但其穩(wěn)定性低較難制備。因此，以非離子型乳化劑為主乳化劑、兩性離子型乳化劑為助乳化劑制備穩(wěn)定性高、防銹性好的汽車上光乳化蠟尤為重要，相關(guān)研究鮮見報道?，F(xiàn)擬以58#石蠟、OPE蠟為原料，采用非離子型乳化劑吐溫-60和司潘-60為主乳化劑、兩性離子型乳化劑椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB-35)為助乳化劑制備兩性-非離子型汽車上光乳化蠟，并利用單因素法考察配方組成、乳化時間、乳化溫度對乳化蠟性能的影響，以確定配方和制備條件，同時研究其穩(wěn)定性和應(yīng)用性能。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

58#石蠟，工業(yè)級，中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司；OPE蠟，工業(yè)級，淄博市臨淄齊泉工貿(mào)有限公司；吐溫-60、司潘-60、司潘-80均為工業(yè)級，廣東潤華化工有限公司；硬脂酸，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；CAB-35，工業(yè)級，廣州詩茗化工有限公司；氯化鈉、硫酸鈉均為分析純，西隴科學(xué)股份有限公司。

PHS-3E型pH計，上海雷磁；FA2004型電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器公司；JND-A60型光澤度計，福安市鈞能達(dá)電子科技有限公司；Mastersize-3000型激光粒度儀：英國馬爾文儀器有限公司；Nano-ZS型 Zeta電位分析儀，英國馬爾文儀器有限公司。

1.2 乳化蠟的制備

先分別稱取一定量的58#石蠟、OPE蠟和司潘-60加入三口燒瓶，并放入電熱套中加熱至指定溫度；然后將吐溫-60和CAB-35加入盛有去離子水的燒杯中溶解，并放置于另一電熱套中加熱至指定溫度；最后取出三口燒瓶，放置在磁力攪拌器上邊攪拌邊加入含有吐溫-60和CAB-35的去離子水，持續(xù)攪拌一定時間即可制得兩性-非離子型乳化蠟。若僅將吐溫-60加入去離子水中，并按照上述操作步驟則可制得非離子型乳化蠟。

1.3 乳化蠟的性能測試

1)將乳化蠟移入玻璃管中在室溫下靜置30 d，觀察穩(wěn)定性。將2～3滴乳化蠟滴入水中，參考農(nóng)乳分散等級確定分散性，一級最好，五級最差[7]。

2)采用激光粒度儀測定乳化蠟粒子的累積粒度分布百分?jǐn)?shù)分別為10%、50%和90%時的粒徑D10、D50、D90，D50為平均粒徑，D90-D10反映粒徑集中程度的大小。

3)采用pH計測定乳化蠟的pH。

4)采用光澤度計測定光澤度，并確定涂蠟后的光澤度增加值。

5)防銹試驗參照石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SH/T 0025—1999防銹油鹽水浸漬試驗法》。

2 結(jié)果與討論

2.1 組成確定

2.1.1 蠟的選擇

作為汽車上光乳化蠟的基本成分，蠟分為硬蠟和軟蠟，單一品種的蠟一般不能滿足產(chǎn)品要求，所以常采用硬蠟和軟蠟的混合蠟。OPE蠟是含有羧基、羥基等極性基團(tuán)的硬蠟[8]，具有可拋光性、自修復(fù)性、耐刮擦性和易乳化性，但其熔點高、附著性差；石蠟是軟蠟，具有熔點低、附著性好的特點，有利于上光乳化蠟的鋪展，且價格便宜、原料易得。因此，試驗選擇OPE蠟和58#石蠟作為汽車上光蠟的原料。

2.1.2 主乳化劑的選擇

乳化劑是制備汽車上光乳化蠟的關(guān)鍵組分，其性能高低直接影響穩(wěn)定性和分散性。因而將OPE蠟、58#石蠟作為研究對象，在乳化時間為10 min，乳化溫度為110 ℃，攪拌速度為1 400 r/min的條件下考察吐溫-60等常用乳化劑的乳化性能，結(jié)果見表1。

表1 不同乳化劑的乳化效果

由表1可知，乳化劑吐溫-60或司潘-60單獨使用時形成的界面膜強(qiáng)度低，乳化蠟的穩(wěn)定性和分散性差，而司潘-80、吐溫-60和硬脂酸組成的復(fù)合乳化劑的效果優(yōu)良，但組分較多，所以選吐溫-60和司潘-60作主乳化劑。

2.1.3 蠟組成的確定

乳化蠟制備中，水用量一般為乳液質(zhì)量的65.0%～70.0%[9]，考慮到乳液的流動性和鋪展性，水用量取70.0%。同時，乳化劑用量為乳液質(zhì)量的5.0%～15.0%時乳化效果最佳[10]，用量過多會產(chǎn)生大量泡沫，所以取最小值5%，蠟用量則為乳液質(zhì)量的25%。為確定58#石蠟與OPE蠟的最佳配比，在乳化時間為10 min，乳化溫度為110 ℃，攪拌速度為1 400 r/min的條件下，分別制備58#石蠟與OPE蠟質(zhì)量比不同的乳化蠟，測其乳化性能結(jié)果見表2。

表2 58#石蠟與OPE蠟質(zhì)量比對乳化蠟性能的影響

由表2可知，當(dāng)質(zhì)量比不大于1∶1時，隨著58#石蠟用量的增多，光澤度增加值略有提高，這是由于58#石蠟的少量添加提高了蠟?zāi)さ母采w性和附著性；當(dāng)質(zhì)量比大于1∶1時，光澤度增加值隨58#石蠟用量的增加而逐漸降低，這是由于58#石蠟的拋光性差，用量過多可使拋光性降低。綜合考慮乳化蠟的拋光性及成本，58#石蠟與OPE蠟的質(zhì)量比選為1∶1，此時乳化蠟的平均粒徑最小，粒徑分布最集中，穩(wěn)定性也較高。

2.1.4 主乳化劑組成的確定

為確定主乳化劑中司潘-60和吐溫-60的最佳組成，在水用量為乳液質(zhì)量的70%，乳化劑用量為乳液質(zhì)量的5%，蠟用量為乳液質(zhì)量的25%，58#石蠟與OPE蠟的質(zhì)量比為1∶1，乳化時間為10 min，乳化溫度為110 ℃，攪拌速度為1 400 r/min的條件下，分別制備司潘-60和吐溫-60質(zhì)量比不同的乳化蠟，測定其性能結(jié)果見表3。隨著主乳化劑質(zhì)量比的逐漸增大，D50先由質(zhì)量比為3∶7時的0.306 μm緩慢減至0.195 μm，然后又緩慢增至質(zhì)量比7∶3時的0.986 μm，D50最小值在質(zhì)量比為5∶5時，此時D90-D10為最小值0.187 μm，乳化蠟的粒徑分布最集中，分散性為一級。因此，司潘-60與吐溫-60的最佳質(zhì)量比為5∶5。

表3 司潘-60和吐溫-60質(zhì)量比對乳化蠟性能的影響

2.1.5 主乳化劑用量的確定

為確定主乳化劑的最佳用量，在水用量為乳液質(zhì)量的70%，58#石蠟與OPE蠟的質(zhì)量比為1∶1，司潘-60與吐溫-60的質(zhì)量比為5∶5，乳化時間為10 min，乳化溫度為110 ℃，攪拌速度為1 400 r/min的條件下，分別制備乳化劑用量不同的乳液，其性能測試結(jié)果見表4。

表4 乳化劑用量對乳化蠟性能的影響

由表4可知，當(dāng)乳化劑用量低于5%時，乳化蠟的穩(wěn)定性較差，出現(xiàn)了分層，因而乳化劑用量應(yīng)不低于5%。同時，隨著乳化劑用量的增加，D50不斷增大，乳液粒徑分布的集中程度降低，因而乳化劑用量取為5%，此時乳化蠟的分散性為一級。

2.1.6 助乳化劑用量的確定

CAB-35是性能溫和且具有防銹性的兩性表面活性劑，故選其作為助乳化劑制備兩性-非離子型乳化蠟。為確定CAB-35的最佳用量，在水用量為乳液質(zhì)量的70%，乳化劑用量為乳液質(zhì)量的5%，司潘-60與吐溫-60的質(zhì)量比為5∶5，58#石蠟與OPE蠟的質(zhì)量比為1∶1，乳化時間為10 min，乳化溫度為110 ℃，攪拌速度為1 400 r/min的條件下，分別制備CAB-35用量不同的乳化蠟并測定其性能，結(jié)果見表5。當(dāng)CAB-35用量不大于2.0 g時，Zeta電位的絕對值為30.6～34.8 mV，高于乳化蠟的穩(wěn)定分界值30.0 mV[11]，粒子間的斥力較大，乳化蠟穩(wěn)定性較高；當(dāng)CAB-35用量高于2.0 g時，Zeta電位的絕對值低于30.0 mV，乳化蠟的穩(wěn)定性低。因此，CAB-35的用量選為2.0 g，此時乳化蠟的D50、D90-D10分別接近最小值0.194 μm和0.187 μm，分散性為一級。綜上所述，乳化蠟中58#石蠟、OPE蠟、司潘-60、吐溫-60、CAB-35和水的用量分別為乳液質(zhì)量的12.3%，12.3%，2.5%，2.5%，2.0%，68.4%。

表5 CAB-35用量對乳化蠟性能的影響

2.2 乳化條件優(yōu)選

2.2.1 乳化時間的確定

為確定乳化時間，在58#石蠟、OPE蠟、司潘-60、吐溫-60、CAB-35和水的用量分別為乳液質(zhì)量的12.3%，12.3%，2.5%，2.5%，2.0%，68.4%，乳化溫度為110 ℃，攪拌速度為1 400 r/min的條件下制備乳化時間不同的乳化蠟，其性能測試結(jié)果見圖1。

圖1 乳化時間對乳化蠟性能的影響

由圖1可知，當(dāng)乳化時間不大于10 min時，隨著乳化時間的增長，D50由5 min時的0.205 μm減至0.199 μm，這是由于乳化時間增長，蠟與水充分混合使得乳化蠟粒徑減??；當(dāng)乳化時間大于10 min時，隨著乳化時間的增長，D50又增至25 min時的1.833 μm，這是由于乳化時間過長，已分散的乳化蠟粒子又聚集在一起導(dǎo)致粒徑增大。因此，乳化時間選為10 min，此時，D90-D10最小，乳化蠟的粒徑分布最集中。

2.2.2 乳化溫度的確定

為確定最優(yōu)的乳化溫度，在58#石蠟、OPE蠟、司潘-60、吐溫-60、CAB-35、水的用量分別為乳液質(zhì)量的12.3%，12.3%，2.5%，2.5%，2.0%，68.4%，乳化時間為10 min，攪拌速度為1 400 r/min的條件下，測定不同乳化溫度制備的乳化蠟性能見圖2。

圖2 乳化溫度對乳化蠟性能的影響

由圖2可知，當(dāng)乳化溫度不高于110 ℃時，隨著乳化溫度的逐漸升高，乳化蠟的內(nèi)聚能不斷降低，D50由85 ℃時的0.223 μm緩慢減至0.199 μm；當(dāng)乳化溫度高于110 ℃時，D50增至115 ℃時的0.204 μm。因此，乳化溫度確定為110 ℃，此時D90-D10最小，乳化蠟的粒徑分布最集中。

2.3 乳化蠟的穩(wěn)定性研究

2.3.1 儲存穩(wěn)定性的研究

將乳化蠟分別置于5 ℃和25 ℃環(huán)境下儲存3個月，觀察其穩(wěn)定性[12]。實驗表明，乳化蠟未出現(xiàn)分層，且流動性好，說明儲存穩(wěn)定性高。

2.3.2 無機(jī)鹽對穩(wěn)定性的影響

為考察無機(jī)鹽對乳化蠟穩(wěn)定性的影響，將氯化鈉和硫酸鈉分別加入50 mL乳液中，測其Zeta電位，結(jié)果見表6。隨著氯化鈉添加量的增大，Zeta電位的絕對值由30.1 mV降至28.9 mV，粒子間斥力減小，乳化蠟的穩(wěn)定性降低，但添加量不大于0.2 g時Zeta電位的絕對值高于穩(wěn)定臨界值30 mV，乳化蠟仍穩(wěn)定。隨著硫酸鈉添加量的增大，Zeta電位由29.6 mV降至26.8 mV，但硫酸鈉添加量不大于0.1 g時Zeta電位的絕對值接近30 mV，乳化蠟較穩(wěn)定。綜上所述，當(dāng)添加少量氯化鈉或硫酸鈉時，乳化蠟的穩(wěn)定性較高，所受影響較小。

表6 無機(jī)鹽對乳化蠟性能的影響

2.4 乳化蠟的應(yīng)用性能測試

以58#石蠟、OPE蠟為原料，采用吐溫-60、司潘-60為主乳化劑，CAB-35為助乳化劑制備了兩性-非離子型汽車上光乳化蠟，測其應(yīng)用性能，并與同類產(chǎn)品進(jìn)行比較結(jié)果見表7。

表7 乳化蠟的應(yīng)用性能

由表7可知，實驗制得的乳化蠟的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、光澤度增加值、pH等均同于或優(yōu)于同類產(chǎn)品，且具有較好的防銹性。

3 結(jié)論

1)以58#石蠟、氧化聚乙烯蠟為原料，采用吐溫-60、司潘-60和CAB-35制備了兩性-非離子型乳化蠟。確定了58#石蠟、氧化聚乙烯蠟、司潘-60、吐溫-60、CAB-35和水的用量分別為乳液質(zhì)量的12.3%，12.3%，2.5%，2.5%，2.0%，68.4%，得到的制備條件為乳化時間10 min，乳化溫度110 ℃。

2)將乳化蠟分別在5 ℃和25 ℃的環(huán)境下儲存3個月未出現(xiàn)分層，表明儲存穩(wěn)定性高。將少量氯化鈉或硫酸鈉添加到乳化蠟中，其穩(wěn)定性所受影響較小。

3)乳化蠟的穩(wěn)定性高，光澤度增加值為17，pH為7.06，附著性好，在常溫下放置3個月未分層，滿足汽車上光蠟的基本要求，且防銹性能較好。