陈文艺, 宫召君, 段宁宁

(辽宁石油化工大学,辽宁抚顺 113001)

新型多用途乳化蜡制备研究

陈文艺, 宫召君, 段宁宁

(辽宁石油化工大学,辽宁抚顺 113001)

以氧化蜡和石蜡为原料,采用复配的乳化剂,在其质量分数为3.0%,增稠剂质量分数为3.0%,在乳化温度为85℃、乳化时间为30 min、搅拌速率1 000 r/min的工艺条件下,制备的O/W型石蜡乳液的粒径在1μm左右。该石蜡乳液具有生产成本低、制备工艺简单、使用方便、对环境无污染、泡沫低、稳定性好等优点。

石蜡; 乳化蜡; 乳化剂; 氧化蜡

石油蜡是一种重要的工业原料,在我国石蜡大多以初级产品应用于蜡烛、火柴、印刷、造纸等行业,应用领域较窄,并且品种也较少,经济效益不高,出口蜡的品种也单一,产品还未形成系列化。因此如何充分利用我国丰富的石蜡资源,研制与开发出一系列高附加值的产品是我们面临的一个重要课题。乳化石蜡具有无味、不燃、不挥发、无毒、分散性好、涂层均匀、韧性适宜等诸多优点[1],使得乳化蜡在使用时不需加热熔融或不必溶于某些溶剂,易于与其它物质的水溶液或乳状液混合复合使用,具有安全、高效、经济、使用方便等优点,因此大大增加了石蜡产品的附加值[2-5]。

本研究以硬脂酸、吐温-20、单硬脂酸甘油酯为复配的乳化剂,在其质量分数为3%,石蜡和氧化蜡总质量分数为10%,其中石蜡和氧化蜡质量比为2∶1,并加入质量分数3%的增稠剂,制备出性能良好的乳化蜡。通过对石蜡乳化液制备条件考察,确定其最佳工艺条件。本乳化蜡配方简单,具有生产成本低、制备工艺简单、使用方便、对环境无污染、泡沫低、稳定性好等优点。

1 实验部分

1.1 主要原料

全精炼石蜡60号:工业级,抚顺石油一厂生产;氧化蜡,实验室自制;司盘-80(CR):沈阳市合富化学试剂厂生产;吐温-80:分析纯,大连艺秀分子筛催化剂有限公司生产;吐温-20:分析纯,大连艺秀分子筛催化剂有限公司生产;羧甲基纤维素钠(CMC·Na):配制成质量分数为3%溶液,沈阳新兴试剂厂;单硬脂酸甘油酯:化学纯,沈阳市合富化学试剂厂生产;硬脂酸:化学纯,沈阳新兴试剂厂生产;去离子水,实验室自制。

1.2 主要实验设备

石蜡针入度试验器:上海石油仪器厂;GSL-101B型激光粒度测试仪:辽宁仪表研究所;实验室用标准型均质器:上海标本模型厂;LB108型超级恒温水浴:辽阳市恒温仪器厂。

1.3 实验过程及方法

以石蜡和氧化石蜡为原料,借助乳化剂的定向吸附作用,在机械外力的作用下即可制得乳化蜡。将石蜡和氧化蜡切成1 cm3左右的小碎块,按比例称好后,放入250 m L的三口烧瓶中,在90℃的恒温水浴中溶化。加入复合乳化剂,待乳化剂和石蜡完全融化,开启搅拌,升高温度,逐滴加入相同温度的去离子水和乳液稳定剂,保持乳化一定时间。达到乳化时间后,保持搅拌,将乳液温度迅速降至40℃以下,即可得到石蜡乳液。

1.4 乳化蜡性能测定

机械稳定性的测定,按GB11543-89方法测定;乳液的粒度测定,采用GLS-101B型激光粒度测试仪测定;分散性测定,将石蜡滴入60℃的水中,分散性测定方法参照农乳的5个等级,1级最好,5级最差。

2 结果与讨论

2.1 乳化剂的选择

乳化剂的选择通常以亲油亲水平衡值(HLB)为依据。对于O/W型乳化蜡,选择与乳化蜡HLB值(9～12)相近的表面活性剂为乳化剂,考察了乳化剂质量分数为7%的乳液稳定性的影响,结果见表1。由表1可以看出,复配乳化剂的乳化效果好于单独乳化剂,特别是用单硬脂酸甘油酯、Tween-20和硬脂酸3者制备的复合乳化剂,在其质量分数为3%时,形成的乳液稳定性、流动性、分散性都较好,因此本实验选用3号配方作为复合乳化剂。

2.2 原料配比对乳液性能的影响

氧化蜡引入了—COOH、—OH、—CO等极性基团[6],制得的乳液稳定性明显增强。为了制得性能稳定的石蜡乳液,本实验在复合乳化剂质量分数为3%、增稠剂(CMC)质量分数为3%的条件下,采用石蜡和氧化蜡进行复配,考察了蜡的总质量分数为10%条件下,石蜡与氧化蜡的加入比例对乳液稳定性的影响,实验结果见表2。由表2可以看出,当石蜡和氧化蜡质量比为2∶1时,乳液稳定性好,不分层,且分散性好,故比较适合的石蜡与氧化蜡质量比为2∶1。

乳化剂HLB值石蜡乳液状态

表1 乳化剂对乳液性能的影响Table 1 The influence of emulsifier to emulsion performance

表2 石蜡和氧化蜡的质量比对乳液性能的影响Table 2 The influence of paraffin wax and oxidized wax mass ratio to emulsion performance

2.3 氧化蜡酸值对乳化效果的影响

天然蜂蜡在乳化蜡的配方中有较好的应用,但天然蜂蜡价格昂贵,用氧化蜡代替天然蜂蜡,也会得到较稳定的石蜡乳液[7]。天然蜂蜡的酸值在18～24 mg(KOH)/g。图1所示为氧化蜡酸值对乳液粒径影响。表3为氧化蜡酸值对乳化效果的影响。

Fig.1 The influence of acid value of oxidized wax emulsion to emulsion particle size图1 氧化蜡酸值对乳液粒径的影响

表3 酸值对乳化效果的影响Table 3 The influence of acid value to emulsifies effect

由图1可看出,氧化石蜡的酸值在20～30 mg (KOH)/g时,所得的乳液粒径小;由表3可以看出,酸值在20～40 mg(KOH)/g时乳液离心稳定性、分散性、流动性都较好。因此,在实验中采用酸值在20～30 m g(KOH)/g的氧化蜡替代天然蜂蜡。

2.4 乳化剂用量对乳液性能的影响

研究已表明表面活性剂作为乳化剂时,其在界面上形成吸附膜的强度与界面活性剂的浓度有关,只有加入足够量的乳化剂才能达到最佳乳化效果。乳化剂用量对乳液性能的影响见表4。乳化剂用量过多,产品易形成泡沫,影响质量;用量过少,蜡不能完全乳化或乳液不稳定。通过实验确定,复配乳化剂的适宜质量分数为3%时得到的乳液的稳定性最好。

表4 乳化剂用量对稳定性的影响Table 4 The influence of emulsifier amount to stable

2.5 增稠剂用量对乳液性能的影响

增稠剂能显著增加石蜡乳液的粘度,减少乳化剂的用量,增加乳液的稳定性。增稠剂加入量对乳液性能影响如表5所示。由表5可以看出,比较适宜的增稠剂质量分数为3%,此时得到的乳液稳定,且分散性好。

2.6 乳化温度对乳液性能的影响

乳化过程是乳化剂分子吸附在水和石蜡界面的过程。石蜡乳化过程需要一定的热量,使其内聚力降低[8],以便在搅拌下迅速而充分地分散。乳化温度对乳液性能的影响见表6,对乳液粒径的影响见图2。

表5 增稠剂对乳液性能的影响Table 5 The influence of thicken ing agent to emulsion performance

由表6可见,由于石蜡熔化需要一定温度,便于搅拌,因此乳化温度必须高于石蜡熔点,当温度高于95℃时,接近水的沸点,水容易蒸出,且能耗大,所以通常选择的乳化温度在80～90℃。

表6 乳化温度对乳液性能的影响Table 6 The influence of emulsified tem perature to emulsion performance

Fig.2 The influence of emulsified tem perature to emulsion particle size图2 乳化温度对乳液粒径的影响

由图2可以看出,乳化温度为85℃左右乳液粒径出现极小值。结合表6和图2实验结果,确定最佳乳化温度为85℃。

2.7 乳化时间对乳液性能的影响

图3为乳化时间对乳液粒径的影响。实验结果表明,乳化时间太短,石蜡不能充分乳化,而乳化时间太长,则导致泡沫增多且能耗过高。因此,最佳乳化时间在30 min左右。

Fig.3 The influence of emulsified time to emulsion particle size图3乳化时间对乳液粒径的影响

2.8 搅拌速率对乳液性能的影响

搅拌速率对乳液粒径的影响见图4。由图4可见,搅拌速率大于800 r/min,得到的石蜡乳液粒径较小,从节能考虑,选择搅拌速率控制在1 000 r/ min左右为宜。

综上,确定石蜡乳化液制备最佳工艺条件为:乳化温度85℃左右,乳化时间30 min,搅拌速率1 000 r/min。本乳化蜡配方简单,具有生产成本低、制备工艺简单、使用方便、对环境无污染、泡沫低、稳定性好等优点。通过上述方法得到的石蜡乳液,所制得的乳液粒径在1μm左右,且比较均匀,因此具有广泛应用前景。

Fig.4 The influence of agitate speed to emulsion particle size图4 搅拌速率对粒径的影响

[1] 曹志涛,侯波,陈文艺,等.蜡的改性及特种蜡产品的开发利用[J].化工生产与技术,2005,12(1):29-32.

[2] D.-y.Zhu,S.-q.Lin,W.-y.Chen,et al.Imp rovement of emulsified automobile polish wax[J].Petroleum science and technology,2009,27(17):1951-1958.

[3] 林姝琦,朱大宇,宫召君,等.新型皮革去污上光用乳化蜡的研究[J].辽宁石油化工大学学报,2009,29(2):6-7,10.

[4] 王宝峰,张裕丁,孙德军.乳化石蜡的研制及应用[J].山东化工,2004,33(2):14-17.

[5] 侯波,曹志涛,陈文艺,等.喷雾型水果保鲜蜡的研制[J].辽宁石油化工大学学报,2005,25(3):14-32.

[6] 杨基和,李肖,陈敏.石蜡改性制人造蜂蜡[J].石油化工,2002,31(4):283-285.

[7] 曹志涛,侯波,陈文艺,等.石蜡无催化剂氧化改性[J].辽宁石油化工大学学报,2005,25(2):26-28.

[8] 张志华,魏晓丽.乳化蜡的研制及应用[J].黑龙江石油化工,1996,7(2):27-29.

(Ed.:YYL,Z)

陈文艺,男,汉族,1961年10月生,辽宁省辽中县人,中共党员,教授,硕士研究生导师。

自1984年7月抚顺石油学院石油化学工程专业毕业留校以来,一直从事石油加工方面的教学、科研和管理工作。先后荣获“抚顺石油学院青年教师优秀教学奖”、“抚顺石油学院优秀教学成果一等奖”、“中国石油化工总公司优秀青年知识分子”、“抚顺市有突出贡献科技工作者”、“抚顺市第二届青年学科带头人”、“抚顺市第三届青年学科带头人”等荣誉称号。现任辽宁石油化工大学环境与生物工程学院院长。

主要研究方向为轻油改质与重质油的分析与预测,石油加工新工艺与催化剂研究,特种蜡及其助剂研究及利用。自2000年以来,主持完成7项中石化、中石油和省级科研项目和多项企业项目。科研成果通过鉴定4项,获得省部级科技进步奖1项,市级科技进步奖4项,校级科技进步奖3项。“催化II套再吸收塔改造”项目为企业每年创造经济效益110万元以上。目前正承担省部级项目2项,企业委托项目3项。在国内外公开发表学术论文近50篇,被SCIE、EI收录论文10篇。出版教材1部,授权国家发明专利1项。

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

陈文艺(1961-),男,辽宁辽中县,教授。

辽宁省教育厅资助项目(2006T090)。