赵 金 陈文艺 曹月坤 胡 丹

（辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺113001）

陶瓷制造用乳化蜡的制备研究

赵 金 陈文艺 曹月坤 胡 丹

（辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺113001）

以58#号石蜡及其氧化蜡为原料，采用非离子表面活性剂吐温系列和司盘系列作为添加剂，通过全实验筛选出符合陶瓷用乳化蜡制备的乳化条件及各原料用量及配比，在最佳实验条件下制得优于市场同类产品的乳化蜡。考察确定的乳化剂为复合乳化剂Ⅲ，其HLB值为9.50，乳化剂加入量为蜡质量的25%；在最佳工艺条件，乳化温度90℃、乳化时间40min、搅拌速度850r/min的条件下，制备出的陶瓷用乳化蜡，具有稳定性好、可塑性强、流动性适宜、粘度适中、铺膜性好等特点。

陶瓷；乳化蜡；乳化；稳定性；粘度

0 引言

随着陶瓷工艺的迅速发展，陶瓷制品被广泛应用于日常生活和工业生产中，常见的陶瓷种类有日用陶瓷、艺术陶瓷、建筑-卫生陶瓷、化工陶瓷、化学瓷、耐火材科、特种陶瓷等[1]。在陶瓷生产中粘结剂对维持陶瓷制品的胚胎形状[2]制品强度、抗压性都起着决定性的作用[3-4]。同时，对产品的产率也起着至关重要的作用。由于粘土具有独特的粘合性、遇水膨胀可塑性的特点，常作为陶瓷制品的粘结剂。但由于天然粘土中杂质含量较多，高温烧结后杂质残留于玻璃相中，会导致陶瓷制品的强度和耐压性降低。随着陶瓷制品的质量要求不断提高，各种人造无残留的有机高分子粘结剂被应用于陶瓷生产中。由于乳化石蜡具有无毒、不挥发、分散性好、铺膜均匀[5]、润滑性好、流动性好和渗透性好、粘合性、不含金属杂质等特点，将乳化石蜡应用陶瓷生产过程中，不但可以改进粉料的流动性和注件的脱模性，也可提高注件的致密性和生坯的强度。因此，乳化蜡是一种良好的粘结剂[6]。

1 实验部分

1.1 原料及试剂

石蜡，全精炼58#，工业级，抚顺石油一厂生产；氧化蜡，实验室自制；Span-40、Span-80、Tween-20、Tween-60，Tween-80均为化学纯，大连艺秀分子筛催化剂有限公司生产；去离子水，实验室自制。

1.2 主要仪器设备

GSI-101B型激光粒度测试仪，辽宁仪表研究所；旋转粘度计，上海恒平科学仪器有限公司；LB108型超级恒温水浴，辽阳市恒温仪器厂；JJ-1型增力电动搅拌器，金坛城西晓阳电子仪器厂；三口瓶；温度计。

1.3 乳化蜡性质测定

机械稳定性，按照GB11543-89方法测定，工作条件为4000r/min，离心20min；乳液粒度测定，采用GLS-101B型激光粒度测试仪测定；分散性测定，将乳化石蜡滴入60℃水中，分散性测定参照农乳进行划分等级[7]，其中1级最好，5级为最差；粘度采用NDJ-79旋转粘度计测定。

1.4 乳化工艺方法

乳化工艺[8]包括：剂在水中法、剂在油中法、初生皂法、轮流加液法、转相乳化法、转相温度乳化法、D相乳化法、凝胶乳化法。其中剂在水中法制得的乳状液颗粒较大，乳状液稳定性不好；转相温度法制得的乳状液颗粒微小，流动性强，稳定性能好；转相温度乳化法适用于非离子表面活性剂作为乳化剂的乳化反应。本实验综合了转相乳化法和转相温度乳化法的优点，将原料与乳化剂在机械搅拌条件下制备石蜡乳化液。首先将研碎石蜡及其氧化蜡按质量要求加入三口瓶内，加入亲油性乳化剂。将亲水性乳化剂和水混合，然后同时将其二者放入恒温水浴锅预热，在转相温度和搅拌下将水相逐渐加入到三口瓶进行转相乳化，当降至一定温度时，放入指定容器中。

2 结果与讨论

2.1 乳化剂类型选择

石蜡及其氧化石蜡作为分散相分散到分散介质水中，由于两相不互溶导致系统相界面面积增加，界面吉布斯函数增大使得分散系统稳定性差，易分层。加入适量适合的乳化剂可以在两相之间产生正吸附，降低界面张力及吉布斯函数，提高稳定性、分散性。

表1 不同类型乳化剂的乳化效果Tab.1 Emulsification effects of different emulsifiers

图1 乳化剂HLB值对乳化蜡粒径的影响Fig.1 Influence of emulsifier HLB values on emulsified wax particle sizes

本实验的最终目的是制得符合陶瓷生产的乳化蜡，要求乳化蜡烧结后无残留，，因此,选用非离子表面活性剂作为乳化剂。乳化剂的性质及乳化能力由HLB值表示[9]，因此要制得颗粒细小、均匀稳定的乳化蜡，乳化剂的选择是重中之重[10]。本实验以蜡质量为28wt%，乳化剂加入量7wt%，乳化温度为90℃，乳化时间为40min，搅拌速度为850r/min为基础条件，考察不同类型乳化剂的乳化效果。

由表1可看出，单一乳化剂虽可降低体系的吉布斯，但是其形成的界面膜强度低，导致体系稳定性差，易分层。这是由于司盘和吐温系列分别为亲油型和亲油型表面活性剂。因此使用一种类型的乳化剂不能有效的降低水油两相之间的界面张力，故不能达到良好的乳化效果。而复配型乳化剂则可有效减少水油两相的相界面积，降低体系的吉布斯能，达到优异的乳化效果。因此，本实验选用复合型乳化剂进行乳化。

2.2 HLB值对乳化效果的影响

每一种乳化剂均有某一特定的HLB值，因此,可以选择与乳化蜡HLB值(9-13)相近的乳化剂作为乳化蜡的最适乳化剂。

在固体物（石蜡与氧化蜡）为28wt%，乳化剂加入量为7wt%，乳化温度为90℃，乳化时间为40min，搅拌速度为850r/min的乳化工艺条件下，制得的乳化蜡的颗粒粒径随着HLB值的变化规律如图1所示。

从图1可看出，随着体系HLB值的增加，复合乳化剂Ⅱ和Ⅲ的乳化效果均呈现出先增后减趋势，即体系的颗粒粒径先减小再增大。其中，复合乳化剂Ⅱ在HLB为10.501时，其粒径最小。而复合乳化剂Ⅲ在HLB值为9.5～10.3之间时，其乳化效果变化不大，乳化效果最佳。

2.3 乳化剂用量影响

以复合乳化剂Ⅱ和Ⅲ作为研究对象，在乳化温度90℃、乳化时间40min，搅拌速度850r/min的条件下，考察了两种复合乳化剂用量对乳化结果的影响。乳化剂用量对乳化效果的影响见表2。乳化剂加入量对乳化蜡粘度和粒径大小的影响见图2。

由表2可看出，复合乳化剂Ⅱ和Ⅲ均可达到相同的乳化效果，但复合乳化剂Ⅲ的用量略低，故选其作为实验最佳乳化剂。复合乳化剂Ⅲ加入量为7wt%时，乳化蜡具有较好的稳定性和分散性，因此最佳乳化剂加入量为7wt%。

2.4 蜡原料配比的影响

石蜡及其氧化蜡作为石蜡乳化的主要原料，对最终乳化蜡产品的性质产生重大影响。实验采用的氧化蜡是由无金属催化剂催化无引发剂引发的空气直接氧化而得，由于氧化引入了-COOH、-OH、-CO等极性含氧基团，一定程度上提高了蜡的溶解性、乳化性，同时减少乳化剂的用量、提高乳化石蜡的稳定性。表3是氧化蜡与石蜡质量比对乳化效果的影响。

由表3看出，最佳的氧化蜡加入量是石蜡加入量的1/2，低于这个值时，乳化效果不好，稳定性差；高于这个值，虽可得到较好的乳化效果，但增加了乳化蜡的制备成本。

表2 乳化剂用量对乳化效果的影响Tab.2 Influence of emulsifier content on emulsification

表3 蜡配比对乳化效果影响Tab.3 Influence of wax ratios on emulsification

2.5 乳化工艺条件的影响

采用复配乳化剂Ⅲ作为实验乳化剂，在加入量为7wt%，在石蜡及其氧化蜡加入量为28wt%（m石蜡/m氧化蜡=2/1）的条件下，考察各个工艺条件对乳化效果的影响，确定最终的乳化工艺条件。

表4 乳化时间对乳化效果影响Tab.4 Influence of emulsifying time on emulsification

表5 陶瓷用乳化石蜡性能分析Tab.5 Performance analysis of ceramic emulsified wax

2.5.1 乳化温度

乳化温度对乳液粒径影响如图2。

由图2看出，当乳化温度低于75℃时，由于复合乳化剂的HLB偏低，乳化效果较差，表现在静置150d分层，且蜡呈膏状，分散性差。随着转相温度的不断升高，复合乳化剂的乳化效果变好，乳化蜡的颗粒粒径不断减小，稳定性不断增强。当乳化温度达到90℃时，复配乳化剂乳化达到最佳效果，颗粒粒径最小，稳定性最强，具有较好的流动性。虽然乳化温度为95℃时，乳化效果也非常好，但是能耗增加，导致经济效益降低。因此本实验最佳乳化温度为90℃。

2.5.2 搅拌速度

搅拌速度对乳化蜡粘度的影响见图3。

从图3看出，当搅拌速度在800～950r/min之间时，粘度趋于稳定，在此条件下制得的乳化蜡稳定性好、分散性好、粘度适宜、流动性较好、铺膜润湿性好。选择850r/min为最好搅拌速度。

2.5.3 乳化时间

由表4看出，当乳化时间较短时，石蜡及其氧化蜡的乳化是通过乳化剂的定向吸附作用得以实现的，而定向吸附需要一定时间，应选择最适的乳化时间。表4是乳化时间对乳化效果影响。

石蜡氧化蜡乳化不充分，形成的乳化蜡颗粒较大，不稳定且分散性差。乳化蜡的稳定性随着乳化时间的增加而增大，当到达40min时，稳定不分层，且粘度适中有较好的流动性。当时间到达45min时，颗粒粒径小、粘度大、稳定性强，但是乳化蜡的流动性较差。本实验最佳乳化时间为40min。

2.6 陶瓷用乳化蜡

通过以上实验讨论确定的最佳乳化方案为：乳化剂为复合乳化剂Ⅲ，其HLB值为9.50，乳化剂加入量为蜡质量的25%，乳化温度90℃，乳化时间40min，搅拌速度为850r/min。表5是陶瓷用乳化石蜡性能分析结果。

由表5可知，本实验制得的陶瓷用乳化石蜡的性能已经达到企业标准，且某些指标优于现有同类产品。

3 结论

以58#石蜡及自制的氧化蜡为原料，采用复合乳化剂Ⅲ，其HLB值为9.50，乳化剂加入量为蜡质量的25%，在乳化温度90℃、乳化时间40min、搅拌速度为850r/min的条件下，可以制备出陶瓷用乳化蜡，该产品具有稳定性好、可塑性强、流动性适宜、粘度适中、铺膜性好等特点。

1 理查德.J.布鲁克.陶瓷工程.清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室译,北京:科学出版社,1999

2 EDIRISINGHE M J,EVANS J R G.Properties of ceramic injection moulding formulations,Part I:Melt rheology.J.Mater.Sci.,1987,22:269～277

3 YANG J,KIM D Y.Effect of glass composition on the strength of vitreous bonded c-BN grinding wheels.Ceramics International,1993,19:87

4 YOKOGAWA M,YOKOGAWA K.Machine&Tool,1985,29(5):95

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

6 冯新南,陶瓷注射成型工艺中粘结剂的研制.科技创新导报,2010,9:102

7 Blue Chip Stamps.Silicone automobile finish protectant:US,43982689A.1991-03-05

8 RRONDESTVEDT C S.JACS,1954,76:1926

9 GRIFFIN W C.J.Soc.Cosmetic Chemists,1949,1:311

10 MARCOIN W.Acta Pol.Pharm.,1989,46(4):337

Preparation of Emulsifying Wax for Ceramic Manufacturing

ZHAO JinCHEN WenyiCAO YuekunHU Dan
(School of Petrochemical Technology,Liaoning University of Petroleum&Chemical Technology,Fushun,Liaoning 113001)

Emulsifying wax for ceramic use,better in performance than similar products available,was prepared,using#58 paraffin wax and oxidized wax as raw materials,non-ionic surfactants of Tween and Span series as additives.Its emulsification conditions and mixing ratio of raw materials were optimized through full-scale experiments.Results show the emulsifier is a compound emulsifierⅢ,its HLB value is 9.50,and its doping amount is 25%of wax;emulsified at 90°C for 40min while being stirred at 850 r/min,the obtained wax for ceramics has good stability,plasticity,liquidity,viscosity and film formability.

ceramic;emulsified wax;emulsifying;stability;viscosity

on Apr.23,2012

TQ174.4

A

1006-2874（2012）03-0005-05

2012-04-23

辽宁省教育厅项目(编号：2006T090)

赵金，E-mail:zhaojinbj06@126.com

ZHAO Jin,E-mail:zhaojinbj06@126.com