陽離子石蠟/ASA乳液的制備與應(yīng)用

鄧佩春，陳燕紅，吳宗華

（福建師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，福建福州 350007）

近年來隨著松香價(jià)格大幅波動(dòng)，松香施膠劑的生產(chǎn)成本也不斷提高，如何提高陽離子分散松香施膠劑施膠效果，降低生產(chǎn)成本成為亟待解決的一大技術(shù)難題。石蠟屬于飽和烴類，其自身乳化后制備的石蠟乳液可直接用作造紙施膠劑[1]；烯基琥珀酸酐（ASA）具有熟化速率快、施膠pH適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。已有研究表明，陽離子松香膠乳與合成施膠乳液混合后進(jìn)行中性施膠，這種膠乳可在較寬pH范圍內(nèi)使用[2]。通過合成穩(wěn)定、高效石蠟/ASA乳液作為陽離子松香膠的補(bǔ)充劑，經(jīng)與陽離子松香施膠劑共混施膠，不僅可以在較寬pH內(nèi)使用，同時(shí)可以降低松香膠施膠成本。

本研究探討了具有高貯存性能的陽離子型石蠟/ASA乳液的制備工藝，并考察了其對(duì)陽離子分散松香施膠劑的增效作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料及儀器

陽離子分散松香施膠劑和ASA均由企業(yè)提供；石蠟為58號(hào)半精制石蠟，工業(yè)一級(jí)；乳化劑由非離子型表面活性劑和陽離子型表面活性劑復(fù)配；廢紙漿由廢紙箱自制，打漿度23°SR；硫酸鋁、三氯化鐵、硫氰酸銨，均為分析純?cè)噭?/p>

打漿機(jī)和紙張抄取器，西北輕工業(yè)學(xué)院機(jī)械廠；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海天平儀器廠；馬爾文MS 2000型激光粒度分析儀，英國馬爾文儀器有限公司。

1.2 乳液的制備

按一定比例將需乳化的石蠟/ASA置于三口瓶中，加熱至一定的溫度至樣品完全熔融，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速至200～300 r/min，加入一定比例的乳化劑，待其形成W/O型的均勻乳狀液時(shí)，緩慢加入一定量沸騰的轉(zhuǎn)相水，同時(shí)加大攪拌速度至1 200 r/min，直至體系達(dá)到轉(zhuǎn)相點(diǎn)時(shí)，將剩余的轉(zhuǎn)相水快速加入后，體系變?yōu)镺/W型乳狀液，之后降低攪拌速度，同時(shí)迅速降低體系溫度至40℃，出料，得所需乳液，其固含量為30%左右。取一定量的乳液在MS 2000型激光粒度分析儀上測(cè)定其粒徑分布。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 施膠度的測(cè)定

稱取一定量的濕紙漿，置于高速攪拌機(jī)中，加入250 mL的自來水，疏解90 s后，在200 r/min的攪拌下間隔2 min，依次加入定量的硫酸鋁、陽離子分散松香施膠劑的混合物，用自來水稀釋后在抄片器上抄造定量為120 g/m2的紙片。濕紙片在105℃下烘干10 min。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5405—2002，采用液體滲透法測(cè)定紙張施膠度。

1.3.2 乳液黏度的測(cè)定

用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定乳液的黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 石蠟/ASA乳液制備的影響因素

由于ASA易水解，這使乳液的黏度變大，因此本研究以乳液的黏度為指標(biāo)，考察了乳化溫度、乳化劑用量和乳化劑組成等因素對(duì)石蠟/ASA乳液性質(zhì)的影響。前期研究結(jié)果表明，當(dāng)m（石蠟）∶m（ASA）=9∶1時(shí)，其乳液的施膠增效作用最大，所以固定m（石蠟）∶m（ASA）=9∶1和其他乳化條件，考察了乳化溫度對(duì)乳液黏度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 乳化溫度對(duì)乳液黏度的影響

由圖1可見，當(dāng)乳化溫度從70℃升至130℃，乳液的黏度呈現(xiàn)先下降、后上升的趨勢(shì)，在溫度為90℃時(shí)乳液黏度達(dá)到最低。這是因?yàn)槿榛瘻囟壬撸肿觿?dòng)能增加，親水基團(tuán)水化程度減小，易轉(zhuǎn)化為W/O型乳狀液[3]。當(dāng)溫度過高時(shí)，由于乳化劑分子運(yùn)動(dòng)加劇，可降低乳化劑分子在蠟水界面的定向吸附性能，從而影響了乳液的穩(wěn)定性。而乳化溫度太低會(huì)影響石蠟、ASA以及乳化劑的熔化，不利于乳化的進(jìn)行。因此，溫度為90℃左右最為適宜。

圖2顯示了乳化劑用量對(duì)乳液黏度的影響情況。

圖2 乳化劑用量對(duì)乳液黏度的影響

由圖2可見，隨著乳化劑用量增大，乳液的黏度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，尤其當(dāng)乳化劑用量由20%（相對(duì)于ASA和石蠟的總質(zhì)量）變?yōu)?2%時(shí)，乳液黏度大幅降低；其后繼續(xù)增大乳化劑用量至24%時(shí)，乳液黏度呈微降趨勢(shì)。乳化劑在乳液中從3個(gè)方面起作用：其一是降低界面張力；其二是通過在分散粒子或液滴表面形成吸附膜，起機(jī)械保護(hù)作用；其三是分散顆粒表面帶有一定的電荷，在顆粒間產(chǎn)生相互排斥作用以保持乳液的穩(wěn)定性。所以，隨著乳化劑用量增大，其乳化效果越好，乳液黏度越低。由于乳化劑主要由表面活性劑組成，具有親水性，不利于施膠，所以選擇乳化劑最佳用量為22%。

本研究中乳化劑主要由陽離子型表面活性劑a和非離子型表面活性劑b組成。圖3顯示了乳化劑組分比例對(duì)乳液黏度的影響情況。

圖3 乳化劑的組分比例對(duì)乳液黏度的影響

由圖 3可看出，m（a）∶m（b）=1∶1時(shí)，乳化效果最好，乳液的黏度達(dá)到最低，隨著比值逐漸增大，乳液的黏度也逐漸增大。同時(shí)可以看出相對(duì)于乳化溫度和乳化劑用量的影響，乳化劑組成對(duì)乳液黏度的影響相對(duì)較小。

通過上述3因素的綜合實(shí)驗(yàn)最終得出，當(dāng)乳化溫度為90°C、乳化劑用量為22%、乳化劑組分比例 m（a）∶m（b）=4∶1，此條件下制備的石蠟 ASA乳液黏度達(dá)到最低，為42 mPa·s（上述所得的乳液是通過對(duì)3因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，在該正交試驗(yàn)的最佳工藝條件下制得的）。

2.2 石蠟/ASA乳液的性能

為了進(jìn)一步研究乳液的穩(wěn)定性能，比較了以下不同組合條件下所得乳液的黏度以及平均粒徑D（50）值：B 組，溫度 90 ℃、乳化劑用量 22%、m（a）∶m（b）=4∶1；C組，溫度70℃、乳化劑用量 24%、m（a）∶m（b）=4∶1；D 組，溫度 110 ℃、乳化劑用量24%、m（a）∶m（b）=4∶3；E 組，溫度 130 ℃、乳化劑用量 22%、m（a）∶m（b）=4∶3。比較情況見圖 4。

圖4 不同組合條件下乳液的黏度以及平均粒徑

由圖4可知，B、C、D、E等 4種組合條件下所得的乳液的黏度變化與平均粒徑的變化趨勢(shì)一致。其中，B組合條件下所得乳液不僅黏度最小，粒徑也最小，乳液的穩(wěn)定性最好。

圖5顯示了石蠟/ASA乳液的粒徑分布情況。

如圖5所示，在B組合條件下所制的乳液的平均粒徑為0.196 μm。這表明所研制的乳液在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的。通常穩(wěn)定乳狀液的粒度應(yīng)在0.1～0.5 μm：1 μm以下的粒子由布郎運(yùn)動(dòng)引起的位移越大，擴(kuò)散速度越快，從而使重力引起的沉降速度越小，達(dá)到沉降平衡的時(shí)間越長(zhǎng)，乳液就越穩(wěn)定；5 μm以上的粒子因重力引起的沉降作用明顯，乳液不穩(wěn)定。該石蠟/ASA乳液還具有較高的貯存穩(wěn)定性，其黏度在放置1個(gè)月內(nèi)變化較小，但其后乳液的黏度迅速增大，表明ASA的水解加速。

圖5 石蠟/ASA乳液的粒徑分布

2.3 石蠟/ASA乳液的施膠增效作用

圖6為石蠟/ASA乳液與陽離子松香施膠劑共混后放置1個(gè)月內(nèi)其施膠度的變化。抄紙條件為，硫酸鋁（抄紙時(shí)添加）和陽離子分散松香施膠劑和石蠟/ASA乳液的共混施膠液分別為絕干漿的1.0%和0.25%。

圖6 石蠟/ASA乳液施膠度隨放置時(shí)間的變化

由圖6可見，隨著共混液放置時(shí)間的延長(zhǎng)，其施膠度呈現(xiàn)先增大再下降的趨勢(shì)，放置10 d時(shí)施膠度達(dá)到最大，但放置30 d后其施膠效果大幅降低。這可能是由于乳液中石蠟包裹著ASA，具有緩釋作用。而剛?cè)榛昴z粒包裹完全，無法顯示ASA的施膠效果。隨著放置時(shí)間的推移，部分ASA釋放出，使得施膠效果增強(qiáng)。但繼續(xù)放置，釋出的ASA量逐漸增大，發(fā)生水解的ASA也增多，施膠度減小。從圖6對(duì)比可得出，當(dāng)m（陽離子松香施膠劑）∶m（石蠟/ASA乳液）=8∶2的共混放置時(shí)間為10 d時(shí)，其施膠度達(dá)到最大為271 s，對(duì)照的陽離子松香施膠劑的施膠度為40 s，石蠟/ASA乳液顯示出很好的施膠增效作用。

3 結(jié)論

（1）制備石蠟/ASA乳液的最佳條件為：乳化溫度為90℃，乳化劑用量為22%，乳化劑組分比例m（a）∶m（b）=4∶1，此條件下制備的石蠟 ASA 乳液黏度達(dá)到最低，為 42 mPa·s。

（2）在最優(yōu)乳化條件下所制的乳液的平均粒徑為 0.196 μm。

（3）石蠟/ASA乳液具有較好貯存穩(wěn)定性和對(duì)陽離子松香乳液的施膠增效作用。

［1］ 王建，王志杰.高分散石蠟松香膠的制備［J］.紙和造紙，2001，20（6）：43-44.

［2］ 張國運(yùn).陽離子松香施膠劑的研究進(jìn)展［J］.中國造紙，2005，24（10）：57-61.

［3］ 劉艷新，趙傳山，韓玲.影響石蠟乳化的因素［J］.造紙化學(xué)品，2004，16（4）：30-36.