車用水蠟的研究

高鵬飛, 龍小柱, 靳璐璐，高 碌

(沈陽化工大學 化學工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

我國作為石蠟基原油儲量和產(chǎn)量最多的國家，石蠟資源十分豐富.但我國對石蠟的需求卻不大，主要依靠出口來銷售.而我國的石蠟產(chǎn)品質(zhì)量不高，國際競爭力小，需要有新產(chǎn)品的出現(xiàn)才能打破這種格局[1].從長遠發(fā)展來看，中國需改變投資、消費、出口三者之間的關系來促進經(jīng)濟增長和產(chǎn)業(yè)結構的改變，削弱對石蠟出口的依賴程度.只有發(fā)展自身產(chǎn)業(yè)結構才能夠解決石蠟在國內(nèi)市場上的供需矛盾[2-4].

近年來，汽車工業(yè)作為我國新興的支柱產(chǎn)業(yè)，已進入了以大眾消費為基礎的快速發(fā)展時期，汽車的定期清潔美容護理也成為汽車消費的重要內(nèi)容[5].如今，車用水蠟的市場消耗已經(jīng)從以前的不足100 t/a增長到1 000 t/a以上，品種也從單一的品種發(fā)展成為了實用的系列品種.最近幾年，我國大量引進國外汽車制造技術以及汽車生產(chǎn)線，與此同時車用蠟制品也相繼涌入我國市場，國內(nèi)的科研廠家對此進行了深入的調(diào)查和研發(fā)，已經(jīng)有大量的國產(chǎn)車用蠟制品進入到市場，汽車的保養(yǎng)與護理已經(jīng)發(fā)展成為新興的行業(yè).目前，集清潔、去污、上光、抗靜電、防銹為一體的新型汽車清洗水蠟逐步得到廣泛應用，并且一直是研究者及消費者所關注的焦點.因此，對汽車清潔水蠟進行研制和改進十分必要.隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)汽車行業(yè)更是迅猛發(fā)展，對汽車護理類產(chǎn)品的市場需求量逐漸增大[6].長期以來，人們對車面的清理都是采用最為傳統(tǒng)的手動擦拭，進而進行去污上光.這樣的做法不僅費時費力，而且洗車成本較高[7-8].為了各種資源的合理利用，筆者研制開發(fā)了一種護車、節(jié)水、洗滌、上光同步完成的水基含蠟型清潔產(chǎn)品.

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

液體石蠟、蜂蠟、微晶蠟為化學純；油酸、三乙醇胺、十二烷基苯磺酸鈉、二甲基硅油、正丁醇、硅藻土為分析純；OP-10、S-80、T-80、T-20、增稠劑純度為工業(yè)級.

JJ-1型精密定時電動攪拌器、DF-1集熱式恒溫磁力攪拌器、JB-2恒溫磁力攪拌器，上海力辰邦儀器科技有限公司；BS/BT電子天平、101-1干燥箱，常州金壇良友儀器有限公司；NDJ-5S旋轉(zhuǎn)黏度計、白度計，萬特衡器(杭州)有限公司；pH測定儀，上海市實驗儀器總廠.

1.2 實驗方法

將液體石蠟、蜂蠟、溶劑油、二甲基硅油按比例稱取后倒入燒杯中，放在80 ℃的恒溫磁力攪拌器上攪拌10 min，作為油相.同時，將復配乳化劑、十二烷基苯磺酸鈉加入三口燒瓶中，并加入事先預熱80 ℃的蒸餾水，放在80 ℃的恒溫水浴鍋中用攪拌器進行充分攪拌，作為水相.然后緩慢地將油相到入水相中，轉(zhuǎn)速調(diào)至800 r/min，攪拌30 min，加入正丁醇、硅藻土、羧甲基纖維素鈉，繼續(xù)攪拌10 min，即可得到產(chǎn)品.

通過單因素及正交試驗進一步研究各種因素對水蠟乳化的影響，從而選擇最佳工藝操作條件和最佳用量.

2 結果與討論

2.1 乳化劑用量對水蠟的影響

乳化劑用量對乳液乳化效果有較大的影響.加入乳化劑使得石蠟充分乳化,并選用用量較低乳化劑.在OP-10為乳化劑、乳化溫度為80 ℃、攪拌速度為 800 r/min、乳化時間為50 min的條件下，考察乳化劑用量[9 %、12 %、15 %、18 %(質(zhì)量分數(shù)，以下同)]對水蠟的影響.實驗結果如表1所示.

表1 乳化劑用量對水蠟的影響Table 1 Effect of emulsifier dosage on water wax

從表1可以看出：乳化劑用量在9 %和12 % 時都可以達到預期效果，考慮到經(jīng)濟效益，同樣效果選用較少的乳化劑用量，乳化劑用量選為9 %.

2.2 乳化溫度對水蠟的影響

乳化溫度是乳化過程中影響乳化的重要條件之一.乳化溫度太低,蠟顆粒較大，導致流動性差，顆粒不能均勻分散于體系中，乳化效果不明顯；而乳化溫度高，乳液中的水容易汽化，且耗能較高.實驗以OP-10作為乳化劑，在乳化劑用量9 %、乳化時間40 min、攪拌速度為800 r/min的條件下考察乳化溫度(60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃)對蠟樣乳化液的影響，實驗結果見表2.從表2可以看出:乳化溫度在80～90 ℃效果最佳.溫度過低，熱量不夠，達不到乳化劑最佳乳化狀態(tài)，乳液分布不均勻達不到要求；而溫度過高，體系內(nèi)聚力和界面黏度下降，加劇了分子之間熱運動，降低乳化劑分子在蠟水界面的定向吸附性能，降低乳液穩(wěn)定性.考慮到能耗因素，選擇最佳乳化時間為80 ℃.

表2 乳化溫度對乳液影響Table 2 Effect of emulsifying temperature on emulsion

2.3 乳化時間對水蠟的影響

最佳的乳化時間是產(chǎn)品質(zhì)量的保證，而且對于提高生產(chǎn)效率、降低能源消耗有著重要的影響.乳化時間如果太短，溶液不能充分乳化，時間太長則造成浪費.采用OP-10作為乳化劑，在乳化劑用量為9 %、乳化溫度為 80 ℃、攪拌速度為 800 r/min的條件下，考察乳化時間(30 min、40 min、50 min、60 min)對水蠟的影響，實驗結果如表3.乳化時間過短，乳化未完全，效果不好；乳化時間過長，分散顆粒相互接觸的機會增多，在攪拌作用下發(fā)生團聚、粒徑變大，導致乳液黏稠過大，乳化液外觀粗糙.由表3可看出：最佳的乳化時間為40～50 min.從能耗的角度選擇，采用乳化時間較短的40 min可達最佳效果.

表3 乳化時間的影響Table 3 Effect of emulsification time

2.4 攪拌速度對水蠟的影響

乳化過程中，攪拌器的攪拌速度也會影響乳化液的性質(zhì).攪拌速度太低不能充分混合蠟與表面活性劑，不能將油相較好地乳化，乳液顆粒不均勻；而太高的攪拌速度則易帶入大量的氣泡，消泡困難，導致乳液質(zhì)量下降，而且會使乳化蠟破乳，從而影響其穩(wěn)定性.實驗以OP-10作為乳化劑，在乳化劑用量9 %、乳化溫度為 80 ℃、乳化時間為40 min的條件下，考察攪拌速度(600 r/min、800 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min)對水蠟的影響，實驗結果見表4.

表4 攪拌速度對乳液影響Table 4 Effect of stirring speed on emulsion

從表4可以看出：當攪拌速度為800 r/min左右時，水蠟的穩(wěn)定性最好.所以選擇攪拌速度為 800 r/min.

2.5 加劑方式對水蠟的影響

乳化實驗加劑方法主要有兩種：劑在水中法(把乳化劑全部放在水相乳液中，攪拌均勻后將油緩慢加入到水相溶液中)；劑在油中法(把乳化劑全部放在油相乳液中，攪拌均勻后將油相溶液緩慢加入到水中).實驗結果如表5所示.由表5可以看出：由于石蠟乳液是O/W型，油相直接分散在水相中，不需要轉(zhuǎn)相，所以，劑在水中法得到的水蠟乳液外觀均勻細膩，穩(wěn)定性良好；而劑在油中法得到的水蠟乳液穩(wěn)定性較差.所以選擇劑在水中法制備水蠟.

表5 加劑方式對水蠟的影響Table 5 Effect of adding method on water wax

2.6 正交實驗

在上述單因素實驗的基礎上，進行了正交實驗.正交實驗選取的因素有乳化劑用量、乳化時間、乳化溫度、攪拌速度.為了方便表示正交實驗穩(wěn)定性效果，將效果分為3個等級.等級3：10 d后分層明顯；等級2：未分層，表面粗糙或有少量水層；等級1：效果良好，基本符合實驗要求.表6為正交實驗設計，表7為正交實驗結果.

表6 正交設計Table 6 Orthogonal design table

表7 正交實驗結果Table 7 Orthogonal experiment result table

在實驗考察的范圍內(nèi)，因素B(乳化劑時間)對水蠟穩(wěn)定性的影響最大，C(乳化溫度)對水蠟穩(wěn)定性影響最小.因素對水蠟穩(wěn)定性的影響，由大到小為B、D、A、C.在實驗范圍內(nèi)最佳的實驗條件為：乳化劑用量為9 %，乳化時間為50 min，乳化溫度為80 ℃，乳化轉(zhuǎn)速為800 r/min.

2.7 產(chǎn)品使用效果評價

2.7.1 pH值的測定

用玻璃棒蘸取少量溶液，滴在試紙上，大約2～3 s后與標準比色卡對比.

2.7.2 穩(wěn)定性分析

常溫穩(wěn)定性：將產(chǎn)品于室溫(20 ℃)靜置10 d，取出觀察是否分層.

高溫穩(wěn)定性：將購買和自制清潔上光蠟放在50 ℃恒溫箱里，觀察是否分層凝膠.

低溫穩(wěn)定性：將購買和自制清潔上光蠟放在-20 ℃恒溫冷藏箱中，觀察是否分層凝膠.

2.7.3 耐腐蝕性分析

將質(zhì)量分數(shù)為20 %的鹽酸、氫氧化鈉溶液分別均勻噴涂在涂抹了上光蠟的漆面上，30 d后觀察漆面是否失去光澤.

2.7.4 黏度分析

黏度由旋轉(zhuǎn)黏度計來測定，在(25±0.5)℃下進行[試樣和轉(zhuǎn)子溫度均為(25±0.5)℃]，讀出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)(60±2)s時的數(shù)值，即可得知黏度值.

2.7.5 其他條件分析

分散性：將溶液滴加至清水中，觀察分散狀態(tài)；

展開難易度：通過在漆面上涂抹觀察檢測.

2.7.6 分析對比結果

由表8可以看出：實驗室研制的汽車清潔水蠟在穩(wěn)定性、黏度、清潔度、光澤度、展開難易度等方面都達到了國外洗車液的水平.

表8 對比分析結果Table 8 Comparative analysis table

3 結 論

(1) 確定合成最佳條件：乳化劑用量為9 %，乳化時間為50 min，乳化溫度為80 ℃，攪拌速度為800 r/min，選擇OP-10型乳化劑，采用劑在水中法制備出的水蠟乳液具有乳液均勻、穩(wěn)定、流動性好等特點.

(2) 產(chǎn)品經(jīng)儀器檢測各項指標均達到國外進口產(chǎn)品水平.其不僅可以用于清潔汽車車面，而且還能產(chǎn)生持久的光亮效果.

(3) 該產(chǎn)品性能優(yōu)于市場同類產(chǎn)品，原料易得，成本低，效益高，生產(chǎn)工藝簡單，適于小型化工廠生產(chǎn).