水性蠟乳液的制備及其應用性能研究

王小榮，李莉，宇文娣，王婕，王丹，周窮窮

（咸陽師范學院化學與化工學院，陜西咸陽 712000）

水性蠟乳液在制備過程中需要借助乳化劑的表面活性作用并在一定機械外力的作用下使油性蠟均勻分散在水中，從而得到一種均一、穩(wěn)定的水性乳液[1,2]。水性蠟乳液是一種多用途且綠色無害的涂層添加劑，具有成膜性好、表層光滑透亮且不易回潮等特點，且相對于溶劑型產(chǎn)品而言，更加環(huán)保經(jīng)濟，具有很好的適用性和應用前景[3,4]。水性蠟乳液的原料中58#油性石蠟具有來源豐富、成本較低、穩(wěn)定性好的優(yōu)點[5]，因此其水性蠟乳液產(chǎn)品被廣泛應用于皮革、涂料、造紙等工業(yè)領(lǐng)域。

水性蠟乳液在制備過程中最為關(guān)鍵的是乳化劑親水親油基團的協(xié)調(diào)性能，既保證能夠與58#油性石蠟有良好的親和性，同時又能保證可溶于水中，形成穩(wěn)定的蠟乳液，因此乳化劑親水親油平衡值（HLB值）的選擇是關(guān)鍵。其次在確定好乳化劑后，還須考慮乳化劑的加入量、乳化溫度等因素對水性蠟乳液性能的影響。

本研究采用失水山梨醇單油酸酯（Span-80）、單硬脂酸甘油酯（GMS）和烷基酚聚氧乙烯醚（TX-10）復配乳化劑乳化58#油性石蠟，通過單因素實驗探討復配乳化劑的HLB值、乳化劑用量及乳化溫度對水性蠟乳液性能的影響，得到制備性能優(yōu)良的水性聚乙烯蠟乳液的較佳條件，并通過蠟乳液與水性涂料復配，研究蠟乳液對于涂層耐磨性、耐水性以及表面光澤度的影響，得到其應用于水性涂料中的最佳用量。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

聚乙烯蠟（58#蠟），杭州棕化實業(yè)有限公司；油酸山梨醇酯（Span-80），工業(yè)級，江蘇亞太聯(lián)合化工有限公司；單硬脂酸甘油酯（GMS），工業(yè)級，百匯生化科技股份有限公司；烷基酚聚氧乙烯醚（TX-10），工業(yè)級，鴻博化學原料股份有限公司；水性聚氨酯樹脂，工業(yè)級，安大華泰新材料有限公司。

ZetasizerNano-ZS激光粒度分析儀，英國Malvern公司；JM-Ⅳ漆膜磨耗儀，深圳市三莉科技有限公司；WGG60-ES4光澤度計，泉州科仕佳光電儀器有限公司。

1.2 實驗方案

1.2.1 水性蠟乳液的制備

將帶有電動攪拌器的三口燒瓶放入電熱恒溫水浴鍋中，在三口燒瓶中加入計量的58#蠟和Span-80、GMS、TX-10復配乳化劑，調(diào)節(jié)水浴鍋溫度至55～75℃，待原料熔融后，向體系中緩慢滴加熱水，以800 r/min的速度攪拌，待體系出現(xiàn)乳白色時可快速滴加熱水，控制乳化時間在10 min內(nèi)，反應結(jié)束即可制得固含量為15%的水性蠟乳液。

1.2.2 水性蠟乳液與水性聚氨酯涂料復配

取一定量的聚氨酯涂料，在200 r/min的轉(zhuǎn)速下向其加入分別占聚氨酯樹脂含量為0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%的水性蠟乳液，攪拌30 min后出料，即得水性涂料產(chǎn)品。

取30 g配制好的水性涂料倒入聚四氟乙烯板上，室溫下放置2天，待干燥后揭下再繼續(xù)放入60℃的烘箱中干燥24 h，之后放入干燥器中待用。

1.3 水性蠟乳液及涂膜的性能測試

將待測蠟乳液樣品放入TD5G臺式離心機中，以3000 rpm的速度離心15 min后，觀察是否有分層現(xiàn)象；采用英國Malvern公司的ZetasizerNano-ZS激光粒度分析儀進行蠟乳液的粒徑測定，測試條件：溫度25℃，入射角90°；參照GB/T 1768-2006測試涂膜的耐磨性；將規(guī)格大小為10 mm×10 mm×1 mm的正方形涂膜的質(zhì)量記為m0，將其放入去離子水中浸泡24 h后取出，用濾紙擦干涂膜表面的水分，稱重記為m1，涂膜吸水率為；參照GB/T 9754-1988測試涂膜的60°光澤度。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響乳化性能的因素

本研究通過單因素實驗分析法，采用失水山梨醇單油酸酯（Span-80）、單硬脂酸甘油酯（GMS）和烷基酚聚氧乙烯醚（TX-10）復配乳化劑進行乳化性能研究。

2.1.1 不同HLB值對乳化性能的影響

在乳化過程中應注意乳化劑親水親油基團的協(xié)調(diào)性能，既保證能夠與58#油性石蠟有良好的親和性，同時又能保證可溶于水中，形成穩(wěn)定的蠟乳液，因此乳化劑HLB值的大小是關(guān)鍵。在測定不同HLB值對乳化性能的影響時，固定復配乳化劑用量為10%，乳化溫度為65℃。

表1為不同HLB值對乳化性能的影響，從表中可以看出當HLB值為8.0～8.5時，乳液的離心穩(wěn)定性不好，容易分層；當HLB值為9.0時，乳液穩(wěn)定，不分層；當HLB值繼續(xù)增大時，乳液又出現(xiàn)分層現(xiàn)象。這是因為當HLB值較小時，親水基與疏水基不能很好地結(jié)合，導致整個體系乳化不完全，所以出現(xiàn)分層現(xiàn)象，而當HLB值較大時，由于疏水基結(jié)合不完全[6]，也會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。所以應控制HLB值為9.0，此時乳液的離心穩(wěn)定性較好。

表1 不同HLB值對乳化性能的影響

2.1.2 不同乳化劑用量對乳化性能的影響

乳化劑用量的大小直接影響蠟乳液的穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本，在測定不同乳化劑用量對乳化性能的影響時，固定復配乳化劑的HLB值為9.0，乳化溫度為65℃。表2為不同乳化劑用量對乳化性能的影響，由表中可以看出當乳化劑用量為8%～9%時，蠟乳液的離心穩(wěn)定性差，易分層；當乳化劑用量超過10%時，蠟乳液穩(wěn)定，不分層。這是由于乳化劑加入量較低時，表面活性劑濃度過低，導致乳化后的蠟乳液性能不穩(wěn)定；乳化劑加入量較高時，所得蠟乳液的性能雖然穩(wěn)定，但乳液中過多的乳化劑會產(chǎn)生大量泡沫，從而降低蠟乳液的應用性能[7,8]，同時也會增加生產(chǎn)成本，所以控制復配乳化劑的用量為10%時，蠟乳液穩(wěn)定性最好。

表2 不同乳化劑用量對乳化性能的影響

2.1.3 不同乳化溫度對乳化性能的影響

蠟由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)時需要吸收熱量使蠟的內(nèi)聚力減小，從而加快其在乳化時的分散速度，表3是不同乳化溫度對乳化性能的影響，在測定不同乳化溫度對乳化性能的影響時，固定復配乳化劑的HLB值為9.0，復配乳化劑用量為10%。由表可知當乳化溫度為55～60℃時，乳液易分層；當溫度為65℃時，乳液穩(wěn)定不分層；繼續(xù)升高溫度時，乳液又開始分層。由于溫度太低，蠟融化不完全，會直接使蠟的乳化結(jié)果變差[9]，而高溫乳化后，不要停止攪拌，待乳液冷卻至室溫時乳化結(jié)果最好。這與乳化劑的濁點有關(guān)，因高溫乳化時，溫度超過了乳化劑的濁點，使表面活性劑發(fā)生凝聚，很大程度上抑制了其乳化性能[10]。同時，反應溫度太高，會導致體系有液體迸出。所以蠟乳液的乳化溫度應控制為65℃。從以上討論可知，乳化58#蠟較佳的工藝條件為：復配乳化劑的HLB值為9.0，復配乳化劑用量為10%，乳化溫度為65℃。

表3 不同乳化溫度對乳化結(jié)果的影響

2.2 水性蠟乳液的粒徑分布

圖1為在較佳乳化工藝條件下測得的蠟乳液的粒徑分布圖，從圖中可以看出，制得的蠟乳液粒徑呈現(xiàn)單峰分布，且粒徑分布范圍較窄，粒徑為210.2 nm。在較佳工藝條件下，蠟乳液界面膜吸附的分子數(shù)量增加，分子間吸附能力增強，使界面膜強度增加，乳液聚集阻力增加，形成的乳液穩(wěn)定性好，同時，所得乳液粒徑較小且分布較窄。

圖1 蠟乳液的粒徑分布

2.3 蠟乳液添加量對涂膜耐磨性、光澤度的影響

圖2為不同蠟乳液添加量對涂膜耐磨性和光澤度的影響。從圖中可以看出，隨著蠟乳液的加入，當添加量從0增加至3%時，磨耗量從18.1 mg降至14.1 mg，涂層光澤度從64.3°增加到69.3°，涂膜的磨耗量明顯下降，繼續(xù)增加蠟乳液添加量，磨耗量變化不大，光澤度從69.3°降低到65.2°，光澤度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這主要是因為隨著蠟乳液用量增加，58#蠟本身的硬度較大，所以與水性聚氨酯復配后可以很好地增大涂膜的耐磨性，但隨著添加量增大到一定程度，蠟粒子無法在膜表面排列只能排布在涂膜內(nèi)部，則對磨耗量的影響不大；當添加蠟乳液后，由于受光照射，涂層表面會產(chǎn)生一定程度的全反射或漫反射[11]，從而使涂膜具有光澤感，但加入量太多時，光澤度也會受到影響。所以綜合耐磨性和光澤度的結(jié)果考慮，與水性涂料復配時，水性蠟乳液的添加量控制在3%較為合適。

圖2 蠟乳液添加量對涂膜耐磨性、光澤度的影響

2.4 蠟乳液添加量對涂膜耐水性的影響

圖3為蠟乳液添加量對涂膜耐水性的影響，由圖3可以看出，當蠟乳液加入量為0時，涂膜的吸水率為29.1%，耐水性較差；當蠟乳液的添加量增至3%時，吸水率降為24.9%，耐水性明顯提高。這主要是由于蠟的烷烴結(jié)構(gòu)，使其具有疏水特性，故加入蠟乳液可以改善涂膜的耐水性能。但蠟乳液中同時也存在親水的乳化劑，如果蠟乳液添加量過多，乳化劑也會與水結(jié)合，反而造成吸水率的升高，因此，綜合考慮，蠟乳液的添加量為3%。

圖3 蠟乳液添加量對涂膜耐水性的影響

3 結(jié)論

本研究采用Span-80、GMS、TX-10復配乳化劑通過轉(zhuǎn)相乳化法乳化58#石蠟制備了水性蠟乳液，得出了較佳的乳化工藝條件為：HLB值9.0，復配乳化劑用量10%，乳化溫度65℃。粒徑分析表明，蠟乳液粒徑分布較窄。通過蠟乳液與水性涂料復配，探討了不同蠟乳液添加量對涂膜性能的影響，隨著蠟乳液添加量的增加，涂膜的磨耗量呈現(xiàn)降低的趨勢直至趨于不變，而涂膜光澤度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，吸水率則先減小后略有升高，較佳的蠟乳液添加量為3%。