膨润土无机凝胶在牙膏中的应用

郑丽宁

（福建省地质测试研究中心，福建 福州 350002）

膨润土无机凝胶在牙膏中的应用

郑丽宁

（福建省地质测试研究中心，福建 福州 350002）

通过膨润土无机凝胶在牙膏中的应用研究，确定了膨润土无机凝胶与羧甲基纤维素钠的最佳质量复配比例；探索了生产中所应采取的制膏工艺，并对工艺原理进行了分析；最后与其他产品进行了对比试验，分析了膨润土无机凝胶在牙膏应用中的优势。

膨润土无机凝胶；复配比例；工艺原理；应用

1 前言

粘合剂在牙膏中主要起增稠、悬浮磨擦剂、抛光颗粒和预防牙膏中固液组分分离等作用，其性能优劣直接影响到牙膏的稳定性[1]。目前，牙膏中使用较多的为有机粘合剂如羧甲基纤维素钠(CMC)等，但其本身对湿度有一定的敏感性和生物降解性，对人体皮肤有刺激作用，有机粘合剂日用化学品的使用对环境也会造成污染[2]。

我国从上世纪80年代后期开始探索用钠化膨润土作为矿物无机凝胶代替有机粘合剂，但因其成胶性能不佳未能被推广应用[2]。笔者通过对膨润土无机凝胶制备工艺的改进，制备得到的凝胶性能大大提高，在牙膏中的应用方面取得了满意的结果。

2 试验部分

2.1 原料的制备

试验所用膨润土采自山东潍坊膨润土矿。原矿采用自然沉降法进行提纯，提纯得到的矿浆经烘干、磨矿，放置备用。试验中所选用的钠化剂为氟化钠，增稠剂为聚丙烯酸钠(PAAS)和CMC的复配物。

膨润土无机凝胶制备工艺流程图见图1。

2.2 仪器与试剂

仪器：GFJ-0.4高速分散机、DL-5型低速大容量离心机、DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱、XZM-100型振动磨样机、JY2002型电子天平、MA235梅特勒离子计、Brookfield粘度计、PNV-1捏合机。

图1 无机凝胶制备工艺流程

试剂：氟化钠、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、糖精钠、安息香酸钠、二氧化硅、山梨醇、丙二醇、十二醇、重钙、特效薄荷香料。以上各试剂均为牙膏级。

3 结果与讨论

3.1 膨润土无机凝胶用量试验

试验采用膨润土无机凝胶和CMC两种粘合剂，设计多种质量复配配方。在确定用量后，按表1所示配方制备胶水液，用粘度计测其粘度，通过粘度的大小确定二者的最佳质量复配比。胶水液粘度测定条件：室温26℃、6号转子、转速20r/min。

膨润土无机凝胶与CMC的复配比与胶水液粘度测试结果详见表2。

由表2可见，当固定膨润土无机凝胶及CMC所占质量总比例1%不变的情况下，二者质量最佳复配比为2∶8，但其胶水液粘度低于二者质量复配比为0∶10的胶水液粘度。在保证成本不增加的条件下，为提高二者复配的胶水液粘度，保持上述CMC质量0.8%不变，继续增加膨润土无机凝胶的用量，当二者所占质量总比例为1.1%，质量复配比为3∶8时，膨润土无机凝胶和CMC可发挥最佳的协同增稠效应，表现出较高的胶水液粘度。

表1 牙膏制备配方

表2 膨润土无机凝胶与CMC复配胶水液粘度

3.2 含膨润土无机凝胶牙膏生产工艺试验

试验设定膨润土无机凝胶与CMC的质量复配比为3∶8，设计两组工艺条件试验，按表1所示配方进行制膏试验。膏粘度测定条件：室温26℃、7号转子、转速20r/min。

3.2.1 制膏工艺条件试验

(1) 将膨润土无机凝胶在去离子水中预分散，将糖精钠、安息香酸钠、二氧化硅加入到膨润土无机凝胶的预分散液中，搅拌均匀；将CMC在丙二醇中预分散，将山梨醇加入到CMC预分散液中，搅拌均匀；最后将二者混合并搅拌均匀，待完全溶胀至均匀胶水液后加入粉料进行制膏试验。

(2) 将膨润土无机凝胶和CMC在丙二醇中预分散，将山梨醇、糖精钠、安息香酸钠、二氧化硅加入到膨润土无机凝胶-CMC预分散液中并搅拌均匀，待完全溶胀至均匀胶水液后加入粉料进行制膏试验。

两组工艺条件的试验结果见表3。

表3 不同工艺条件下胶水液及膏的粘度

由表3可见第一组工艺条件下胶水液及膏的粘度较大，因此确定第一组为制膏工艺条件，其制膏工艺流程见图2。

图2 牙膏生产工艺流程

3.2.2 工艺原理

从工艺可以看出，欲使膨润土无机凝胶和CMC达到最佳的协同增稠效应，应先将膨润土无机凝胶在去离子水中预分散，继而再与其他组分混合，这可以从膨润土无机凝胶的微观分子结构解释。

膨润土无机凝胶分散在水中时，易分散成层面带负电荷的微粒薄片，这些薄片和因断键产生的正电荷端面因静电吸引在水中以端—面结合，形成包含着大量水分子的“卡房式”网状结构，使水不能自由流动，表现出自身的增稠作用；但这种立体网状结构并不稳定，一经如搅拌等外力作用，立体网状结构就遭到破坏，其间的水分子又可以自由地流动，使其表现出自身特有的高触变性；膨润土无机凝胶又是低分子量的无机物，即使很强的剪切力也无法破坏其分子结构，因此它又具有在高剪切作用下保持稳定的特性。

对于膨润土无机凝胶和CMC的协同增稠作用，可以这样理解：膨润土无机凝胶在去离子水中预分散后，形成三维立体网状结构；当其与CMC的预分散液混合后，一方面水分子通过与CMC分子链上的羧甲基团作用渗透进入CMC，使其开始溶胀；另一方面，羧甲基团与水分子的作用也使其自身成为带负电荷的基团-COCH2COO-·H2O，这使得CMC分子链在膨润土无机凝胶层间及端面电荷作用下，边溶胀边进入膨润土无机凝胶的三维立体网状结构中。这样，链状的CMC大分子则环绕曲折于膨润土无机凝胶的立体网状结构之间，使二者之间的相对位置趋于稳定，相辅相成，发挥最佳的协同增稠作用。

3.3 对比试验

样品与CMC的质量复配比为3∶8，按工艺(1)进行制膏，其性能与其他样品的对比结果见表4。

表4 膨润土无机凝胶与其他样品的对比试验结果

由表4可以得到以下结论：

(1) 潍坊膨润土无机凝胶与CMC的复配效果要优于单独使用CMC，这在2周后的膏粘度上更好的表现出来。主要是因为在制膏过程中，捏合机强烈的机械搅拌作用使原来在胶水液中形成的三维网络结构遭到破坏，因此二者的协同作用在膏即时粘度上没有充分表现出来；膏体制成后，膨润土无机凝胶与CMC开始对遭到破坏的结构进行修复，这个过程大约需要2～4周的时间[3]，表现为膏体粘度的逐渐增加。

(2) 潍坊膨润土无机凝胶与CMC的复配效果明显优于淮坊钠基土，这主要是因为前者在钠基土的基础上添加了水溶性聚电解质增稠剂PAAS和CMC。这里，PAAS是主增稠剂，CMC是胶体稳定剂和助增稠剂，两者复配，既可达到协同增稠和稳定胶体的作用，与配方中粘合剂CMC与保湿剂山梨醇等也具有很好的相容性。

(3) 潍坊膨润土无机凝胶、怀俄明钠基土与CMC的复配效果分别优于莱西膨润土无机凝胶、潍坊钠基土，这与各样品原矿层电荷高低有关。三者原矿层电荷由低到高为：怀俄明膨润土＜潍坊膨润土＜莱西膨润土。膨润土层电荷越低，在水介质中越容易分散形成“卡方式”结构，与CMC的复配效果越好。

(4) 潍坊膨润土无机凝胶与CMC的复配效果可与SM相媲美，但较laponite效果差。但laponite价格高，市场售价在15万/t，潍坊膨润土无机凝胶的售价约为0.7万/t，在保证复配效果的条件下，使用膨润土无机凝胶，可大大节约成本。

3.4 膨润土无机凝胶在牙膏中应用的优点

(1) 与CMC复配使用，可减少相应有机胶的用量，使产品成本降低。

(2) 可减轻有机胶对人体皮肤的刺激，减少有机胶日用化学品使用造成的环境污染，具其他有机胶所不具备的保健作用。

(3) 与CMC复配使用，可减轻酸效应和盐效应对CMC性能的影响。

4 结论

综上所述，膨润土无机凝胶是一种值得推荐的牙膏用粘合剂，具有成本低、刺激污染小、性能稳定等特点。它在牙膏中的应用工艺为：①将膨润土无机凝胶在去离子水中预分散，将水溶性添加剂加入到膨润土无机凝胶的预分散液中，搅拌均匀；②将CMC在丙二醇中预分散，将山梨醇加入到CMC预分散液中，搅拌均匀；③将二者混合并搅拌均匀，待完全溶胀至均匀胶水液后加入粉料进行制膏试验。这样，二者才能发挥最佳的协同增稠效应。

[1]沈海燕.牙膏中的粘合剂和磨擦剂概述[J].牙膏工业,1996(1):32-33.

[2]冯臻.矿物无机凝胶的微波合成及其在牙膏中的应用[J].非金属矿,2006,29(5):21-24.

[3]范云飞.水中CMC大分子形态特性与其在牙膏生产中的运用和控制[J].牙膏工业,2003(3):22-24.

Application of Inorganic Gel of Bentonite in Dentifrice

ZHENG Li-ning
(Geological Test Research Center of Fujian Province, Fuzhou 350000, China)

Application of inorganic gel of bentonite in dentifrice was studied. Optimal mass return-service rate of inorganic gel and CMC were determined; craft of preparation of paste in production was explored; processing principle was analyzed; contrast tests were done and merits of inorganic gel of bentonite were summarized.

inorganic gel of bentonite; return-service rate; processing principle; application

P619.255;TD985

A

1007-9386(2012)04-0011-03

2012-03-19