阳离子石蜡/ASA乳液的制备与应用

2013-09-16邓佩春陈燕红吴宗华

造纸化学品 2013年1期

邓佩春，陈燕红，吴宗华

（福建师范大学化学与化工学院，福建福州 350007）

近年来随着松香价格大幅波动，松香施胶剂的生产成本也不断提高，如何提高阳离子分散松香施胶剂施胶效果，降低生产成本成为亟待解决的一大技术难题。石蜡属于饱和烃类，其自身乳化后制备的石蜡乳液可直接用作造纸施胶剂[1]；烯基琥珀酸酐（ASA）具有熟化速率快、施胶pH适应范围广等特点。已有研究表明，阳离子松香胶乳与合成施胶乳液混合后进行中性施胶，这种胶乳可在较宽pH范围内使用[2]。通过合成稳定、高效石蜡/ASA乳液作为阳离子松香胶的补充剂，经与阳离子松香施胶剂共混施胶，不仅可以在较宽pH内使用，同时可以降低松香胶施胶成本。

本研究探讨了具有高贮存性能的阳离子型石蜡/ASA乳液的制备工艺，并考察了其对阳离子分散松香施胶剂的增效作用。

1 实验

1.1 主要原料及仪器

阳离子分散松香施胶剂和ASA均由企业提供；石蜡为58号半精制石蜡，工业一级；乳化剂由非离子型表面活性剂和阳离子型表面活性剂复配；废纸浆由废纸箱自制，打浆度23°SR；硫酸铝、三氯化铁、硫氰酸铵，均为分析纯试剂。

打浆机和纸张抄取器，西北轻工业学院机械厂；NDJ-1型旋转黏度计，上海天平仪器厂；马尔文MS 2000型激光粒度分析仪，英国马尔文仪器有限公司。

1.2 乳液的制备

按一定比例将需乳化的石蜡/ASA置于三口瓶中，加热至一定的温度至样品完全熔融，调节搅拌转速至200～300 r/min，加入一定比例的乳化剂，待其形成W/O型的均匀乳状液时，缓慢加入一定量沸腾的转相水，同时加大搅拌速度至1 200 r/min，直至体系达到转相点时，将剩余的转相水快速加入后，体系变为O/W型乳状液，之后降低搅拌速度，同时迅速降低体系温度至40℃，出料，得所需乳液，其固含量为30%左右。取一定量的乳液在MS 2000型激光粒度分析仪上测定其粒径分布。

1.3 性能测试

1.3.1 施胶度的测定

称取一定量的湿纸浆，置于高速搅拌机中，加入250 mL的自来水，疏解90 s后，在200 r/min的搅拌下间隔2 min，依次加入定量的硫酸铝、阳离子分散松香施胶剂的混合物，用自来水稀释后在抄片器上抄造定量为120 g/m2的纸片。湿纸片在105℃下烘干10 min。按照国家标准GB/T 5405—2002，采用液体渗透法测定纸张施胶度。

1.3.2 乳液黏度的测定

用NDJ-1型旋转黏度计测定乳液的黏度。

2 结果与讨论

2.1 石蜡/ASA乳液制备的影响因素

由于ASA易水解，这使乳液的黏度变大，因此本研究以乳液的黏度为指标，考察了乳化温度、乳化剂用量和乳化剂组成等因素对石蜡/ASA乳液性质的影响。前期研究结果表明，当m（石蜡）∶m（ASA）=9∶1时，其乳液的施胶增效作用最大，所以固定m（石蜡）∶m（ASA）=9∶1和其他乳化条件，考察了乳化温度对乳液黏度的影响，结果如图1所示。

图1 乳化温度对乳液黏度的影响

由图1可见，当乳化温度从70℃升至130℃，乳液的黏度呈现先下降、后上升的趋势，在温度为90℃时乳液黏度达到最低。这是因为乳化温度升高，分子动能增加，亲水基团水化程度减小，易转化为W/O型乳状液[3]。当温度过高时，由于乳化剂分子运动加剧，可降低乳化剂分子在蜡水界面的定向吸附性能，从而影响了乳液的稳定性。而乳化温度太低会影响石蜡、ASA以及乳化剂的熔化，不利于乳化的进行。因此，温度为90℃左右最为适宜。

图2显示了乳化剂用量对乳液黏度的影响情况。

图2 乳化剂用量对乳液黏度的影响

由图2可见，随着乳化剂用量增大，乳液的黏度呈现降低趋势，尤其当乳化剂用量由20%（相对于ASA和石蜡的总质量）变为22%时，乳液黏度大幅降低；其后继续增大乳化剂用量至24%时，乳液黏度呈微降趋势。乳化剂在乳液中从3个方面起作用：其一是降低界面张力；其二是通过在分散粒子或液滴表面形成吸附膜，起机械保护作用；其三是分散颗粒表面带有一定的电荷，在颗粒间产生相互排斥作用以保持乳液的稳定性。所以，随着乳化剂用量增大，其乳化效果越好，乳液黏度越低。由于乳化剂主要由表面活性剂组成，具有亲水性，不利于施胶，所以选择乳化剂最佳用量为22%。

本研究中乳化剂主要由阳离子型表面活性剂a和非离子型表面活性剂b组成。图3显示了乳化剂组分比例对乳液黏度的影响情况。

图3 乳化剂的组分比例对乳液黏度的影响

由图 3可看出，m（a）∶m（b）=1∶1时，乳化效果最好，乳液的黏度达到最低，随着比值逐渐增大，乳液的黏度也逐渐增大。同时可以看出相对于乳化温度和乳化剂用量的影响，乳化剂组成对乳液黏度的影响相对较小。

通过上述3因素的综合实验最终得出，当乳化温度为90°C、乳化剂用量为22%、乳化剂组分比例 m（a）∶m（b）=4∶1，此条件下制备的石蜡 ASA乳液黏度达到最低，为42 mPa·s（上述所得的乳液是通过对3因素进行正交试验，在该正交试验的最佳工艺条件下制得的）。

2.2 石蜡/ASA乳液的性能

为了进一步研究乳液的稳定性能，比较了以下不同组合条件下所得乳液的黏度以及平均粒径D（50）值：B 组，温度 90 ℃、乳化剂用量 22%、m（a）∶m（b）=4∶1；C组，温度70℃、乳化剂用量 24%、m（a）∶m（b）=4∶1；D 组，温度 110 ℃、乳化剂用量24%、m（a）∶m（b）=4∶3；E 组，温度 130 ℃、乳化剂用量 22%、m（a）∶m（b）=4∶3。比较情况见图 4。

图4 不同组合条件下乳液的黏度以及平均粒径

由图4可知，B、C、D、E等 4种组合条件下所得的乳液的黏度变化与平均粒径的变化趋势一致。其中，B组合条件下所得乳液不仅黏度最小，粒径也最小，乳液的稳定性最好。

图5显示了石蜡/ASA乳液的粒径分布情况。

如图5所示，在B组合条件下所制的乳液的平均粒径为0.196 μm。这表明所研制的乳液在热力学上是稳定的。通常稳定乳状液的粒度应在0.1～0.5 μm：1 μm以下的粒子由布郎运动引起的位移越大，扩散速度越快，从而使重力引起的沉降速度越小，达到沉降平衡的时间越长，乳液就越稳定；5 μm以上的粒子因重力引起的沉降作用明显，乳液不稳定。该石蜡/ASA乳液还具有较高的贮存稳定性，其黏度在放置1个月内变化较小，但其后乳液的黏度迅速增大，表明ASA的水解加速。

图5 石蜡/ASA乳液的粒径分布

2.3 石蜡/ASA乳液的施胶增效作用

图6为石蜡/ASA乳液与阳离子松香施胶剂共混后放置1个月内其施胶度的变化。抄纸条件为，硫酸铝（抄纸时添加）和阳离子分散松香施胶剂和石蜡/ASA乳液的共混施胶液分别为绝干浆的1.0%和0.25%。

图6 石蜡/ASA乳液施胶度随放置时间的变化

由图6可见，随着共混液放置时间的延长，其施胶度呈现先增大再下降的趋势，放置10 d时施胶度达到最大，但放置30 d后其施胶效果大幅降低。这可能是由于乳液中石蜡包裹着ASA，具有缓释作用。而刚乳化完胶粒包裹完全，无法显示ASA的施胶效果。随着放置时间的推移，部分ASA释放出，使得施胶效果增强。但继续放置，释出的ASA量逐渐增大，发生水解的ASA也增多，施胶度减小。从图6对比可得出，当m（阳离子松香施胶剂）∶m（石蜡/ASA乳液）=8∶2的共混放置时间为10 d时，其施胶度达到最大为271 s，对照的阳离子松香施胶剂的施胶度为40 s，石蜡/ASA乳液显示出很好的施胶增效作用。