膨润土无机凝胶制备及其在牙膏中的应用

雷东升

（苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司，江苏 苏州 215011）

1 前言

膨润土是由以蒙脱石为主要成分的含水铝硅酸盐类矿物所组成。蒙脱石是由两层Si-O四面体中间夹一层Al-O(OH)八面体片组成的层片状矿物，其层间充满层间水和可交换性阳离子。将膨润土经过钠化提纯、凝胶性能调节、凝胶干燥等工艺制备出膨润土无机凝胶，其在水溶液中可形成非牛顿液体类型的触变性凝胶。这种矿物无机凝胶对于悬浮液的稳定性具有重要影响，由于它在水溶液中高度分散，形成空间网状结构，并使大量自由水转变为束缚水，从而使其本身获得较高的粘度。这种粘度与剪切速度变化关系密切，在高剪切力下，呈低粘滞性悬浮液；在低剪切力或静止状态下，又恢复到初始的均相塑性体状态。工业上利用这种触变体系，来控制日用化工膏体产品的流变性、触变性、扩散性、粘滞性和稠度[1-2]。本文以辽宁建平优质膨润土为原料，经过钠化提纯、凝胶性能调节、凝胶干燥等工艺制备出膨润土无机凝胶，并将其在二氧化硅体系牙膏中进行了应用试验。

2 原料

膨润土原矿，取自辽宁省建平县，属火山岩型矿床，主要化学成分(%)为：SiO271.82；Fe2O31.35、Al2O313.99；CaO 1.54；MgO 2.75；K2O 0.68、Na2O 0.55；TiO20.09；LOI 6.84。主要物化性能见表1，X-射线衍射图谱见图1，并结合化学分析、物理性能分析可知，原矿中的主要矿物为蒙脱石、方石英、长石等，d (001)值15.466，此膨润土为钙基膨润土。

表1 原矿的物理性能分析

3 膨润土无机凝胶的制备

3.1 制备方法及工艺

经过对比试验，膨润土无机凝胶制备方法及工艺[3-5]如下。

(1) 制浆：称取一定量的膨润土原矿(-200目)，加水配成浓度为8%悬浮液。

图1 原矿X-射线衍射图谱

(2) 钠化改性：加入钠化剂，用量为膨润土原矿的4%，充分搅拌，使矿粉在水中分散并钠化改性30min。

(3) 离心分离提纯：将经过钠化改型的膨润土矿浆采用离心机进行分离提纯。

(4) 凝胶性能调节：将经过钠化提纯的膨润土矿浆加入改性药剂，加入量为干矿量的0.5%，陈化24h。

(5) 干燥：采用电热鼓风干燥箱，干燥温度控制在150℃左右。

(6) 磨粉：将干燥后的膨润土无机凝胶磨细至200目左右备用。

3.2 性能检测与分析

将高纯改性膨润土加水配成5%的悬浮体，在均匀器转速为3 000转/分，矿浆温度为25℃的条件下，搅拌40min，静置24h后测定凝胶的粘度为2 350mPa·s(粘度计为NDJ-8S型数显粘度计)，触变值8.5，该凝胶的流变性曲线见图2，膨润土无机凝胶的物理性能分析见表2。

图2 膨润土无机凝胶的流变性曲线(固含量5%)

表2 膨润土无机凝胶的物理性能分析

由表2可知，该膨润土无机凝胶重金属含量为0.04mg/kg，达到日化行业原料对重金属含量的要求。由图2可以看出，该凝胶基本表现为塑性流型，蒙脱石颗粒在水分散液中搭成一个连续的网格状结构，并使大量自由水转变为束缚水，从而使其本身获得较高的粘度，这种粘度与剪切速度变化的关系密切，在高剪切力下，呈低粘滞性悬浮液；在低剪切力或静止状态下，又恢复到初始的均相塑性体状态，具有良好的触变特性。

4 应用试验

普通二氧化硅体系的牙膏流变性好，是标准的牛顿流体，表现在牙膏挤在牙刷上，由于重力的作用，停留一定时间后牙膏会自然下垂，从条状变成片状，影响外观。知名品牌的牙膏，一般都使用一定的流变改进剂，使牙膏由牛顿流体变为塑性体，表现在，当人们稍微用力挤牙膏时，膏体具有良好的流动性，在去掉外力时，牙膏膏体像固体一样保持原来形状，不会因重力而变形，经过1～2h，仍保持条状。目前，市场上一般采用羧甲基纤维素等有机物来改善二氧化硅体系牙膏，但价格较贵，效果不理想。

4.1 试验内容与配方

本次应用试验利用制备的膨润土无机凝胶在水溶液中形成空间网状结构的特点，膨润土无机凝胶部分替代羧甲基纤维素等有机流变改进剂，进行牙膏感官、理化指标的检测，考察该二氧化硅体系牙膏经过三个月高低温测试和六个月室温测试的稳定性，应用试验配方见表3。

表3 牙膏应用试验配方

试验设备：VEM-5L真空制膏机。

试验工艺：①将苯甲酸钠，糖精，无机凝胶溶于水中，得水相备用；②将钛白粉、汉生胶、二氧化硅、月桂醇硫酸钠，羧甲基纤维素混合；③将山梨醇丙二醇抽入真空制膏机，再抽入水相，搅拌均匀，抽入混合好的粉，搅拌均匀，加入余下物料，混合均匀后出料。

4.2 结果与讨论

以自制的膨润土无机凝胶部分取代羧甲基纤维素等有机流变改进剂，采用表3的应用试验配方制备出牙膏样品，参照GB 8372-2008牙膏的标准对其感官指标、理化指标进行检测，检测结果见表4，两种牙膏30min后的形状见图3(图3a为不加无机凝胶，图3b为添加无机凝胶)。

由表4可知，采用表3试验配方制备出的牙膏感官指标、理化指标均达到GB 8372-2008牙膏的标准，三个月高低温稳定性测试和六个月室温稳定性测试，均通过标准要求。

表4 牙膏样品检测结果

图3 两种牙膏样品30min后形状对比图

由图3可以看出，没有加入无机凝胶的牙膏，经过30min后，牙膏的形状已经完全变形，不能保持形状，影响外观；加入无机凝胶的牙膏，经过30min后，牙膏的形状保持很好，不变形。

5 结论

(1) 以辽宁钙基膨润土为原料，经过钠化提纯、凝胶性能调节、凝胶干燥等工艺后制备出膨润土无机凝胶：粘度值2 350mPa·s、触变值8.5，白度88，2%分散体不分层。

(2) 采用自制的膨润土无机凝胶取代部分羧甲基纤维素等有机流变改进剂，运用表3试验配方制备出的牙膏感官指标、理化指标均达到GB 8372-2008牙膏的标准，三个月高低温稳定性测试和六个月室温稳定性测试，均通过标准要求。

(3) 没有加入无机凝胶的牙膏，经过30min后，牙膏的形状已经完全变形，不能保持形状，影响外观；加入无机凝胶的牙膏，经过30min后，牙膏的形状保持很好，不变形。