陶瓷制造用乳化蠟的制備研究

趙 金 陳文藝 曹月坤 胡 丹

（遼寧石油化工大學石油化工學院，遼寧撫順113001）

陶瓷制造用乳化蠟的制備研究

趙 金 陳文藝 曹月坤 胡 丹

（遼寧石油化工大學石油化工學院，遼寧撫順113001）

以58#號石蠟及其氧化蠟為原料，采用非離子表面活性劑吐溫系列和司盤系列作為添加劑，通過全實驗篩選出符合陶瓷用乳化蠟制備的乳化條件及各原料用量及配比，在最佳實驗條件下制得優于市場同類產品的乳化蠟。考察確定的乳化劑為復合乳化劑Ⅲ，其HLB值為9.50，乳化劑加入量為蠟質量的25%；在最佳工藝條件，乳化溫度90℃、乳化時間40min、攪拌速度850r/min的條件下，制備出的陶瓷用乳化蠟，具有穩定性好、可塑性強、流動性適宜、粘度適中、鋪膜性好等特點。

陶瓷；乳化蠟；乳化；穩定性；粘度

0 引言

隨著陶瓷工藝的迅速發展，陶瓷制品被廣泛應用于日常生活和工業生產中，常見的陶瓷種類有日用陶瓷、藝術陶瓷、建筑-衛生陶瓷、化工陶瓷、化學瓷、耐火材科、特種陶瓷等[1]。在陶瓷生產中粘結劑對維持陶瓷制品的胚胎形狀[2]制品強度、抗壓性都起著決定性的作用[3-4]。同時，對產品的產率也起著至關重要的作用。由于粘土具有獨特的粘合性、遇水膨脹可塑性的特點，常作為陶瓷制品的粘結劑。但由于天然粘土中雜質含量較多，高溫燒結后雜質殘留于玻璃相中，會導致陶瓷制品的強度和耐壓性降低。隨著陶瓷制品的質量要求不斷提高，各種人造無殘留的有機高分子粘結劑被應用于陶瓷生產中。由于乳化石蠟具有無毒、不揮發、分散性好、鋪膜均勻[5]、潤滑性好、流動性好和滲透性好、粘合性、不含金屬雜質等特點，將乳化石蠟應用陶瓷生產過程中，不但可以改進粉料的流動性和注件的脫模性，也可提高注件的致密性和生坯的強度。因此，乳化蠟是一種良好的粘結劑[6]。

1 實驗部分

1.1 原料及試劑

石蠟，全精煉58#，工業級，撫順石油一廠生產；氧化蠟，實驗室自制；Span-40、Span-80、Tween-20、Tween-60，Tween-80均為化學純，大連藝秀分子篩催化劑有限公司生產；去離子水，實驗室自制。

1.2 主要儀器設備

GSI-101B型激光粒度測試儀，遼寧儀表研究所；旋轉粘度計，上海恒平科學儀器有限公司；LB108型超級恒溫水浴，遼陽市恒溫儀器廠；JJ-1型增力電動攪拌器，金壇城西曉陽電子儀器廠；三口瓶；溫度計。

1.3 乳化蠟性質測定

機械穩定性，按照GB11543-89方法測定，工作條件為4000r/min，離心20min；乳液粒度測定，采用GLS-101B型激光粒度測試儀測定；分散性測定，將乳化石蠟滴入60℃水中，分散性測定參照農乳進行劃分等級[7]，其中1級最好，5級為最差；粘度采用NDJ-79旋轉粘度計測定。

1.4 乳化工藝方法

乳化工藝[8]包括：劑在水中法、劑在油中法、初生皂法、輪流加液法、轉相乳化法、轉相溫度乳化法、D相乳化法、凝膠乳化法。其中劑在水中法制得的乳狀液顆粒較大，乳狀液穩定性不好；轉相溫度法制得的乳狀液顆粒微小，流動性強，穩定性能好；轉相溫度乳化法適用于非離子表面活性劑作為乳化劑的乳化反應。本實驗綜合了轉相乳化法和轉相溫度乳化法的優點，將原料與乳化劑在機械攪拌條件下制備石蠟乳化液。首先將研碎石蠟及其氧化蠟按質量要求加入三口瓶內，加入親油性乳化劑。將親水性乳化劑和水混合，然后同時將其二者放入恒溫水浴鍋預熱，在轉相溫度和攪拌下將水相逐漸加入到三口瓶進行轉相乳化，當降至一定溫度時，放入指定容器中。

2 結果與討論

2.1 乳化劑類型選擇

石蠟及其氧化石蠟作為分散相分散到分散介質水中，由于兩相不互溶導致系統相界面面積增加，界面吉布斯函數增大使得分散系統穩定性差，易分層。加入適量適合的乳化劑可以在兩相之間產生正吸附，降低界面張力及吉布斯函數，提高穩定性、分散性。

表1 不同類型乳化劑的乳化效果Tab.1 Emulsification effects of different emulsifiers

圖1 乳化劑HLB值對乳化蠟粒徑的影響Fig.1 Influence of emulsifier HLB values on emulsified wax particle sizes

本實驗的最終目的是制得符合陶瓷生產的乳化蠟，要求乳化蠟燒結后無殘留，，因此,選用非離子表面活性劑作為乳化劑。乳化劑的性質及乳化能力由HLB值表示[9]，因此要制得顆粒細小、均勻穩定的乳化蠟，乳化劑的選擇是重中之重[10]。本實驗以蠟質量為28wt%，乳化劑加入量7wt%，乳化溫度為90℃，乳化時間為40min，攪拌速度為850r/min為基礎條件，考察不同類型乳化劑的乳化效果。

由表1可看出，單一乳化劑雖可降低體系的吉布斯，但是其形成的界面膜強度低，導致體系穩定性差，易分層。這是由于司盤和吐溫系列分別為親油型和親油型表面活性劑。因此使用一種類型的乳化劑不能有效的降低水油兩相之間的界面張力，故不能達到良好的乳化效果。而復配型乳化劑則可有效減少水油兩相的相界面積，降低體系的吉布斯能，達到優異的乳化效果。因此，本實驗選用復合型乳化劑進行乳化。

2.2 HLB值對乳化效果的影響

每一種乳化劑均有某一特定的HLB值，因此,可以選擇與乳化蠟HLB值(9-13)相近的乳化劑作為乳化蠟的最適乳化劑。

在固體物（石蠟與氧化蠟）為28wt%，乳化劑加入量為7wt%，乳化溫度為90℃，乳化時間為40min，攪拌速度為850r/min的乳化工藝條件下，制得的乳化蠟的顆粒粒徑隨著HLB值的變化規律如圖1所示。

從圖1可看出，隨著體系HLB值的增加，復合乳化劑Ⅱ和Ⅲ的乳化效果均呈現出先增后減趨勢，即體系的顆粒粒徑先減小再增大。其中，復合乳化劑Ⅱ在HLB為10.501時，其粒徑最小。而復合乳化劑Ⅲ在HLB值為9.5～10.3之間時，其乳化效果變化不大，乳化效果最佳。

2.3 乳化劑用量影響

以復合乳化劑Ⅱ和Ⅲ作為研究對象，在乳化溫度90℃、乳化時間40min，攪拌速度850r/min的條件下，考察了兩種復合乳化劑用量對乳化結果的影響。乳化劑用量對乳化效果的影響見表2。乳化劑加入量對乳化蠟粘度和粒徑大小的影響見圖2。

由表2可看出，復合乳化劑Ⅱ和Ⅲ均可達到相同的乳化效果，但復合乳化劑Ⅲ的用量略低，故選其作為實驗最佳乳化劑。復合乳化劑Ⅲ加入量為7wt%時，乳化蠟具有較好的穩定性和分散性，因此最佳乳化劑加入量為7wt%。

2.4 蠟原料配比的影響

石蠟及其氧化蠟作為石蠟乳化的主要原料，對最終乳化蠟產品的性質產生重大影響。實驗采用的氧化蠟是由無金屬催化劑催化無引發劑引發的空氣直接氧化而得，由于氧化引入了-COOH、-OH、-CO等極性含氧基團，一定程度上提高了蠟的溶解性、乳化性，同時減少乳化劑的用量、提高乳化石蠟的穩定性。表3是氧化蠟與石蠟質量比對乳化效果的影響。

由表3看出，最佳的氧化蠟加入量是石蠟加入量的1/2，低于這個值時，乳化效果不好，穩定性差；高于這個值，雖可得到較好的乳化效果，但增加了乳化蠟的制備成本。

表2 乳化劑用量對乳化效果的影響Tab.2 Influence of emulsifier content on emulsification

表3 蠟配比對乳化效果影響Tab.3 Influence of wax ratios on emulsification

2.5 乳化工藝條件的影響

采用復配乳化劑Ⅲ作為實驗乳化劑，在加入量為7wt%，在石蠟及其氧化蠟加入量為28wt%（m石蠟/m氧化蠟=2/1）的條件下，考察各個工藝條件對乳化效果的影響，確定最終的乳化工藝條件。

表4 乳化時間對乳化效果影響Tab.4 Influence of emulsifying time on emulsification

表5 陶瓷用乳化石蠟性能分析Tab.5 Performance analysis of ceramic emulsified wax

2.5.1 乳化溫度

乳化溫度對乳液粒徑影響如圖2。

由圖2看出，當乳化溫度低于75℃時，由于復合乳化劑的HLB偏低，乳化效果較差，表現在靜置150d分層，且蠟呈膏狀，分散性差。隨著轉相溫度的不斷升高，復合乳化劑的乳化效果變好，乳化蠟的顆粒粒徑不斷減小，穩定性不斷增強。當乳化溫度達到90℃時，復配乳化劑乳化達到最佳效果，顆粒粒徑最小，穩定性最強，具有較好的流動性。雖然乳化溫度為95℃時，乳化效果也非常好，但是能耗增加，導致經濟效益降低。因此本實驗最佳乳化溫度為90℃。

2.5.2 攪拌速度

攪拌速度對乳化蠟粘度的影響見圖3。

從圖3看出，當攪拌速度在800～950r/min之間時，粘度趨于穩定，在此條件下制得的乳化蠟穩定性好、分散性好、粘度適宜、流動性較好、鋪膜潤濕性好。選擇850r/min為最好攪拌速度。

2.5.3 乳化時間

由表4看出，當乳化時間較短時，石蠟及其氧化蠟的乳化是通過乳化劑的定向吸附作用得以實現的，而定向吸附需要一定時間，應選擇最適的乳化時間。表4是乳化時間對乳化效果影響。

石蠟氧化蠟乳化不充分，形成的乳化蠟顆粒較大，不穩定且分散性差。乳化蠟的穩定性隨著乳化時間的增加而增大，當到達40min時，穩定不分層，且粘度適中有較好的流動性。當時間到達45min時，顆粒粒徑小、粘度大、穩定性強，但是乳化蠟的流動性較差。本實驗最佳乳化時間為40min。

2.6 陶瓷用乳化蠟

通過以上實驗討論確定的最佳乳化方案為：乳化劑為復合乳化劑Ⅲ，其HLB值為9.50，乳化劑加入量為蠟質量的25%，乳化溫度90℃，乳化時間40min，攪拌速度為850r/min。表5是陶瓷用乳化石蠟性能分析結果。

由表5可知，本實驗制得的陶瓷用乳化石蠟的性能已經達到企業標準，且某些指標優于現有同類產品。

3 結論

以58#石蠟及自制的氧化蠟為原料，采用復合乳化劑Ⅲ，其HLB值為9.50，乳化劑加入量為蠟質量的25%，在乳化溫度90℃、乳化時間40min、攪拌速度為850r/min的條件下，可以制備出陶瓷用乳化蠟，該產品具有穩定性好、可塑性強、流動性適宜、粘度適中、鋪膜性好等特點。

1 理查德.J.布魯克.陶瓷工程.清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室譯,北京:科學出版社,1999

2 EDIRISINGHE M J,EVANS J R G.Properties of ceramic injection moulding formulations,Part I:Melt rheology.J.Mater.Sci.,1987,22:269～277

3 YANG J,KIM D Y.Effect of glass composition on the strength of vitreous bonded c-BN grinding wheels.Ceramics International,1993,19:87

4 YOKOGAWA M,YOKOGAWA K.Machine&Tool,1985,29(5):95

5 曹志濤,侯波,陳文藝等.蠟的改性及特種蠟產品的開發利用.化工生產與技術,2005,12(1):29～32

6 馮新南,陶瓷注射成型工藝中粘結劑的研制.科技創新導報,2010,9:102

7 Blue Chip Stamps.Silicone automobile finish protectant:US,43982689A.1991-03-05

8 RRONDESTVEDT C S.JACS,1954,76:1926

9 GRIFFIN W C.J.Soc.Cosmetic Chemists,1949,1:311

10 MARCOIN W.Acta Pol.Pharm.,1989,46(4):337

Preparation of Emulsifying Wax for Ceramic Manufacturing

ZHAO JinCHEN WenyiCAO YuekunHU Dan
(School of Petrochemical Technology,Liaoning University of Petroleum&Chemical Technology,Fushun,Liaoning 113001)

Emulsifying wax for ceramic use,better in performance than similar products available,was prepared,using#58 paraffin wax and oxidized wax as raw materials,non-ionic surfactants of Tween and Span series as additives.Its emulsification conditions and mixing ratio of raw materials were optimized through full-scale experiments.Results show the emulsifier is a compound emulsifierⅢ,its HLB value is 9.50,and its doping amount is 25%of wax;emulsified at 90°C for 40min while being stirred at 850 r/min,the obtained wax for ceramics has good stability,plasticity,liquidity,viscosity and film formability.

ceramic;emulsified wax;emulsifying;stability;viscosity

on Apr.23,2012

TQ174.4

A

1006-2874（2012）03-0005-05

2012-04-23

遼寧省教育廳項目(編號：2006T090)

趙金，E-mail:zhaojinbj06@126.com

ZHAO Jin,E-mail:zhaojinbj06@126.com