膨潤土無機凝膠在牙膏中的應(yīng)用

鄭麗寧

（福建省地質(zhì)測試研究中心，福建 福州 350002）

膨潤土無機凝膠在牙膏中的應(yīng)用

鄭麗寧

（福建省地質(zhì)測試研究中心，福建 福州 350002）

通過膨潤土無機凝膠在牙膏中的應(yīng)用研究，確定了膨潤土無機凝膠與羧甲基纖維素鈉的最佳質(zhì)量復(fù)配比例；探索了生產(chǎn)中所應(yīng)采取的制膏工藝，并對工藝原理進行了分析；最后與其他產(chǎn)品進行了對比試驗，分析了膨潤土無機凝膠在牙膏應(yīng)用中的優(yōu)勢。

膨潤土無機凝膠；復(fù)配比例；工藝原理；應(yīng)用

1 前言

粘合劑在牙膏中主要起增稠、懸浮磨擦劑、拋光顆粒和預(yù)防牙膏中固液組分分離等作用，其性能優(yōu)劣直接影響到牙膏的穩(wěn)定性[1]。目前，牙膏中使用較多的為有機粘合劑如羧甲基纖維素鈉(CMC)等，但其本身對濕度有一定的敏感性和生物降解性，對人體皮膚有刺激作用，有機粘合劑日用化學(xué)品的使用對環(huán)境也會造成污染[2]。

我國從上世紀(jì)80年代后期開始探索用鈉化膨潤土作為礦物無機凝膠代替有機粘合劑，但因其成膠性能不佳未能被推廣應(yīng)用[2]。筆者通過對膨潤土無機凝膠制備工藝的改進，制備得到的凝膠性能大大提高，在牙膏中的應(yīng)用方面取得了滿意的結(jié)果。

2 試驗部分

2.1 原料的制備

試驗所用膨潤土采自山東濰坊膨潤土礦。原礦采用自然沉降法進行提純，提純得到的礦漿經(jīng)烘干、磨礦，放置備用。試驗中所選用的鈉化劑為氟化鈉，增稠劑為聚丙烯酸鈉(PAAS)和CMC的復(fù)配物。

膨潤土無機凝膠制備工藝流程圖見圖1。

2.2 儀器與試劑

儀器：GFJ-0.4高速分散機、DL-5型低速大容量離心機、DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、XZM-100型振動磨樣機、JY2002型電子天平、MA235梅特勒離子計、Brookfield粘度計、PNV-1捏合機。

圖1 無機凝膠制備工藝流程

試劑：氟化鈉、聚丙烯酸鈉、羧甲基纖維素鈉、糖精鈉、安息香酸鈉、二氧化硅、山梨醇、丙二醇、十二醇、重鈣、特效薄荷香料。以上各試劑均為牙膏級。

3 結(jié)果與討論

3.1 膨潤土無機凝膠用量試驗

試驗采用膨潤土無機凝膠和CMC兩種粘合劑，設(shè)計多種質(zhì)量復(fù)配配方。在確定用量后，按表1所示配方制備膠水液，用粘度計測其粘度，通過粘度的大小確定二者的最佳質(zhì)量復(fù)配比。膠水液粘度測定條件：室溫26℃、6號轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速20r/min。

膨潤土無機凝膠與CMC的復(fù)配比與膠水液粘度測試結(jié)果詳見表2。

由表2可見，當(dāng)固定膨潤土無機凝膠及CMC所占質(zhì)量總比例1%不變的情況下，二者質(zhì)量最佳復(fù)配比為2∶8，但其膠水液粘度低于二者質(zhì)量復(fù)配比為0∶10的膠水液粘度。在保證成本不增加的條件下，為提高二者復(fù)配的膠水液粘度，保持上述CMC質(zhì)量0.8%不變，繼續(xù)增加膨潤土無機凝膠的用量，當(dāng)二者所占質(zhì)量總比例為1.1%，質(zhì)量復(fù)配比為3∶8時，膨潤土無機凝膠和CMC可發(fā)揮最佳的協(xié)同增稠效應(yīng)，表現(xiàn)出較高的膠水液粘度。

表1 牙膏制備配方

表2 膨潤土無機凝膠與CMC復(fù)配膠水液粘度

3.2 含膨潤土無機凝膠牙膏生產(chǎn)工藝試驗

試驗設(shè)定膨潤土無機凝膠與CMC的質(zhì)量復(fù)配比為3∶8，設(shè)計兩組工藝條件試驗，按表1所示配方進行制膏試驗。膏粘度測定條件：室溫26℃、7號轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速20r/min。

3.2.1 制膏工藝條件試驗

(1) 將膨潤土無機凝膠在去離子水中預(yù)分散，將糖精鈉、安息香酸鈉、二氧化硅加入到膨潤土無機凝膠的預(yù)分散液中，攪拌均勻；將CMC在丙二醇中預(yù)分散，將山梨醇加入到CMC預(yù)分散液中，攪拌均勻；最后將二者混合并攪拌均勻，待完全溶脹至均勻膠水液后加入粉料進行制膏試驗。

(2) 將膨潤土無機凝膠和CMC在丙二醇中預(yù)分散，將山梨醇、糖精鈉、安息香酸鈉、二氧化硅加入到膨潤土無機凝膠-CMC預(yù)分散液中并攪拌均勻，待完全溶脹至均勻膠水液后加入粉料進行制膏試驗。

兩組工藝條件的試驗結(jié)果見表3。

表3 不同工藝條件下膠水液及膏的粘度

由表3可見第一組工藝條件下膠水液及膏的粘度較大，因此確定第一組為制膏工藝條件，其制膏工藝流程見圖2。

圖2 牙膏生產(chǎn)工藝流程

3.2.2 工藝原理

從工藝可以看出，欲使膨潤土無機凝膠和CMC達到最佳的協(xié)同增稠效應(yīng)，應(yīng)先將膨潤土無機凝膠在去離子水中預(yù)分散，繼而再與其他組分混合，這可以從膨潤土無機凝膠的微觀分子結(jié)構(gòu)解釋。

膨潤土無機凝膠分散在水中時，易分散成層面帶負(fù)電荷的微粒薄片，這些薄片和因斷鍵產(chǎn)生的正電荷端面因靜電吸引在水中以端—面結(jié)合，形成包含著大量水分子的“卡房式”網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使水不能自由流動，表現(xiàn)出自身的增稠作用；但這種立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，一經(jīng)如攪拌等外力作用，立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就遭到破壞，其間的水分子又可以自由地流動，使其表現(xiàn)出自身特有的高觸變性；膨潤土無機凝膠又是低分子量的無機物，即使很強的剪切力也無法破壞其分子結(jié)構(gòu)，因此它又具有在高剪切作用下保持穩(wěn)定的特性。

對于膨潤土無機凝膠和CMC的協(xié)同增稠作用，可以這樣理解：膨潤土無機凝膠在去離子水中預(yù)分散后，形成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)其與CMC的預(yù)分散液混合后，一方面水分子通過與CMC分子鏈上的羧甲基團作用滲透進入CMC，使其開始溶脹；另一方面，羧甲基團與水分子的作用也使其自身成為帶負(fù)電荷的基團-COCH2COO-·H2O，這使得CMC分子鏈在膨潤土無機凝膠層間及端面電荷作用下，邊溶脹邊進入膨潤土無機凝膠的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。這樣，鏈狀的CMC大分子則環(huán)繞曲折于膨潤土無機凝膠的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間，使二者之間的相對位置趨于穩(wěn)定，相輔相成，發(fā)揮最佳的協(xié)同增稠作用。

3.3 對比試驗

樣品與CMC的質(zhì)量復(fù)配比為3∶8，按工藝(1)進行制膏，其性能與其他樣品的對比結(jié)果見表4。

表4 膨潤土無機凝膠與其他樣品的對比試驗結(jié)果

由表4可以得到以下結(jié)論：

(1) 濰坊膨潤土無機凝膠與CMC的復(fù)配效果要優(yōu)于單獨使用CMC，這在2周后的膏粘度上更好的表現(xiàn)出來。主要是因為在制膏過程中，捏合機強烈的機械攪拌作用使原來在膠水液中形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到破壞，因此二者的協(xié)同作用在膏即時粘度上沒有充分表現(xiàn)出來；膏體制成后，膨潤土無機凝膠與CMC開始對遭到破壞的結(jié)構(gòu)進行修復(fù)，這個過程大約需要2～4周的時間[3]，表現(xiàn)為膏體粘度的逐漸增加。

(2) 濰坊膨潤土無機凝膠與CMC的復(fù)配效果明顯優(yōu)于淮坊鈉基土，這主要是因為前者在鈉基土的基礎(chǔ)上添加了水溶性聚電解質(zhì)增稠劑PAAS和CMC。這里，PAAS是主增稠劑，CMC是膠體穩(wěn)定劑和助增稠劑，兩者復(fù)配，既可達到協(xié)同增稠和穩(wěn)定膠體的作用，與配方中粘合劑CMC與保濕劑山梨醇等也具有很好的相容性。

(3) 濰坊膨潤土無機凝膠、懷俄明鈉基土與CMC的復(fù)配效果分別優(yōu)于萊西膨潤土無機凝膠、濰坊鈉基土，這與各樣品原礦層電荷高低有關(guān)。三者原礦層電荷由低到高為：懷俄明膨潤土＜濰坊膨潤土＜萊西膨潤土。膨潤土層電荷越低，在水介質(zhì)中越容易分散形成“卡方式”結(jié)構(gòu)，與CMC的復(fù)配效果越好。

(4) 濰坊膨潤土無機凝膠與CMC的復(fù)配效果可與SM相媲美，但較laponite效果差。但laponite價格高，市場售價在15萬/t，濰坊膨潤土無機凝膠的售價約為0.7萬/t，在保證復(fù)配效果的條件下，使用膨潤土無機凝膠，可大大節(jié)約成本。

3.4 膨潤土無機凝膠在牙膏中應(yīng)用的優(yōu)點

(1) 與CMC復(fù)配使用，可減少相應(yīng)有機膠的用量，使產(chǎn)品成本降低。

(2) 可減輕有機膠對人體皮膚的刺激，減少有機膠日用化學(xué)品使用造成的環(huán)境污染，具其他有機膠所不具備的保健作用。

(3) 與CMC復(fù)配使用，可減輕酸效應(yīng)和鹽效應(yīng)對CMC性能的影響。

4 結(jié)論

綜上所述，膨潤土無機凝膠是一種值得推薦的牙膏用粘合劑，具有成本低、刺激污染小、性能穩(wěn)定等特點。它在牙膏中的應(yīng)用工藝為：①將膨潤土無機凝膠在去離子水中預(yù)分散，將水溶性添加劑加入到膨潤土無機凝膠的預(yù)分散液中，攪拌均勻；②將CMC在丙二醇中預(yù)分散，將山梨醇加入到CMC預(yù)分散液中，攪拌均勻；③將二者混合并攪拌均勻，待完全溶脹至均勻膠水液后加入粉料進行制膏試驗。這樣，二者才能發(fā)揮最佳的協(xié)同增稠效應(yīng)。

[1]沈海燕.牙膏中的粘合劑和磨擦劑概述[J].牙膏工業(yè),1996(1):32-33.

[2]馮臻.礦物無機凝膠的微波合成及其在牙膏中的應(yīng)用[J].非金屬礦,2006,29(5):21-24.

[3]范云飛.水中CMC大分子形態(tài)特性與其在牙膏生產(chǎn)中的運用和控制[J].牙膏工業(yè),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