肥皂結構對配方以及使用性能的意義

諾曼 . 霍爾上海制皂有限公司 馬德雄 譯，劉偉毅 編校

肥皂結構對配方以及使用性能的意義

諾曼 . 霍爾
上海制皂有限公司 馬德雄 譯，劉偉毅 編校

（上接第8期第77頁）

9 . 結構和糊狀性質對開裂的影響

9.1 控制配方

應該盡可能控制平行于擠出方向形成的皂的結構弱點。固有的擠出肥皂制造的方式導致這種缺點的形成。但是，下面兩點可減少弱點：

· 低電解質和甘油配方，以提高粘合性。

· 適當可塑性的配方。

很難確定或量化可塑性，但可以認為是使在特定裝備上制造出的產品最小限度發生開裂。

9.2 相位優化工藝可以減少開裂

有兩個相優化目標：

(1) 最大限度地提高普通肥皂中從 κ 相到 ξ 相的再結晶（游離脂肪酸含量不高）。這也意味著從κ相中將月桂酸轉移到液相中，從而生成一個含有更多油酸鈉：月桂酸鈉混合物的液相，結果是較少的水滲透，較少的液相膨脹，和更少的糊狀物。

(2) 一般來說，這意味著在45～47℃時加工普通肥皂，以提高月桂酸酯在液相的溶解度。有必要調節油脂混合物，以允許在此溫度也得到良好的出條光潔度和生產效率。

類似地，在游離脂肪酸含量高的肥皂中最大限度地實現由 κ 相到 δ 相的再結晶，也將得到一個含更多油酸鈉：月桂酸鈉混合物、更少水滲入以及更少糊狀物的液相。

然而，這種含有大量游離脂肪酸的肥皂必須在35～37℃進行處理，當然低于40℃。在較高溫度下，游離脂肪酸溶解在液相中充當極好的親脂性溶劑，也

能溶解一些棕櫚酸鈉和硬脂酸鈉。當這種肥皂冷卻，液相中含有的月桂酸鈉與棕櫚酸鈉和硬脂酸鈉共結晶以改善κ相。這導致液相含有更大過量的油酸鈉皂。油酸鈉可溶性比油酸鈉：月桂酸鈉共晶混合物低得多，必須在其溶解前將更多的水分吸附掉。這意味著隨著水分滲入，肥皂將膨脹更大、產生更多糊狀物、肥皂干燥時產生更多應力，可能導致更多開裂。

9.3 工藝有助于肥皂流動和方向影響

9.3.1 肥皂流動

成型的肥皂塊（片）通常是由一個矩形模塊壓制成型或從壓條機的兩個帶有形狀的表面之間（沖壓模具）快速擠壓生產出來的（見圖1）。

肥皂在模具中改變形狀過程中不斷流動。模具中的壓力和肥皂流動可以幫助消除一些由壓條機引入的結構弱點，但除非子彈形狀和最終條形兩者都是適當設計的，否則可能引入新的潛在弱點，從而導致開裂。最簡單的情況，尤其是對于無條皂塊，這意味著將肥皂在模具中的流動性最大化，所以方形或圓形皂段最適宜生產長條形肥皂。

通常應該注意的是開裂更頻繁地發生在成品皂塊表面的一側。下面將說明如何出現這樣的情況，以及如何最大限度地減少這一問題。

9.3.2 擠壓的方向影響

通常肥皂開裂，尤其是主要在肥皂的一個面發生開裂，可以通過適當地選擇擠壓噴嘴板和壓皂機切割皂條的方向來顯著減少。

此前，在7.5節中，解釋了皂條通過一個矩形孔板（模具板/孔板）擠出時，其結構線是如何產生的。

肥皂流線（用酒精浸漬法可以看到潛在的結構弱點線）的圖案呈現在皂塊的兩側（見圖2）。

現在考慮當兩個皂條由同一個孔板上的兩個矩形孔并排近距離擠出時的情況。這是一種常見的制造方法。

肥皂流線的圖案并不規律。在皂條外部表面（X）比內部表面（Y）有更多的流線以及更多的規則性流線。這意味著皂條外部表面與內部表面之間有著很大的結構差異（見圖3）。

現在，我們考慮孔板上兩個矩形孔距離較遠的情況，理想情況是最少45mm。這樣的話，肥皂流線在皂條的內部表面（Y）和外部表面（X）分布都很多。雖然X面和Y面的流線圖案不完全一樣，但孔板上距離分開的兩個孔使每一個皂條都具有如同從一個單一矩形孔中擠壓出來的皂條一樣的結構（見圖4）。

通過酒精浸泡程序顯示出垂直于皂條和模壓皂

塊擠壓方向的橫切面的流線圖案，可以再次很好地解釋皂條內表面和外表面不規則流線引起的肥皂開裂。

從單個開孔孔板中擠出的方形皂條有統一的應力線。當從另外一面進行模壓時，皂塊上也會出現統一的應力線圖案，外部的流線順著皂條的邊緣，尤其是皂塊的邊緣分布。

請記住，通過兩個距離接近的孔生產的皂條外部表面比內部表面具有更多的流線分布。這在長方形或圓形皂條的截面圖上可以很清楚地看到（見圖5）。

請注意，之前的觀察（水平通過圓錐體底部并出條）表明兩個皂條之間有或多或少的不規則流線，現在我們可以清晰地看到，流線是垂直于皂條表面而不是與表面平行（見圖6）。

如果在大點的皂條中部垂直切割，實際上與孔板上距離很近的孔所生產的皂塊一樣，所產生的影響非常類似。

9.3.3 在模壓成形過程中方向的影響

不對稱的皂條可以現在有兩種方式進行模壓：皂條的內表面與模具表面接觸（見圖7）。

皂條的內表面與模具邊緣接觸（見圖8）。

與最終的皂塊結構一起來觀察（見圖9）。

顯然，當皂塊最終表面來源于皂條的內表面，該皂塊也就保留了皂條的較差的結構。較差的皂塊結構使肥皂更易吸水、易糊爛、易開裂。重要的是，開裂主要發生在皂塊的一面。

通常情況下，這類皂塊中有15%在家庭使用測試中開裂。大多數開裂只發生在皂塊的一個表面。

當皂條經過模壓，內表面最終變為皂塊的外部邊緣，流線圖案在皂塊表面會變得非常均勻，隨著肥皂從沖壓模具中快速擠出，皂條內表面的不規則性很大程度上被去除掉了。

通常，這種皂塊只有4%在家庭使用測試中開裂。在皂塊的任何一個表面所發生的開裂程度都差不多。

肥皂頭或“突起線”開裂有可能略有增加，但消費者不會對這種開裂過于在意（見圖10）。

因此，最佳的實際可操作性解決方案如下：

· 理想情況下，只采用單個接近方形開孔的孔板擠出肥皂。

· 如果必須采用雙開孔孔板，則孔間距越大越好，推薦間距至少45mm。

· 如果必須采用雙開孔孔板，則當皂條進行模壓時，確保皂條的內表面與模具邊緣接觸。

10 . 配方對開裂的影響

10.1 一般說明

開裂的前兆如下：

· 水分滲透

· 糊狀物形成和膨脹

· 糊狀物干燥和收縮

這些因素將導致應力作用于內在弱點的任何結構上，例如晶體的排列。影響這些前兆的任何因素也將影響開裂。

10.2 在混合物中加入物質的特別說明

如果因為沒有很好混合而帶來肥皂結構不均勻，將導致水分以不同的速度滲入皂條的不同部分，并導致糊化程度、糊化物干燥、收縮和應力方面的不同，這些不同的影響將導致開裂增加。

尤其是，因為工藝路線是要在堿性皂粒干燥后，將高含量的可溶性或脂肪類組分混合， 因此得

到的肥皂可能是不均勻的。最簡單的情況是，建議向螺條混合器里的皂粒中添加的水不超過1%；同樣，添加大量的香精（＞1.5%）或脂肪酸將使皂粒變得非常滑溜，很難混合成完全均勻的肥皂團。均勻混合是有可能的，但比較難而且花時間。

大量的親水添加物能夠極大地稀釋液晶相，使其轉變為粘度非常低的各向同性的溶液，在壓條機里它們更有可能被轉移到皂條的表面，增加開裂。

10.3 溫度的影響

溫度是物理條件，而不是配方特性，它的主要影響是改變固相和液相的相對組成（“配方”）。

通常，大多數肥皂在加工過程中提高溫度會降低開裂。然而，提高溫度也會增加糊爛。游離脂肪酸含量大于5%的多脂皂也是如此。

較高的溫度，開裂較少，是因為在更高的溫度下，更多的月桂酸鈉從固相溶解進入液相，形成非常可溶的油酸鈉：月桂酸鈉共混物。這導致液相體積的明顯增加。較多的液相和較少的固相反過來意味著肥皂更軟、更有可塑性（見5.1.1a節）。更軟、更有可塑性的皂條在壓條過程中不需要過多的壓力，也能將液相很好粘附在皂條表面。

另外，如果液相是富含油酸鈉：月桂酸鈉共混物，那么它將包含更多有序的、六角形的液晶。六角形的液晶是粘性的，所以在壓條機圓錐體里不容易被從固相中擠出并粘附在皂條的表面。

皂條上較少的液相使皂體與皂條之間的粘附更好，更少開裂。因為皂條上液相較少，糊化過程中皂條之間會吸收更少額外的水分（較少用來稀釋的電解質、甘油和肥皂），所以皂條間糊化較少且糊狀物干燥時應力較小。

10.4 肥皂與水的比例

研究有關水滲透等肥皂性能時，考慮肥皂與水的比率比水的百分含量或總脂肪物（TFM）的百分含量要好。這對于含有填充料或高含量的非皂組分的肥皂尤為重要。簡單起見，我們會考慮以肥皂和水為主要成分的產品。因此，較高的含水量意味著較低的總脂肪物含量。

適度增加含水量（高達3%以上的水）有一些相互牽制的影響，但在一般情況下，水含量越高意味著開裂越少：

較高的水含量 = 更多的液相 = 較軟的肥皂 = 更好的皂條粘附性 = 較少的開裂

然而，下面的等式也成立：

更多的液相 = 更多的水滲透 = 更多的膨脹 = 更多的糊狀物 = 更多的開裂

更多的水 = 較稀的液相（可能伴隨有液晶各向同性溶液的一些轉換）= 液相在壓條機里有更多機會潤濕皂條 = 更多的開裂

對于含水量達15%的肥皂來說，主導因素是液相量的增加導致肥皂的柔軟度增加，從而減少開裂。然而，重要的是，在肥皂干燥階段，額外的水必須鎖在肥皂中。如果在混合階段額外添加3%的水，那么將很可能稀釋液晶而形成各向同性的溶液。這導致混合較差，產生不均勻的肥皂，并且導致開裂顯著增加。

肥皂含水量為15%～20%時，由于有足夠的水存在，幾乎所有的月桂酸鈉都可以從固相轉移到液相中。然后，固相將從 κ 相再結晶而變為 ξ 相——排列整齊的小晶體。這樣，液相就含有大量油酸鈉：月桂酸鈉共混物，并且具有粘性液晶結構。其結果是，水含量大于15%的肥皂經過混合研磨后變得質地堅韌（且半透明）。

對較硬的肥皂來說，要使液相粘附在皂條之間會顯著增加壓條機中的壓力，從而導致皂條間粘合較差，更容易開裂。粘附在皂條表面的液相越多，其糊

化過程中在該區域吸收的水分就越多，膨脹越大，當糊狀物干燥時肥皂結構上的應力越大，就會引起更多開裂。

請注意，雖然在正常濕度水平（12%）以上時，糊狀物會隨著含水量增加而增加，但如果濕度水平更高，達到20%及以上，如果有足夠的混合和研磨工藝，糊狀物將減少。這也是洗衣皂比香皂使用時糊狀物少的原因。

如果濕度超過20%，水的滲透將繼續增加，但糊狀物將減少。這個說法并不矛盾，因為濕度超過20%時，κ 相和 ξ 相逐漸被 δ 相所替代。如果肥皂中含有長的、絲帶狀的 δ 相晶體，那么在糊爛過程中，這些晶體不會鎖住滲入的水分，也就意味著與只含有 κ 相和/或 ξ 相的肥皂相比，含 δ 相晶體的肥皂膨脹較少。較少的膨脹可以抵消糊爛過程中滲入/溶解損失的不斷增加，從而整體減少糊狀物及減少開裂。

10.5 改變非月桂酸油的滴定度（碘值）

滴定度增加（接近熔點），意味著碘值降低，即油的不飽和度低。

同樣，這里也有些相互牽制的影響，在一般情況下，較高的碘值 /較低的滴定度對應于較少的開裂。增加碘值意味著油混合物中有更多的油酸鈉和（通常）更多的亞油酸鈉。這些皂是水溶性的，特別是亞油酸鈉，有的會溶解在水中作為液相。碘值的增加會導致液相量的增加，從而導致肥皂更軟、皂條粘合性更好，因而更少開裂。

堅果油含量一定時（一定的月桂酸鈉），有一個小的相反的影響，因為大量的不飽和皂，特別是油酸鈉，分布于固相和液相之間，比油酸鈉：月桂酸鈉共混物溶解度低。這意味著需要吸收更多的水分來溶解多余的油酸鈉，也就意味著更多的膨脹、更多的糊狀物、糊狀物干燥時產生更多的應力，因而更容易開裂。然而，這比增加液相的量對開裂的影響小得多。

10.6 在肥皂混合物中增加堅果油

這里也有些相互牽制的影響，但一般情況下，增加堅果油意味著更少的開裂。更多堅果油（混合物中含量高達40%）意味著月桂酸鈉有更多機會進入液相，產生更多油酸鈉：月桂酸鈉共混物、更多的液相、更軟的肥皂、更好的皂條粘合、更少的開裂。另外，肥皂中更多的油酸鈉：月桂酸鈉共混物意味著水分吸收更少、更少膨脹、更少糊爛、糊狀物干燥時應力更小、更少開裂。

另一方面，更多的堅果油可能會導致肥皂中有更多的殘留電解質，因而在溶液相中也有更多電解質，在壓條機中就可能遷移到皂條表面，導致皂條粘合性變差，更易開裂。實際上，除非電解質含量高于標準很多，否則這影響很小。

10.7 增加甘油

一般情況下，甘油含量增加導致糊狀物增加，更易開裂。然而，影響比想象要小，同樣數量的水導致的糊狀物增加遠高于此。

甘油含量高的情況下，可能由于位于液相中的甘油取代了部分肥皂，導致整體液相量較少。相對于所取代的肥皂，甘油在與水接觸過程中更易溶解，因此所吸收的水分較少、膨脹較少、糊爛較少、開裂較少。

另外，液相中較少的肥皂意味著較少的液相，因此高含量的甘油對肥皂有硬化作用。較硬的皂需混合研磨的時間增加，月桂酸鈉因而將轉移到液相中，形成可溶性油酸鈉：月桂酸鈉共晶混合物，從而導致較少的吸水量，較少的膨脹、較少的糊爛、較少的開裂。

同樣，這影響比想象要小，但它仍然存在——相對于甘油含量低的肥皂，甘油含量高確實增加糊爛

及開裂。

10.8 香精的影響

這里也有些相互牽制的影響，但在一般情況下，增加香精意味著更少的開裂。香精主要駐留在液晶相，增加相體積以及肥皂的可塑性，從而導致皂條粘合更好，更少開裂。

重要的是，盡管不同香精的影響不同，更高含量的香精幾乎總是改變液晶相的結構，使其從粘性的六角形結構變為粘性更低的層狀相結構。

從理論上講，較低的粘度使液相更容易在壓條機壓力的作用下遷移到皂條表面，使皂條粘合性更差，更易開裂。這在實際中可能發生，但六角形到層狀結構的變化的軟化效應占優勢，因此，總體而言，更多香精意味著更少開裂。

10.9 游離脂肪酸（多脂）

多脂是指油脂混合物中至少含有5%的游離脂肪酸（有人說7.5%），以及至少30%的堅果油。這些含量影響肥皂的各種性能，特別是泡沫。對于開裂的問題，我們將考慮游離脂肪酸含量大于5%的肥皂。

這里有些相互牽制的影響，一般情況下，多脂會減少肥皂開裂。肥皂的液晶相是高度親油的，游離脂肪酸將位于該相中。這會增加液相的量，從而產生更軟的肥皂，更好的皂條粘合性、較少的開裂。此外，游離脂肪酸將使液晶相的結構發生改變，從粘性的六角形結構變為粘性較低的層狀結構。這將進一步使肥皂變軟并減少開裂。這些影響將超過低粘度層狀相的高流動性所帶來的影響，而后者將導致皂條粘合性降低。

另一方面，如果多脂皂在太高的溫度下進行加工，如大于35～37℃，那么液相將包含有限的月桂酸鈉皂。月桂酸鈉將被鎖在固體 κ 相中。當肥皂與水接觸時，大量的水被吸收，試圖溶解這些月桂酸鈉，一旦溶解，κ 相變為 δ 相，將水分鎖在皂塊表面。因此，將會產生更多的糊狀物，更易開裂。然而，肥皂的軟化效果可能會占優勢。

10.10 電解質的影響

更多的電解質導致更易開裂。主要影響是電解質會通過離子強度效應和共離子效應從液相中“鹽析”出肥皂，產生更少的液相量，更硬和可塑性更差的肥皂，以及較差的皂條粘合性，更易開裂。

此外，液相中含有更多的電解質，當其在壓條機壓力的影響下遷移到皂條的表面時，將更大幅度減少皂條間的粘合性，導致更易開裂。

10.11 整體組分的影響

組分間的影響總是相互牽制，即便一個組分發生變化。一個組分的變化可引入另一個組分，例如，增加堅果油幾乎總是引起電解質的增加。

概括而言，對開裂的影響因素如下：

主要影響來自于電解質，如果有游離脂肪酸存在的情況下，影響更多來自于溫度。

次要影響來自于堅果油含量、少量游離脂肪酸、高含量的甘油。

較小的影響來自于香精、油脂混合物的碘值和少量甘油。

下頁的示意圖是討論不同配方變化所帶來的影響等級的起點。其中所引用的指標僅代表作者本人的經驗，但要完善這一圖片還需要許多工作。

附錄

一種有助于觀察肥皂在壓條機中流動和晶體方向的技術是將充滿肥皂的螺桿從壓條機中取出，在肥皂表面畫上線條，標明其與壓條機筒壁接觸的位置。這些線應代表肥皂與筒壁剪切的位置。在充滿肥皂的螺桿上，這些線將垂直于螺桿的縱軸，指向如圖11所

示（假設從錐形底部看過去，螺桿逆時針轉動）。

圖12 近距離顯示了肥皂離開螺桿進入圓錐體處的剪切方向，強調肥皂流動方向的急劇變化。

當肥皂還帶有溫度并具有可塑性時，從螺桿上取下肥皂并將其展開呈一長條，可以看到，原本繪制的垂直于螺桿縱軸的線變成與肥皂條平行走向。

正如上文中所描述的，非對稱的肥皂結晶將會按圖中所標箭頭方向平行于剪切方向排列。在肥皂即將離開螺桿的點上，肥皂已經承受相當大的剪切力。

然而，肥皂進入圓錐體時，肥皂流動方向發生了急劇變化，表明進入圓錐體的肥皂晶體將有一個垂直于肥皂流動方向的縱軸。在圓錐體中，肥皂間的流動將使晶體重新排列，因此，這些晶體再次與肥皂流動方向平行（見圖13）。重新排列過程需要能量，這可能與被稱為“擠壓軟化”的現象有關。

（全文完）