膨潤土無機凝膠制備及其在牙膏中的應用

雷東升

（蘇州中材非金屬礦工業設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215011）

1 前言

膨潤土是由以蒙脫石為主要成分的含水鋁硅酸鹽類礦物所組成。蒙脫石是由兩層Si-O四面體中間夾一層Al-O(OH)八面體片組成的層片狀礦物，其層間充滿層間水和可交換性陽離子。將膨潤土經過鈉化提純、凝膠性能調節、凝膠干燥等工藝制備出膨潤土無機凝膠，其在水溶液中可形成非牛頓液體類型的觸變性凝膠。這種礦物無機凝膠對于懸浮液的穩定性具有重要影響，由于它在水溶液中高度分散，形成空間網狀結構，并使大量自由水轉變為束縛水，從而使其本身獲得較高的粘度。這種粘度與剪切速度變化關系密切，在高剪切力下，呈低粘滯性懸浮液；在低剪切力或靜止狀態下，又恢復到初始的均相塑性體狀態。工業上利用這種觸變體系，來控制日用化工膏體產品的流變性、觸變性、擴散性、粘滯性和稠度[1-2]。本文以遼寧建平優質膨潤土為原料，經過鈉化提純、凝膠性能調節、凝膠干燥等工藝制備出膨潤土無機凝膠，并將其在二氧化硅體系牙膏中進行了應用試驗。

2 原料

膨潤土原礦，取自遼寧省建平縣，屬火山巖型礦床，主要化學成分(%)為：SiO271.82；Fe2O31.35、Al2O313.99；CaO 1.54；MgO 2.75；K2O 0.68、Na2O 0.55；TiO20.09；LOI 6.84。主要物化性能見表1，X-射線衍射圖譜見圖1，并結合化學分析、物理性能分析可知，原礦中的主要礦物為蒙脫石、方石英、長石等，d (001)值15.466，此膨潤土為鈣基膨潤土。

表1 原礦的物理性能分析

3 膨潤土無機凝膠的制備

3.1 制備方法及工藝

經過對比試驗，膨潤土無機凝膠制備方法及工藝[3-5]如下。

(1) 制漿：稱取一定量的膨潤土原礦(-200目)，加水配成濃度為8%懸浮液。

圖1 原礦X-射線衍射圖譜

(2) 鈉化改性：加入鈉化劑，用量為膨潤土原礦的4%，充分攪拌，使礦粉在水中分散并鈉化改性30min。

(3) 離心分離提純：將經過鈉化改型的膨潤土礦漿采用離心機進行分離提純。

(4) 凝膠性能調節：將經過鈉化提純的膨潤土礦漿加入改性藥劑，加入量為干礦量的0.5%，陳化24h。

(5) 干燥：采用電熱鼓風干燥箱，干燥溫度控制在150℃左右。

(6) 磨粉：將干燥后的膨潤土無機凝膠磨細至200目左右備用。

3.2 性能檢測與分析

將高純改性膨潤土加水配成5%的懸浮體，在均勻器轉速為3 000轉/分，礦漿溫度為25℃的條件下，攪拌40min，靜置24h后測定凝膠的粘度為2 350mPa·s(粘度計為NDJ-8S型數顯粘度計)，觸變值8.5，該凝膠的流變性曲線見圖2，膨潤土無機凝膠的物理性能分析見表2。

圖2 膨潤土無機凝膠的流變性曲線(固含量5%)

表2 膨潤土無機凝膠的物理性能分析

由表2可知，該膨潤土無機凝膠重金屬含量為0.04mg/kg，達到日化行業原料對重金屬含量的要求。由圖2可以看出，該凝膠基本表現為塑性流型，蒙脫石顆粒在水分散液中搭成一個連續的網格狀結構，并使大量自由水轉變為束縛水，從而使其本身獲得較高的粘度，這種粘度與剪切速度變化的關系密切，在高剪切力下，呈低粘滯性懸浮液；在低剪切力或靜止狀態下，又恢復到初始的均相塑性體狀態，具有良好的觸變特性。

4 應用試驗

普通二氧化硅體系的牙膏流變性好，是標準的牛頓流體，表現在牙膏擠在牙刷上，由于重力的作用，停留一定時間后牙膏會自然下垂，從條狀變成片狀，影響外觀。知名品牌的牙膏，一般都使用一定的流變改進劑，使牙膏由牛頓流體變為塑性體，表現在，當人們稍微用力擠牙膏時，膏體具有良好的流動性，在去掉外力時，牙膏膏體像固體一樣保持原來形狀，不會因重力而變形，經過1～2h，仍保持條狀。目前，市場上一般采用羧甲基纖維素等有機物來改善二氧化硅體系牙膏，但價格較貴，效果不理想。

4.1 試驗內容與配方

本次應用試驗利用制備的膨潤土無機凝膠在水溶液中形成空間網狀結構的特點，膨潤土無機凝膠部分替代羧甲基纖維素等有機流變改進劑，進行牙膏感官、理化指標的檢測，考察該二氧化硅體系牙膏經過三個月高低溫測試和六個月室溫測試的穩定性，應用試驗配方見表3。

表3 牙膏應用試驗配方

試驗設備：VEM-5L真空制膏機。

試驗工藝：①將苯甲酸鈉，糖精，無機凝膠溶于水中，得水相備用；②將鈦白粉、漢生膠、二氧化硅、月桂醇硫酸鈉，羧甲基纖維素混合；③將山梨醇丙二醇抽入真空制膏機，再抽入水相，攪拌均勻，抽入混合好的粉，攪拌均勻，加入余下物料，混合均勻后出料。

4.2 結果與討論

以自制的膨潤土無機凝膠部分取代羧甲基纖維素等有機流變改進劑，采用表3的應用試驗配方制備出牙膏樣品，參照GB 8372-2008牙膏的標準對其感官指標、理化指標進行檢測，檢測結果見表4，兩種牙膏30min后的形狀見圖3(圖3a為不加無機凝膠，圖3b為添加無機凝膠)。

由表4可知，采用表3試驗配方制備出的牙膏感官指標、理化指標均達到GB 8372-2008牙膏的標準，三個月高低溫穩定性測試和六個月室溫穩定性測試，均通過標準要求。

表4 牙膏樣品檢測結果

圖3 兩種牙膏樣品30min后形狀對比圖

由圖3可以看出，沒有加入無機凝膠的牙膏，經過30min后，牙膏的形狀已經完全變形，不能保持形狀，影響外觀；加入無機凝膠的牙膏，經過30min后，牙膏的形狀保持很好，不變形。

5 結論

(1) 以遼寧鈣基膨潤土為原料，經過鈉化提純、凝膠性能調節、凝膠干燥等工藝后制備出膨潤土無機凝膠：粘度值2 350mPa·s、觸變值8.5，白度88，2%分散體不分層。

(2) 采用自制的膨潤土無機凝膠取代部分羧甲基纖維素等有機流變改進劑，運用表3試驗配方制備出的牙膏感官指標、理化指標均達到GB 8372-2008牙膏的標準，三個月高低溫穩定性測試和六個月室溫穩定性測試，均通過標準要求。

(3) 沒有加入無機凝膠的牙膏，經過30min后，牙膏的形狀已經完全變形，不能保持形狀，影響外觀；加入無機凝膠的牙膏，經過30min后，牙膏的形狀保持很好，不變形。