高固含量液體石蠟納米乳液的制備及穩(wěn)定性

王 柯，閆 巧，馬瑞花，張紫欣，程振鋒

湖北文理學院食品科學技術學院與化學工程學院，湖北襄陽441000

液體石蠟是一種由C10～C18 正構烷烴、環(huán)烷烴等組成的石油煉制產(chǎn)品，具有穩(wěn)定性高、黏度低、價格低廉且易乳化的優(yōu)點，普遍應用在藥劑、染色劑、上光劑等產(chǎn)品中［1-4］，但液體石蠟在使用過程中存在成膜不均、覆蓋性差的問題，極大地影響了它的推廣與使用，所以提高液體石蠟的覆蓋性和成膜均勻性對擴大其應用領域具有十分重要的意義。

液體石蠟乳液是以液體石蠟為原料，借助乳化劑的乳化作用將液體石蠟分散在水中形成的乳狀液，具有覆蓋性好、成膜均勻、使用方便、安全高效的優(yōu)點，可以使液體石蠟的應用擴大到環(huán)保、儲能等領域［5-6］。段月英等［7］以液體石蠟為原料，采用復合乳化劑單甘酯、吐溫-80，在乳化時間50 min、乳化溫度85 ℃、攪拌轉速1 100 r/min 的條件下制備了穩(wěn)定性好、分散性為二級、密度符合醫(yī)用造影要求的液體石蠟乳液，但乳化水用量高造成液體石蠟乳液的生產(chǎn)效率低、能耗高。史同瑞等［8］以液體石蠟為原料，采用復合乳化劑吐溫-80、司潘-80 和丙二醇制備了固含量高、穩(wěn)定性良好的液體石蠟乳液，但乳液粒徑大限制了它的應用，乳化劑組分多又導致其生產(chǎn)工藝復雜。因此，采用較少乳化劑組分制備固含量高、流動性好且粒徑小的液體石蠟乳液對生產(chǎn)效率的提高、能量消耗的降低、工藝流程的簡化及應用領域的擴大具有顯著的促進作用。同時，高固含量液體石蠟納米乳液的制備可豐富其品種，以彌補高固含量固體石蠟納米乳液熔點范圍窄的不足［9］，然而有關研究工作鮮見報道。

本文擬以液體石蠟為原料，采用復合乳化劑吐溫-60 和司潘-60 制備高固含量液體石蠟納米乳液，并利用單因素法考察其配方組成、乳化時間、乳化溫度和攪拌轉速對乳液性能的影響，以確定最佳配方組成和制備條件，同時研究其穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 主要原料

液體石蠟（化學純），西隴化工股份有限公司；硬脂酸（分析純），天津市致遠化學試劑有限公司；烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10，化學純），天津市福晨化學試劑廠；吐溫-60、司潘-60、吐溫-80、司潘-80均為工業(yè)級，廣東潤華化工有限公司。

1.2 主要設備及儀器

PHS-3E 型pH 計，上海雷磁儀器有限公司；85-2A 型恒溫磁力攪拌器、ZNHW 型智能恒溫電熱套，鞏義市予華儀器有限責任公司；FA 2004 型電子天平，上海舜宇恒平科學儀器公司；Master?size-3000 型激光粒度儀，英國馬爾文儀器有限公司；CSY-1型固含量測定儀，深圳市分析儀器制造有限公司；NDJ-1型旋轉黏度計，上海恒平科學儀器有限公司。

1.3 高固含量液體石蠟納米乳液的制備

先分別稱取一定量的液體石蠟、司潘-60 加入250 mL 三口燒瓶中，并在電熱套中加熱至指定溫度，制備油相；接著定量稱取吐溫-60 加入盛有去離子水的100 mL 燒杯中進行溶解，并放置于另一電熱套中加熱至指定溫度，制備水相；最后取出三口燒瓶放置在磁力攪拌器上邊攪拌邊加入水相，持續(xù)攪拌一定時間即可制得高固含量液體石蠟乳液。若乳液粒徑為50～500 nm，則制得高固含量液體石蠟納米乳液。

1.4 高固含量液體石蠟納米乳液的性能確定

1）將乳液移入玻璃管中在室溫（20～25 ℃）下放置30 d，觀察穩(wěn)定性。

2）將2～3 滴納米乳液滴入去離子水中，參考農(nóng)乳分散等級標準考察分散性，一級最好，五級最差［10］。

3）采用激光粒度儀測定乳液粒子的累積粒度分布，其百分數(shù)分別為10%、50%和90%時的粒徑D10、D50和D90，D50為平均粒徑，D90-D10反映乳液粒徑集中程度的大小［11］。

4）采用旋轉黏度計測定黏度。

5）采用固含量測定儀測定固含量。

6）混合的非離子表面活性劑的HLB 值可按其組成的各乳化劑的HLB 值和質量分數(shù)進行計算［12］。

2 結果與討論

2.1 最佳配方組成的確定

2.1.1 乳化劑的選擇

乳化劑能夠顯著降低油水兩相界面的表面張力，是制備高固含量液體石蠟乳液的關鍵組分。為了確定乳化劑組成，在乳化時間為6 min、乳化溫度為103 ℃、攪拌轉速為1 400 r/min 的條件下選擇常用乳化劑對液體石蠟進行乳化，結果如表1 所示。由表1 可知：單一乳化劑吐溫-80 或OP-10 乳化液體石蠟的效果差，制得的乳液穩(wěn)定性低、分散性差；而復合乳化劑吐溫-60 和司潘-60的乳化效果好，制得的乳液穩(wěn)定性高，分散性為一級，且乳化劑組成簡單，所以選擇復合乳化劑吐溫-60、司潘-60。

表1 常見乳化劑的乳化效果

2.1.2 司潘-60與吐溫-60質量比的確定

高固含量液體石蠟乳液的固含量一般高于50%［13］，考慮到乳液必須具有較好的流動性，所以乳化水用量選為乳液質量的50%。同時，乳化劑用量為液體石蠟質量的20.0%～30.0%［14］，考慮到乳液黏度和生產(chǎn)成本，乳化劑用量選為液體石蠟質量的20.0%，所以乳化水、液體石蠟和乳化劑的質量比為6∶5∶1。為了確定司潘-60與吐溫-60的最佳質量比，在高固含量液體石蠟乳液的質量為60 g、乳化水、液體石蠟和乳化劑的質量比為6∶5∶1、乳化時間為6 min、乳化溫度為103 ℃、攪拌轉速為1 400 r/min 的條件下，制備司潘-60 與吐溫-60質量比不同的乳液，并測定它的性能，結果如表2所示。

表2 司潘-60與吐溫-60質量比對高固含量液體石蠟乳液性能的影響

由表2 可知：當司潘-60 與吐溫-60 的質量比不大于4∶6 時，隨著質量比的逐漸增大，復合乳化劑的HLB 值逐漸減小并接近液體石蠟乳化所需的HLB 值（10.0）［15］，乳化劑分子的親油基與液體石蠟結構間的親和性增強，D50由質量比為2∶8 時的5.330 μm 減至0.283 μm，最小值出現(xiàn)在質量比為4∶6 時；當質量比大于4∶6 時，隨著質量比的增大，質量比為5∶5 和6∶4 時的復合乳化劑的HLB值偏離10.0，D50增至199.000 μm。因此，司潘-60與吐溫-60 的最佳質量比為4∶6，此時D50較小，乳液粒徑分布較集中，分散性為一級。

2.1.3 乳化劑用量的確定

為了確定乳化劑的最佳用量，在高固含量液體石蠟乳液的質量為60 g、乳化水為乳液質量的50.0%、司潘-60 與吐溫-60 的質量比為4∶6、乳化時間為6 min、乳化溫度為103 ℃、攪拌轉速為1 400 r/min 的條件下制備液體石蠟與乳化劑質量比不同的乳液，并測定它的性能，結果如表3所示。

表3 液體石蠟與乳化劑質量比對高固含量液體石蠟乳液性能的影響

由表3 可知：當液體石蠟與乳化劑的質量比不小于25∶5 時，隨著質量比的逐漸減小，乳化劑用量逐漸增多，乳化效果增強，D50由27∶3 時的46.600 μm 減至25∶5 時的0.269 μm，最小值出現(xiàn)在25∶5 時；當質量比小于25∶5 時，隨著質量比的逐漸減小，乳液黏度增大，乳化效果減弱，D50增至88.500 μm。因此，液體石蠟與乳化劑的最佳質量比為25∶5，此時乳液的穩(wěn)定性高，D90-D10最小，乳液粒徑分布最集中，分散性為一級。綜上可知，高固含量液體石蠟納米乳液中液體石蠟、司潘-60、吐溫-60 和乳化水的最佳質量比為25∶2.0∶3.0∶30。

2.2 乳化條件的優(yōu)化

2.2.1 乳化時間的確定

為了確定最佳乳化時間，在高固含量液體石蠟納米乳液的質量為60 g，液體石蠟、司潘-60、吐溫-60 和乳化水的質量比為25∶2.0∶3.0∶30，乳化溫度為103 ℃，攪拌轉速為1 400 r/min 的條件下制備乳化時間不同的乳液，并測定它的性能，結果如圖1 所示。由圖1 可知：當乳化時間不超過6 min 時，隨著乳化時間的逐漸延長，液體石蠟在外力作用下被乳化得越來越充分，D50由3 min 時的0.349 μm 減至6 min 時的0.269 μm；當乳化時間大于6 min 時，隨著乳化時間的增長，已被乳化并分散開的乳液粒子在外力的作用下又聚集在一起，D50增至0.302 μm。因此，乳化時間選為6 min，此時D90-D10最小，乳液粒徑分布最集中。

圖1 乳化時間對高固含量液體石蠟納米乳液性能的影響

2.2.2 乳化溫度的確定

為了確定最佳乳化溫度，在高固含量液體石蠟納米乳液的質量為60 g，液體石蠟、司潘-60、吐溫-60 和乳化水的質量比為25∶2.0∶3.0∶30，乳化時間為6 min，攪拌轉速為1 400 r/min 的條件下制備乳化溫度不同的乳液，并測定它的性能，結果如圖2所示。

圖2 乳化溫度對高固含量液體石蠟納米乳液性能的影響

由圖2 可知：隨著乳化溫度的升高，D50先由93 ℃時的1.030 μm 緩慢減至0.269 μm，后又增至0.317 μm，最小值出現(xiàn)在103 ℃。因此，最佳乳化溫度為103 ℃，此時D90-D10較小，乳液粒徑分布較集中。

2.2.3 攪拌轉速的確定

為了確定最佳攪拌轉速，在高固含量液體石蠟納米乳液的質量為60 g，液體石蠟、司潘-60、吐溫-60 和乳化水的質量比為25∶2.0∶3.0∶30，乳化時間為6 min，乳化溫度為103 ℃的條件下制備攪拌轉速不同的乳液，并測定它的性能，結果如圖3所示。

由圖3 可知：當攪拌轉速不高于1 200 r/min時，隨著攪拌轉速的逐漸升高，機械剪切力和物料混合作用顯著增強，液體石蠟不斷被擊碎并受到乳化劑的充分乳化，D50由1 000 r/min 時的0.330 μm 緩慢減至0.261 μm；當攪拌轉速高于1 200 r/min 時，D50增至0.269 μm，最小值出現(xiàn)在1 200 r/min。因此，最佳攪拌轉速為1 200 r/min，此時D90-D10較小，乳液粒徑分布較集中。

圖3 攪拌轉速對高固含量液體石蠟納米乳液性能的影響

2.3 高固含量液體石蠟納米乳液的儲存穩(wěn)定性

將高固含量液體石蠟納米乳液分別置于5、45 ℃條件下儲存30 d，考察其儲存穩(wěn)定性［15］，結果如圖4 所示。由圖4 可知：乳液未出現(xiàn)分層，且流動性好，說明儲存穩(wěn)定性高。

圖4 高固含量液體石蠟納米乳液的儲存穩(wěn)定性

2.4 高固含量液體石蠟納米乳液的性能

以液體石蠟為原料，采用復合乳化劑吐溫-60、司潘-60 制備了高固含量液體石蠟納米乳液，并測定了它的性能，結果如表4所示。

表4 高固含量液體石蠟納米乳液的性能

由表4 可知：實驗制得的高固含量液體石蠟納米乳液的流動性好、分散性強、穩(wěn)定性高。與普通液體石蠟乳液相比［6，16］，其固含量更高，平均粒徑更小。

3 結論

1）以液體石蠟為原料，采用復合乳化劑吐溫-60、司潘-60 制備了高固含量液體石蠟納米乳液。確定了液體石蠟、司潘-60、吐溫-60 和乳化水的最佳質量比為25∶2.0∶3.0∶30，得到了最佳制備條件：乳化時間6 min，乳化溫度103 ℃，攪拌轉速1 200 r/min。

2）高固含量液體石蠟納米乳液的固含量為51.13%，平均粒徑為0.261 μm，黏度為160 mPa·s，分散性為一級。

3）將高固含量液體石蠟納米乳液分別于5、45 ℃的條件下儲存30 d 未出現(xiàn)分層，表明其穩(wěn)定性高。