王憲偉

(金三江(肇慶)硅材料股份有限公司,廣東 肇慶 526238)

引言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)生活必需品的要求也越來越高；牙膏是人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?，具有高清潔性能的美白牙膏廣受市場歡迎。根據(jù)2014年牙膏行業(yè)調(diào)查美白產(chǎn)品占市場29.9%，中草藥產(chǎn)品占19%左右，清新產(chǎn)品占10.7%，防齲產(chǎn)品占16.3%、抗敏感產(chǎn)品占8.4%、多功能產(chǎn)品占9.8%，美白還是牙膏的主題。

目前二氧化硅作為牙膏原料越來越受歡迎[1]，它是一種化學(xué)惰性的物質(zhì)，能與其他組分進(jìn)行良好的配伍。由于牙膏用二氧化硅可以通過控制反應(yīng)條件，得到所需的不同性能，因此它的應(yīng)用也越來越廣泛。然而一般的用于制造美白牙膏的二氧化硅存在增稠性能不足的缺點(diǎn)，而具有高增稠性能的二氧化硅又往往清潔性不佳，達(dá)不到美白效果[2]。

隨著二氧化硅生產(chǎn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新、產(chǎn)品工藝的不斷進(jìn)步，金三江公司新研發(fā)了一種具有核殼型結(jié)構(gòu)的牙膏用二氧化硅。該二氧化硅的內(nèi)核具有高清潔性、外殼具有增稠性能，制備的二氧化硅添加到牙膏中能同時(shí)兼顧高磨擦性能與增稠性能，可減少二氧化硅的添加量、避免不同二氧化硅復(fù)配的麻煩，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)方法

不同性能的二氧化硅，其生產(chǎn)工藝、反應(yīng)條件和反應(yīng)方式是不同的。在二氧化硅的制備反應(yīng)過程中，水玻璃的模數(shù)及濃度、酸的濃度、電解質(zhì)的濃度、反應(yīng)的溫度、攪拌速率、酸堿滴加量、滴加順序、滴加速度等因素對(duì)核殼型二氧化硅的性能都起著重要的作用。其中造核和造殼時(shí)酸堿滴加量是影響二氧化硅的磨擦和增稠性能的關(guān)鍵主導(dǎo)因素。因此本實(shí)驗(yàn)主要探討造核和造殼過程中，使用不同的酸堿滴加量對(duì)核殼型二氧化硅的磨擦性能與增稠性能的影響。

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與原料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用到的主要儀器設(shè)備見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

1.1.2 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用到的主要原料見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)原料

1.2 核殼型二氧化硅樣品的制備

取一定比例的硫酸鈉溶液于反應(yīng)釜中、開啟攪拌，待溫度升至設(shè)定值75℃，先往反應(yīng)釜滴加一定量的水玻璃溶液，然后按一定的速率同時(shí)滴加水玻璃溶液與硫酸溶液，并控制過程pH值在9～12范圍內(nèi)。待水玻璃滴加完畢，繼續(xù)滴加酸至終點(diǎn)pH值在6～7之間，陳化20～30min，繼續(xù)向反應(yīng)釜中添加一定量的水玻璃溶液(與第一次相比水玻璃中二氧化硅含量分別為4∶1, 3∶1, 2.5∶1, 2∶1, 1∶1)，水玻璃溶液添加完畢后，加入硫酸對(duì)第一步反應(yīng)形成的核進(jìn)行包裹，形成膠體包裹完畢后繼續(xù)加入硫酸酸化至pH值在4～5之間，陳化20～30min,過濾、洗滌至pH=7～8，放烘箱內(nèi)烘干，取出粉碎即可。

1.3 核殼型二氧化硅的磨擦性能測定

用作牙膏磨料的二氧化硅，其磨擦性能的大小直接影響到牙膏清潔性能的大小[3]。磨擦型的二氧化硅一般可以分為普通磨擦型、中等磨擦型和高磨擦型。RDA值是衡量二氧化硅的磨擦性能大小的重要檢測指標(biāo)；由于RDA值的測定操作比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)要求比較高，目前國內(nèi)幾乎還沒有檢測機(jī)構(gòu)測定RDA值。與RDA值相比較，銅耗值的測定更加便捷，可操作性更強(qiáng)，而且RDA值和銅耗值之間存在一定的正向關(guān)系；根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，二氧化硅的RDA值與銅耗值之間的關(guān)系可作相應(yīng)的工作曲線來體現(xiàn)，如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)采取銅耗值來衡量二氧化硅的磨擦性能的大小。

銅耗值的測定方法：將二氧化硅分散于70%的山梨醇(二氧化硅∶山梨醇=1∶6)中，實(shí)驗(yàn)室改裝的過硬顆粒測定儀在浸沒了分散液的銅片上來回磨擦10000次，最后稱量銅片磨擦前后的損耗值即為銅耗值。一般來說，普通二氧化硅的銅耗值在2.0 mg以內(nèi)；中等磨擦型二氧化硅的銅耗值在2.0～10.0mg之間；高磨擦型二氧化硅的銅耗值則大于10.0mg，一般不超過20.0mg為宜，否則易磨損牙釉質(zhì)[2]。

圖1 二氧化硅RDA值與銅耗值的關(guān)系

表3 不同水玻璃添加量制備出的核殼二氧化硅銅耗值

1.4 核殼型二氧化硅的增稠性能測定

二氧化硅的增稠性能可以用吸水量或吸油值兩種方式來衡量，吸水量和吸油值越大，二氧化硅的增稠性能就越大，反之就越小。

1.4.1 吸水量測試

1.4.1.1 儀器

表4 所用儀器

1.4.1.2 測定程序

稱取試樣20g (稱準(zhǔn)至0.01g)置于干燥搪瓷杯子中，從滴定管漸漸滴入蒸餾水2～3mL,使試樣粉末均勻吸水，以壓舌板不斷攪拌均勻，不斷滴水搖動(dòng)，直至試樣粉末全部成一球不散為終點(diǎn)。以耗用蒸餾水的毫升數(shù)表示吸水量。要求全部測定過程不超過25min。

1.4.1.3 計(jì)算公式

吸水量(X)按下式計(jì)算

X=V2-V1

(1)

式中：X——吸水量，mL/20 g；

V1——滴定前滴定管中水的液位讀數(shù)，mL；

V2——滴定后滴定管中水的液位讀數(shù)，mL。

1.4.2 吸油值測試

1.4.2.1 試劑

試劑名稱： 蓖麻油，規(guī)格：化學(xué)純。

1.4.2.2 儀器

表5 所用儀器

1.4.2.3 操作程序

將試樣置于105℃烘箱中烘2 h，取出在干燥器冷卻30 min，然后稱取1.0 g(精確至0.0001 mg)置于 玻璃板上，從微量滴定管中逐滴加入蓖麻油，操作溫度在20℃左右為宜。在滴定時(shí)，用壓舌板不停地?cái)嚢瑁乖嚇又饾u稠化發(fā)黏。在接近滴定終點(diǎn)以前減慢滴加速度，充分?jǐn)嚢璞苊獾芜^終點(diǎn)。最后至樣品全部稠化，形成一團(tuán)，板上不留稠化物和二氧化硅粉末為止。

1.4.2.4 結(jié)果表示

吸油值X，按公式計(jì)算

(2)

式中：X——吸油值;

V——消耗蓖麻油的體積，單位為毫升(mL)；

M——試樣量，單位為g。

注意事項(xiàng)：a)加油速度要保持一定，約0.2 mL/min；b)蓖麻油的黏度影響吸油值，所用蓖麻油的黏度以0.1 Pa·s。

綜合考慮核殼型二氧化硅所要具備的磨擦性能和增稠性能，并選擇具有最佳磨擦性能和增稠性能的核殼二氧化硅進(jìn)行牙膏應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

1.5 核殼型二氧化硅在牙膏中的應(yīng)用

用核殼型二氧化硅制備的牙膏和其他不同型號(hào)的二氧化硅分別按表6配方制備牙，并按標(biāo)準(zhǔn)《牙膏(GB8372)》進(jìn)行檢測其粘度和銅耗值。

表6 核殼二氧化硅牙膏與其他二氧化硅牙膏比較

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 核殼型二氧化硅的磨擦性能與增稠性能

不同水玻璃添加量制備的二氧化硅的磨擦性能和增稠性能不同，結(jié)果見表7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水玻璃添加量的減少二氧化硅的吸水量及吸油值呈減少趨勢，銅耗值呈增大的趨勢。換而言之，隨著水玻璃添加量的減少二氧化硅的清潔性能相應(yīng)增加，銅耗值能達(dá)到10mg，屬于高磨擦型二氧化硅。

表7 不同水玻璃添加量制備的核殼二氧化硅的主要性能比較

綜合考慮核殼型二氧化硅所具備的磨擦性能和增稠性能，當(dāng)水玻璃添加量為2.5∶1時(shí)制備出的核殼型二氧化硅磨擦、增稠性能為最佳，并以此配方做出的核殼二氧化硅與其他型號(hào)二氧化硅的磨擦及增稠性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表8。

表8 核殼二氧化硅和其他型號(hào)二氧化硅磨擦性能、增稠性能比較

由表5對(duì)比結(jié)果可以看出，核殼型二氧化硅兼具一定的增稠性能和良好的磨擦性能；該核殼型二氧化硅可以彌補(bǔ)綜合型磨擦性能不足、MIC(一般磨擦型)及MIG(高磨擦型)增稠性能不足的缺點(diǎn)。

2.2 核殼型二氧化硅牙膏與其他二氧化硅牙膏的對(duì)比優(yōu)勢

核殼型二氧化硅所具有的增稠性能及高磨擦性能使其可以代替復(fù)配硅粉來制備牙膏，所制牙膏的銅耗值及粘度見表9。

表9 核殼型二氧化硅與其他二氧化硅所制牙膏的銅耗值及粘度對(duì)比

由表9可知，與綜合型二氧化硅相比，相同添加量核殼型二氧化硅所制備的牙膏銅耗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于綜合型，其清潔能力更好；與MIC型二氧化硅相比，做到相同的粘度MIC的添加量需要增加，且銅耗值也相對(duì)較低，牙膏清潔性能相對(duì)欠佳；與MIG型二氧化硅相比，做到相同的粘度，單獨(dú)MIG的添加量已經(jīng)較多，同時(shí)還要復(fù)配一定量的增稠型二氧化硅，牙膏的銅耗值有所提高。綜合比較可以看出，采用核殼型二氧化硅做牙膏，可以同時(shí)兼顧增稠性能和良好的清潔性能，減少二氧化硅的添加量，降低牙膏成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

3.1 水玻璃添加量對(duì)核殼二氧化硅的增稠、磨擦性能有著很大的影響。水玻璃添加量與二氧化硅的磨擦性能大小呈正向關(guān)系，與二氧化硅的增稠性能大小呈反向關(guān)系。

3.2 當(dāng)水玻璃添加量比例為2.5∶1時(shí)，所制備的核殼二氧化硅具有最佳的摩擦和增稠性能。

3.3 采用核殼型二氧化硅制備牙膏，可以兼具較佳的增稠性能和清潔性能，減少牙膏中二氧化硅的添加量及不同二氧化硅復(fù)配的麻煩，降低牙膏成本。