ワックスエマルジョンが分離し続ける？不安定性の背後にある 5 つの原因とその修正方法

コアエンジニアリングメカニズムと配合の概要

ワックスエマルジョンのドラムが保管庫に置かれている場合、または下流の水ベースのコーティング、インク、または織物仕上げ浴に入る場合、相分離よりも早く生産が中断される欠陥はほとんどありません。時々、ドラムの上部に厚いクリームのリングが形成されることがあります。場合によっては、降下後数時間以内に、細かいカードや硬い沈殿物が混合タンクの底に沈殿します。

配合エンジニアにとって分離が特にイライラするのは、バッチが基本的な検査 (固形分、pH、初期外観) に合格しても、倉庫内で数週間後、または樹脂や顔料とブレンドした直後に分離できることです。問題を根本から解決するには、表面の症状を超えて、問題の原因が乳化プロセスにあるのか、それともエマルションと下流の配合物の間の化学的相互作用にあるのかを特定する必要があります。

ワックスエマルジョンが不安定なのはなぜですか? 5つの主な原因

ワックスエマルションは、分散したワックス粒子を離しておく静電障壁や立体障壁を重力や化学衝撃が乗り越えると不安定になります。 5 つの主な原因は、幅広い粒径分布、ワックスと乳化剤系の不一致、多価イオンによる電解質ショック、レットダウン時の pH ショックと溶媒の影響、製造、輸送、保管時の熱ストレスです。

あ 水性ワックスエマルジョン 熱力学的に不安定な二相分散体です。固体または半固体のワックス粒子 (通常、直径 50 nm ～ 1,000 nm) は、界面活性剤の吸着層によって連続水相中に保持されます。この保護層が不完全であったり、圧縮されたり、剥がれたりすると、粒子は垂直に移動するか、衝突して合体します。

原因 1: 広い粒径分布と密度によるクリーミング

ほとんどのポリエチレン (PE)、酸化ポリエチレン (OPE)、およびポリプロピレン ワックスの密度は 0.91 ～ 0.99 g/cm3 であり、水 (1.00 g/cm3) よりも低くなります。ストークスの法則によれば、分散粒子の上昇速度は半径の二乗と粒子と水の密度差に比例し、連続相の粘度に反比例します。粒子が小さく均一であればあるほど、粒子の上昇は遅くなります。

• ワックスエマルジョンの粒度分布が狭いサブミクロンの場合（たとえば、D50 が 150 nm 未満で D90 が厳密に制御されている場合）、ブラウン運動が重力に対抗するため、分散は長期間均一に保たれます。
• 乳化中のせん断が不十分で、1 ～ 2 μm を超える粗い粒子の尾部が残る場合、これらの粒子ははるかに速く上昇し、より小さな粒子を上方に運び、上部に目に見えるクリーム層を形成します。

原因 2: ワックスと乳化剤システムの不一致

酸化ポリエチレン (OPE) ワックス、モンタン ワックス、またはエステル ワックスの乳化は、単に界面活性剤を追加するだけの問題ではありません。乳化剤パッケージの親水親油バランス (HLB) と分子構造は、ワックスの酸価、ケン化価、結晶化度に適合する必要があります。

• 不十分な界面固定: 界面活性剤の親油性尾部のワックス表面に対する親和性が低い場合、保管中に界面活性剤分子が徐々に脱離し、ワックス粒子上に裸の部分が残ります。表面が露出した粒子は、衝突すると合体する可能性があります。
• 不完全な中和: KOH、NaOH、またはアミン (DMEA や AMP-95 など) で中和されたアニオン性 OPE ワックス エマルションでは、中和率が不正確であるため、ワックス鎖上にイオン化されていないカルボン酸基が残ります。これにより、長期安定性に必要な表面電荷が弱まります。

原因 3: 下流システムの多価イオンによる電解質ショック

多くのワックスエマルションは、元のドラム内では安定していますが、顧客の配合物に添加されるとすぐに凝集します。多くの場合、原因はイオン強度です。

• アニオン性およびカチオン性ワックスエマルションは、粒子間の静電反発力に大きく依存します。この反発の強さは一般にゼータ電位によって評価されます。
• カルシウム (Ca2+) またはマグネシウム (Mg2+) イオンを含む硬質加工水、顔料や充填剤からの可溶性塩、または多価金属イオンを含む架橋剤がシステムに入ると、それらは電気二重層を圧縮したり、アニオン性カルボン酸基との不溶性金属石鹸橋を形成したりする可能性があります。これにより、急速な凝集が引き起こされる可能性があります。

原因 4: 配合時の pH ショックと共溶媒の影響による低下

アルカリ性アニオンワックスエマルジョン (通常 pH 8.5 ～ 10.5) を、低 pH (たとえば pH 6.0 ～ 7.0) の緩衝剤を含まないアクリルまたはポリウレタンの分散液に直接添加すると、局所的な pH ショックが発生します。局所的な pH が低下すると、ワックス表面のカルボン酸基が再プロトン化される可能性があるため、粒子が均一に分散する前に表面電荷が低下します。

同様に、前希釈せずに高レベルの合体溶剤またはグリコールエーテル (ブチルグリコールや DPM など) を添加すると、ワックス粒子が部分的に膨潤したり、ワックスと水の界面から非イオン性エトキシル化界面活性剤が剥がれたりする可能性があります。

原因 5: 製造、輸送、保管時の熱ストレス

熱履歴は、ワックスの液滴がどのように凝固するか、また界面活性剤鎖がどのように水和するかに影響を与えます。

• リアクター内: 加圧乳化後の冷却がワックスの結晶化範囲全体にわたって遅すぎる場合、またはバッチ温度がワックスの凝固点を十分に下回る前に撹拌を停止した場合、柔らかく部分的に溶けたワックスの液滴が融合して粗い凝集物になる可能性があります。
• 輸送および保管時: 冬に凍結すると安定層が損傷する可能性があります。氷の結晶はワックス粒子を集中領域に押し込み、界面活性剤の層を破壊する可能性があります。高温で長期間保管すると、一部の非イオン性界面活性剤の曇点に近づき、立体障壁が脱水され、元に戻すのが困難な層形成が生じる可能性があります。

ワックスエマルジョンの不安定性のトラブルシューティング: 故障モードの特定

不安定性のトラブルシューティングを行うには、まず穏やかに撹拌すると分離が可逆的かどうかを判断します。リバーシブルの最上層は通常、重力によるクリーミングを示します。カード、突然の粘度の上昇、または再分散しない硬い沈殿物は、凝集または界面層の破壊を示しています。

配合を調整したり、原料バッチを拒否したりする前に、以下の表を使用して分離のタイプを分類してください。

製造および配合時のワックスエマルジョンの分離を防ぐ方法

分離を防ぐには、製造中に粒子サイズと分布を制御し、配合物の降下中に界面層を保護する必要があります。主な対策には、界面活性剤のイオンタイプをバインダーシステムに適合させること、せん断と冷却を制御すること、ブレンド前の pH を調整して緩衝することなどが含まれます。

以下に当社が生産時に適用する対策と、コーティング、インク、繊維仕上げに完成したワックスエマルションを使用する配合者への推奨事項を示します。

私たちの生産において: プロセスをどのように制御するか

1. 粗大粒子の尾部を除去します (D90 コントロール): 乳化前にワックスが完全に溶けていることを確認します。高滴点ワックスの場合、この温度に到達するには加圧反応器が必要な場合があります。転相中、平均粒径 (D50) だけでなく D90 も厳密に制御されるように、十分なせん断力を維持します。
2. 中和と界面活性剤の組み合わせを最適化します。 KOH またはアミンの投与量を、各酸化ワックス バッチの実際の酸またはケン化値に合わせます。多くの場合、一次イオン性乳化剤と二次非イオン性立体安定剤を組み合わせると、重力と穏やかな電解質変動の両方に耐える二重の静電バリアと立体バリアが構築されます。
3. 冷却曲線を制御します。 局所的な熱衝撃を避けるために予熱した希釈水を使用し、エマルションがワックスの再結晶点を十分に下回るまで継続的に低せん断撹拌しながら冷却を続けます。

下流の配合業者向け (コーティング、インク、繊維、離型剤)

1. 最初にイオン互換性を確認します。 相溶性が確認されていない限り、カチオン性ワックスエマルジョンをアニオン性アクリル、ポリウレタン、またはスチレンアクリル分散液にブレンドしないでください。高電解質システムまたは多成分浴の場合は、非イオン性または立体的に安定化されたアニオン性ワックスエマルジョンを優先してください。
2. 添加と事前希釈の順序を制御します。 適度に撹拌しながら、最終のレットダウン段階でワックスエマルジョンを添加します。過度のせん断により界面活性剤層が剥離する可能性があるため、長時間の高速分散や高圧均質化は避けてください。事前にバッチの pH を調整し、エマルジョンを添加する前に共溶媒または造膜助剤を事前に希釈します。
3. プロセス水の硬度を確認します。 希釈水のカルシウムまたはマグネシウムの硬度が高い場合は、脱イオン水を使用してください。処方に影響を与えないことを確認した後、アニオン性ワックスエマルジョンの前に少量のキレート剤を添加することもできます。

本格的な生産前にワックスエマルションの安定性をテストするにはどうすればよいですか?

ワックスエマルジョンの安定性を確実にテストするには、遠心加速（約 1,000 ～ 1,800 × g で 15 ～ 30 分間）、50°C の熱老化、レーザー粒子サイズ追跡（D50/D90）、および実際の対象配合物での 4 ～ 24 時間の加熱レットダウン適合性テストを組み合わせます。

新鮮なサンプルの目視検査のみに依存していることが、不安定なバッチが生産ラインに届く一般的な理由です。堅牢な QC プロトコルには、4 つの補完的なテストが含まれている必要があります。

1. 遠心加速安定性試験: 50 mL のサンプルを約 1,000 ～ 1,800 × g で 15 ～ 30 分間遠心分離します。上部のクリームリングまたは下部の透明なセラム層の高さを測定します。遠心分離は主に重力による分離に対する耐性をテストします。目に見えるクリームリングは分離傾向を示しており、これは広い粒度分布または連続相の低粘度によって引き起こされる可能性があります。
2. 熱老化 (50°C で 7 ～ 14 日間): 密閉したガラスバイアルを 50°C で保管して老化を促進し、高温の保管温度での界面活性剤の水和状態をテストします。室温まで冷却した後、粘度の変化、pH の低下、および表面皮張りを確認します。
3. レーザー粒子サイズとゼータ電位分析: 熱老化の前後で D50 (粒子径の中央値) と D90/D99 を測定します。安定したワックスエマルションは、D90 にほとんど変化を示しません。ミクロンスケールで成長している 2 番目のピークは、肉眼で分離が確認できるかなり前に、初期の凝集または合体を警告します。ゼータ電位の顕著な低下は静電安定化が弱いことを示しており、これはイオン性エマルジョンにとって特に有益です。
4. システム内アプリケーションの安定性スクリーニング: ワックスエマルションを実際の樹脂、顔料、共溶媒システムに目標用量でブレンドし、その混合物をラインの処理温度で 4 ～ 24 時間保持し、ヘグマン グラインド ゲージまたは黒/透明の Leneta チャートでの湿潤膜ドローダウンで微小凝集を確認します。

SAMWAX がワックス エマルジョン システムの診断と安定化にどのように役立つか

高性能水性塗料、インク、繊維仕上げ剤を配合する場合でも、相分離を繰り返すために何ヶ月も盲目的な試行錯誤を繰り返す必要はありません。

Rallychem の SAMWAX では、当社のアプリケーション ラボラトリーが、ワックスの極性や酸価の一貫性から乳化せん断や下流の電解質耐性に至るまで、チェーン全体を検討しています。

• 根本原因を検査室で診断: レーザー粒度分析、ゼータ電位測定、加速熱試験および遠心試験を使用して、分離の原因が粗大粒子、乳化剤の脱着、またはシステム内のイオン衝撃によるものであるかどうかを特定するのに役立ちます。
• カスタム乳化とグレードマッチング: 私たちの カスタマイズされたサービス、私たちは一致します 酸化ポリエチレンワックス バインダーシステムの pH およびイオン環境に合わせて調整された乳化剤パッケージ。
• ワックスエマルジョンが保管中に分離し続けたり、生産ラインで凝集したりする場合は、 弊社の技術チームを派遣します 現在の配合パラメータと失敗の症状。的を絞った診断評価を実施いたします。

よくある質問 (FAQ)

1. 分離したワックスエマルジョンは撹拌後も使用できますか?

分離が純粋に重力クリーミング（フィルター上に粒子が残らない、穏やかなパドル混合下で滑らかで均一な液体に再分散する柔らかい上層）である場合、エマルジョンは多くの場合まだ使用できます。ただし、撹拌後に目に見えるカードや粒子が残っている場合、または製品が数時間以内に再分離する場合は、合体または凝集が発生している可能性があります。 In that case, we recommend contacting our technical team before using the batch.

2. ワックスエマルションはドラム内では安定しているのに、コーティングに混合すると分離してしまうのはなぜですか?

ドラムの安定性は、エマルジョンがそれ自体の水と界面活性剤の系で安定であることのみを示します。コーティングに混合すると、pH の変化、フィラーや硬水からの二価金属イオン (Ca2+/Mg2+)、相溶性のないイオン性界面活性剤、または高レベルの合体溶媒により、電気二重層が圧縮されたり、界面活性剤層が剥がれたりして、システム内で凝集が発生する可能性があります。

3. 粒子サイズが小さいほど、常にワックスエマルジョンの安定性が向上しますか?

より小さく、より厳密な粒度分布により、重力によるクリーミングが大幅に減少します。ただし、より細かい粒子は総表面積がはるかに大きいため、より多くの界面活性剤の被覆が必要になります。乳化剤の添加量またはHLBバランスがその大きな界面をカバーできない場合でも、微細なエマルジョンは加熱保管中に増粘したりゲル化したりする可能性があります。

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