肥皂结构对配方以及使用性能的意义

诺曼 . 霍尔上海制皂有限公司 马德雄 译，刘伟毅 编校

肥皂结构对配方以及使用性能的意义

诺曼 . 霍尔
上海制皂有限公司 马德雄 译，刘伟毅 编校

（上接第8期第77页）

9 . 结构和糊状性质对开裂的影响

9.1 控制配方

应该尽可能控制平行于挤出方向形成的皂的结构弱点。固有的挤出肥皂制造的方式导致这种缺点的形成。但是，下面两点可减少弱点：

· 低电解质和甘油配方，以提高粘合性。

· 适当可塑性的配方。

很难确定或量化可塑性，但可以认为是使在特定装备上制造出的产品最小限度发生开裂。

9.2 相位优化工艺可以减少开裂

有两个相优化目标：

(1) 最大限度地提高普通肥皂中从 κ 相到 ξ 相的再结晶（游离脂肪酸含量不高）。这也意味着从κ相中将月桂酸转移到液相中，从而生成一个含有更多油酸钠：月桂酸钠混合物的液相，结果是较少的水渗透，较少的液相膨胀，和更少的糊状物。

(2) 一般来说，这意味着在45～47℃时加工普通肥皂，以提高月桂酸酯在液相的溶解度。有必要调节油脂混合物，以允许在此温度也得到良好的出条光洁度和生产效率。

类似地，在游离脂肪酸含量高的肥皂中最大限度地实现由 κ 相到 δ 相的再结晶，也将得到一个含更多油酸钠：月桂酸钠混合物、更少水渗入以及更少糊状物的液相。

然而，这种含有大量游离脂肪酸的肥皂必须在35～37℃进行处理，当然低于40℃。在较高温度下，游离脂肪酸溶解在液相中充当极好的亲脂性溶剂，也

能溶解一些棕榈酸钠和硬脂酸钠。当这种肥皂冷却，液相中含有的月桂酸钠与棕榈酸钠和硬脂酸钠共结晶以改善κ相。这导致液相含有更大过量的油酸钠皂。油酸钠可溶性比油酸钠：月桂酸钠共晶混合物低得多，必须在其溶解前将更多的水分吸附掉。这意味着随着水分渗入，肥皂将膨胀更大、产生更多糊状物、肥皂干燥时产生更多应力，可能导致更多开裂。

9.3 工艺有助于肥皂流动和方向影响

9.3.1 肥皂流动

成型的肥皂块（片）通常是由一个矩形模块压制成型或从压条机的两个带有形状的表面之间（冲压模具）快速挤压生产出来的（见图1）。

肥皂在模具中改变形状过程中不断流动。模具中的压力和肥皂流动可以帮助消除一些由压条机引入的结构弱点，但除非子弹形状和最终条形两者都是适当设计的，否则可能引入新的潜在弱点，从而导致开裂。最简单的情况，尤其是对于无条皂块，这意味着将肥皂在模具中的流动性最大化，所以方形或圆形皂段最适宜生产长条形肥皂。

通常应该注意的是开裂更频繁地发生在成品皂块表面的一侧。下面将说明如何出现这样的情况，以及如何最大限度地减少这一问题。

9.3.2 挤压的方向影响

通常肥皂开裂，尤其是主要在肥皂的一个面发生开裂，可以通过适当地选择挤压喷嘴板和压皂机切割皂条的方向来显著减少。

此前，在7.5节中，解释了皂条通过一个矩形孔板（模具板/孔板）挤出时，其结构线是如何产生的。

肥皂流线（用酒精浸渍法可以看到潜在的结构弱点线）的图案呈现在皂块的两侧（见图2）。

现在考虑当两个皂条由同一个孔板上的两个矩形孔并排近距离挤出时的情况。这是一种常见的制造方法。

肥皂流线的图案并不规律。在皂条外部表面（X）比内部表面（Y）有更多的流线以及更多的规则性流线。这意味着皂条外部表面与内部表面之间有着很大的结构差异（见图3）。

现在，我们考虑孔板上两个矩形孔距离较远的情况，理想情况是最少45mm。这样的话，肥皂流线在皂条的内部表面（Y）和外部表面（X）分布都很多。虽然X面和Y面的流线图案不完全一样，但孔板上距离分开的两个孔使每一个皂条都具有如同从一个单一矩形孔中挤压出来的皂条一样的结构（见图4）。

通过酒精浸泡程序显示出垂直于皂条和模压皂

块挤压方向的横切面的流线图案，可以再次很好地解释皂条内表面和外表面不规则流线引起的肥皂开裂。

从单个开孔孔板中挤出的方形皂条有统一的应力线。当从另外一面进行模压时，皂块上也会出现统一的应力线图案，外部的流线顺着皂条的边缘，尤其是皂块的边缘分布。

请记住，通过两个距离接近的孔生产的皂条外部表面比内部表面具有更多的流线分布。这在长方形或圆形皂条的截面图上可以很清楚地看到（见图5）。

请注意，之前的观察（水平通过圆锥体底部并出条）表明两个皂条之间有或多或少的不规则流线，现在我们可以清晰地看到，流线是垂直于皂条表面而不是与表面平行（见图6）。

如果在大点的皂条中部垂直切割，实际上与孔板上距离很近的孔所生产的皂块一样，所产生的影响非常类似。

9.3.3 在模压成形过程中方向的影响

不对称的皂条可以现在有两种方式进行模压：皂条的内表面与模具表面接触（见图7）。

皂条的内表面与模具边缘接触（见图8）。

与最终的皂块结构一起来观察（见图9）。

显然，当皂块最终表面来源于皂条的内表面，该皂块也就保留了皂条的较差的结构。较差的皂块结构使肥皂更易吸水、易糊烂、易开裂。重要的是，开裂主要发生在皂块的一面。

通常情况下，这类皂块中有15%在家庭使用测试中开裂。大多数开裂只发生在皂块的一个表面。

当皂条经过模压，内表面最终变为皂块的外部边缘，流线图案在皂块表面会变得非常均匀，随着肥皂从冲压模具中快速挤出，皂条内表面的不规则性很大程度上被去除掉了。

通常，这种皂块只有4%在家庭使用测试中开裂。在皂块的任何一个表面所发生的开裂程度都差不多。

肥皂头或“突起线”开裂有可能略有增加，但消费者不会对这种开裂过于在意（见图10）。

因此，最佳的实际可操作性解决方案如下：

· 理想情况下，只采用单个接近方形开孔的孔板挤出肥皂。

· 如果必须采用双开孔孔板，则孔间距越大越好，推荐间距至少45mm。

· 如果必须采用双开孔孔板，则当皂条进行模压时，确保皂条的内表面与模具边缘接触。

10 . 配方对开裂的影响

10.1 一般说明

开裂的前兆如下：

· 水分渗透

· 糊状物形成和膨胀

· 糊状物干燥和收缩

这些因素将导致应力作用于内在弱点的任何结构上，例如晶体的排列。影响这些前兆的任何因素也将影响开裂。

10.2 在混合物中加入物质的特别说明

如果因为没有很好混合而带来肥皂结构不均匀，将导致水分以不同的速度渗入皂条的不同部分，并导致糊化程度、糊化物干燥、收缩和应力方面的不同，这些不同的影响将导致开裂增加。

尤其是，因为工艺路线是要在碱性皂粒干燥后，将高含量的可溶性或脂肪类组分混合， 因此得

到的肥皂可能是不均匀的。最简单的情况是，建议向螺条混合器里的皂粒中添加的水不超过1%；同样，添加大量的香精（＞1.5%）或脂肪酸将使皂粒变得非常滑溜，很难混合成完全均匀的肥皂团。均匀混合是有可能的，但比较难而且花时间。

大量的亲水添加物能够极大地稀释液晶相，使其转变为粘度非常低的各向同性的溶液，在压条机里它们更有可能被转移到皂条的表面，增加开裂。

10.3 温度的影响

温度是物理条件，而不是配方特性，它的主要影响是改变固相和液相的相对组成（“配方”）。

通常，大多数肥皂在加工过程中提高温度会降低开裂。然而，提高温度也会增加糊烂。游离脂肪酸含量大于5%的多脂皂也是如此。

较高的温度，开裂较少，是因为在更高的温度下，更多的月桂酸钠从固相溶解进入液相，形成非常可溶的油酸钠：月桂酸钠共混物。这导致液相体积的明显增加。较多的液相和较少的固相反过来意味着肥皂更软、更有可塑性（见5.1.1a节）。更软、更有可塑性的皂条在压条过程中不需要过多的压力，也能将液相很好粘附在皂条表面。

另外，如果液相是富含油酸钠：月桂酸钠共混物，那么它将包含更多有序的、六角形的液晶。六角形的液晶是粘性的，所以在压条机圆锥体里不容易被从固相中挤出并粘附在皂条的表面。

皂条上较少的液相使皂体与皂条之间的粘附更好，更少开裂。因为皂条上液相较少，糊化过程中皂条之间会吸收更少额外的水分（较少用来稀释的电解质、甘油和肥皂），所以皂条间糊化较少且糊状物干燥时应力较小。

10.4 肥皂与水的比例

研究有关水渗透等肥皂性能时，考虑肥皂与水的比率比水的百分含量或总脂肪物（TFM）的百分含量要好。这对于含有填充料或高含量的非皂组分的肥皂尤为重要。简单起见，我们会考虑以肥皂和水为主要成分的产品。因此，较高的含水量意味着较低的总脂肪物含量。

适度增加含水量（高达3%以上的水）有一些相互牵制的影响，但在一般情况下，水含量越高意味着开裂越少：

较高的水含量 = 更多的液相 = 较软的肥皂 = 更好的皂条粘附性 = 较少的开裂

然而，下面的等式也成立：

更多的液相 = 更多的水渗透 = 更多的膨胀 = 更多的糊状物 = 更多的开裂

更多的水 = 较稀的液相（可能伴随有液晶各向同性溶液的一些转换）= 液相在压条机里有更多机会润湿皂条 = 更多的开裂

对于含水量达15%的肥皂来说，主导因素是液相量的增加导致肥皂的柔软度增加，从而减少开裂。然而，重要的是，在肥皂干燥阶段，额外的水必须锁在肥皂中。如果在混合阶段额外添加3%的水，那么将很可能稀释液晶而形成各向同性的溶液。这导致混合较差，产生不均匀的肥皂，并且导致开裂显著增加。

肥皂含水量为15%～20%时，由于有足够的水存在，几乎所有的月桂酸钠都可以从固相转移到液相中。然后，固相将从 κ 相再结晶而变为 ξ 相——排列整齐的小晶体。这样，液相就含有大量油酸钠：月桂酸钠共混物，并且具有粘性液晶结构。其结果是，水含量大于15%的肥皂经过混合研磨后变得质地坚韧（且半透明）。

对较硬的肥皂来说，要使液相粘附在皂条之间会显著增加压条机中的压力，从而导致皂条间粘合较差，更容易开裂。粘附在皂条表面的液相越多，其糊

化过程中在该区域吸收的水分就越多，膨胀越大，当糊状物干燥时肥皂结构上的应力越大，就会引起更多开裂。

请注意，虽然在正常湿度水平（12%）以上时，糊状物会随着含水量增加而增加，但如果湿度水平更高，达到20%及以上，如果有足够的混合和研磨工艺，糊状物将减少。这也是洗衣皂比香皂使用时糊状物少的原因。

如果湿度超过20%，水的渗透将继续增加，但糊状物将减少。这个说法并不矛盾，因为湿度超过20%时，κ 相和 ξ 相逐渐被 δ 相所替代。如果肥皂中含有长的、丝带状的 δ 相晶体，那么在糊烂过程中，这些晶体不会锁住渗入的水分，也就意味着与只含有 κ 相和/或 ξ 相的肥皂相比，含 δ 相晶体的肥皂膨胀较少。较少的膨胀可以抵消糊烂过程中渗入/溶解损失的不断增加，从而整体减少糊状物及减少开裂。

10.5 改变非月桂酸油的滴定度（碘值）

滴定度增加（接近熔点），意味着碘值降低，即油的不饱和度低。

同样，这里也有些相互牵制的影响，在一般情况下，较高的碘值 /较低的滴定度对应于较少的开裂。增加碘值意味着油混合物中有更多的油酸钠和（通常）更多的亚油酸钠。这些皂是水溶性的，特别是亚油酸钠，有的会溶解在水中作为液相。碘值的增加会导致液相量的增加，从而导致肥皂更软、皂条粘合性更好，因而更少开裂。

坚果油含量一定时（一定的月桂酸钠），有一个小的相反的影响，因为大量的不饱和皂，特别是油酸钠，分布于固相和液相之间，比油酸钠：月桂酸钠共混物溶解度低。这意味着需要吸收更多的水分来溶解多余的油酸钠，也就意味着更多的膨胀、更多的糊状物、糊状物干燥时产生更多的应力，因而更容易开裂。然而，这比增加液相的量对开裂的影响小得多。

10.6 在肥皂混合物中增加坚果油

这里也有些相互牵制的影响，但一般情况下，增加坚果油意味着更少的开裂。更多坚果油（混合物中含量高达40%）意味着月桂酸钠有更多机会进入液相，产生更多油酸钠：月桂酸钠共混物、更多的液相、更软的肥皂、更好的皂条粘合、更少的开裂。另外，肥皂中更多的油酸钠：月桂酸钠共混物意味着水分吸收更少、更少膨胀、更少糊烂、糊状物干燥时应力更小、更少开裂。

另一方面，更多的坚果油可能会导致肥皂中有更多的残留电解质，因而在溶液相中也有更多电解质，在压条机中就可能迁移到皂条表面，导致皂条粘合性变差，更易开裂。实际上，除非电解质含量高于标准很多，否则这影响很小。

10.7 增加甘油

一般情况下，甘油含量增加导致糊状物增加，更易开裂。然而，影响比想象要小，同样数量的水导致的糊状物增加远高于此。

甘油含量高的情况下，可能由于位于液相中的甘油取代了部分肥皂，导致整体液相量较少。相对于所取代的肥皂，甘油在与水接触过程中更易溶解，因此所吸收的水分较少、膨胀较少、糊烂较少、开裂较少。

另外，液相中较少的肥皂意味着较少的液相，因此高含量的甘油对肥皂有硬化作用。较硬的皂需混合研磨的时间增加，月桂酸钠因而将转移到液相中，形成可溶性油酸钠：月桂酸钠共晶混合物，从而导致较少的吸水量，较少的膨胀、较少的糊烂、较少的开裂。

同样，这影响比想象要小，但它仍然存在——相对于甘油含量低的肥皂，甘油含量高确实增加糊烂

及开裂。

10.8 香精的影响

这里也有些相互牵制的影响，但在一般情况下，增加香精意味着更少的开裂。香精主要驻留在液晶相，增加相体积以及肥皂的可塑性，从而导致皂条粘合更好，更少开裂。

重要的是，尽管不同香精的影响不同，更高含量的香精几乎总是改变液晶相的结构，使其从粘性的六角形结构变为粘性更低的层状相结构。

从理论上讲，较低的粘度使液相更容易在压条机压力的作用下迁移到皂条表面，使皂条粘合性更差，更易开裂。这在实际中可能发生，但六角形到层状结构的变化的软化效应占优势，因此，总体而言，更多香精意味着更少开裂。

10.9 游离脂肪酸（多脂）

多脂是指油脂混合物中至少含有5%的游离脂肪酸（有人说7.5%），以及至少30%的坚果油。这些含量影响肥皂的各种性能，特别是泡沫。对于开裂的问题，我们将考虑游离脂肪酸含量大于5%的肥皂。

这里有些相互牵制的影响，一般情况下，多脂会减少肥皂开裂。肥皂的液晶相是高度亲油的，游离脂肪酸将位于该相中。这会增加液相的量，从而产生更软的肥皂，更好的皂条粘合性、较少的开裂。此外，游离脂肪酸将使液晶相的结构发生改变，从粘性的六角形结构变为粘性较低的层状结构。这将进一步使肥皂变软并减少开裂。这些影响将超过低粘度层状相的高流动性所带来的影响，而后者将导致皂条粘合性降低。

另一方面，如果多脂皂在太高的温度下进行加工，如大于35～37℃，那么液相将包含有限的月桂酸钠皂。月桂酸钠将被锁在固体 κ 相中。当肥皂与水接触时，大量的水被吸收，试图溶解这些月桂酸钠，一旦溶解，κ 相变为 δ 相，将水分锁在皂块表面。因此，将会产生更多的糊状物，更易开裂。然而，肥皂的软化效果可能会占优势。

10.10 电解质的影响

更多的电解质导致更易开裂。主要影响是电解质会通过离子强度效应和共离子效应从液相中“盐析”出肥皂，产生更少的液相量，更硬和可塑性更差的肥皂，以及较差的皂条粘合性，更易开裂。

此外，液相中含有更多的电解质，当其在压条机压力的影响下迁移到皂条的表面时，将更大幅度减少皂条间的粘合性，导致更易开裂。

10.11 整体组分的影响

组分间的影响总是相互牵制，即便一个组分发生变化。一个组分的变化可引入另一个组分，例如，增加坚果油几乎总是引起电解质的增加。

概括而言，对开裂的影响因素如下：

主要影响来自于电解质，如果有游离脂肪酸存在的情况下，影响更多来自于温度。

次要影响来自于坚果油含量、少量游离脂肪酸、高含量的甘油。

较小的影响来自于香精、油脂混合物的碘值和少量甘油。

下页的示意图是讨论不同配方变化所带来的影响等级的起点。其中所引用的指标仅代表作者本人的经验，但要完善这一图片还需要许多工作。

附录

一种有助于观察肥皂在压条机中流动和晶体方向的技术是将充满肥皂的螺杆从压条机中取出，在肥皂表面画上线条，标明其与压条机筒壁接触的位置。这些线应代表肥皂与筒壁剪切的位置。在充满肥皂的螺杆上，这些线将垂直于螺杆的纵轴，指向如图11所

示（假设从锥形底部看过去，螺杆逆时针转动）。

图12 近距离显示了肥皂离开螺杆进入圆锥体处的剪切方向，强调肥皂流动方向的急剧变化。

当肥皂还带有温度并具有可塑性时，从螺杆上取下肥皂并将其展开呈一长条，可以看到，原本绘制的垂直于螺杆纵轴的线变成与肥皂条平行走向。

正如上文中所描述的，非对称的肥皂结晶将会按图中所标箭头方向平行于剪切方向排列。在肥皂即将离开螺杆的点上，肥皂已经承受相当大的剪切力。

然而，肥皂进入圆锥体时，肥皂流动方向发生了急剧变化，表明进入圆锥体的肥皂晶体将有一个垂直于肥皂流动方向的纵轴。在圆锥体中，肥皂间的流动将使晶体重新排列，因此，这些晶体再次与肥皂流动方向平行（见图13）。重新排列过程需要能量，这可能与被称为“挤压软化”的现象有关。

（全文完）