表面活性剂及其在金属加工方面的应用

表面活性剂及其在金属加工方面的应用论文关键字：表面活性剂，金属加工，应用论文摘要：表面活性剂由于具有润湿或抗粘、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶、分散、洗涤、防腐、抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用，成为一类灵活多样、用途广泛的精细化工产品。表面活性剂除了在日常生活中作为洗涤剂，其他应用几乎可以覆盖所有的精细化工领域。本文主要讨论了表面活性剂及其在金属加工方面的应用。一、表面活性剂及其性能表面活性剂(surfactant)是指具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。它们的分子都是由极性的亲水基和非极性的憎水基两部分组成。亲水基常见的有羧基、硫酸酯、磺酸基、胺基、季胺基、羟基等；憎水基则是长链烷烃和芳烃为代表的基团。由于它们具有既亲水又亲油的“两亲”性质，因而在化学清洗时可使清洗溶液表面(或界面)性质发生改变，使其具有较低的表面张力。根据表面活性部分所带电荷的不同将表面活性剂分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型。表面活性剂具有润湿、起泡、增溶、消泡等特性。二、常见表面活性剂的及其应用2．1阴离子表面活性剂2．1．1磺酸盐此类活性剂常见的有直链烷基苯磺酸钠和α－烯基磺酸钠。直链烷基苯磺酸钠别名ＬＡＳ或ＡＢＳ，为白色或淡黄色粉状或片状固体，在复配表面活性剂体系中溶解性很好，对碱、稀酸和硬水都比较稳定。常用于洗洁精（餐具液洗剂）和衣用液体洗涤剂，一般不用于洗发香波，很少用于淋浴液。在洗洁精中其用量可占表面活性剂总量的一半左右，在衣用液体洗涤剂中所占比例实际调节范围较宽。应用于洗洁精比较典型的复配体系是三元体系“ＬＡＳ（直链烷基苯磺酸钠）－ＡＥＳ（醇醚硫酸钠）－ＦＦＡ（烷基醇酰胺）”。直链烷基苯磺酸钠突出的优点是稳定性好、去污力强、环境危害极小，能很好地被生物降解为无害物、价格低廉。突出的缺点是刺激性大。α－烯基磺酸钠别名ＡＯＳ，极易溶于水，它在广泛的ｐＨ值范围内都有较好的稳定性。在磺酸盐品种中，性能最好。突出的优点是稳定性好，水溶性好，配伍性好，刺激性小，微生物降解也非常理想，是洗发香波和淋浴液中常使用的主表面活性剂之一。其缺点是价格较贵。2．1．2硫酸盐此类活性剂常见的有脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠。脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠别名ＡＥＳ、醇醚硫酸钠。易溶于水，在洗发香波、淋浴液、餐具液体洗涤剂（洗洁精）、衣用液体洗涤剂中都可应用。水溶性比十二烷基硫酸钠更好，在常温下本身就可配成任何比例的透明水溶液。在液体洗涤剂中的应用比直链烷基苯磺酸钠更广泛，配伍性更好；能够与许多表面活性剂二元复配或多元复配成透明水溶液。突出的优点是刺激性小、水溶性好、配伍性好、在防皮肤干裂粗糙方面表现好。缺点是在酸性介质中的稳定性稍差，去污力次于直链烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠。十二烷基硫酸钠别名ＡＳ、Ｋ12、椰油醇硫酸钠、月桂醇硫酸钠发泡剂，对碱和硬水不敏感，在酸性条件下稳定性次于一般磺酸盐，接近于脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，易降解，对环境危害极小。在液体洗涤剂中应用，酸度不能太高；在洗发香波和沐浴液中使用其乙醇胺盐或铵盐，不仅可增加耐酸稳定性，还有益于降低刺激性。除发泡性好和去污力强外，其他方面的使用性能都不如醇醚硫酸钠。在常见阴离子表面活性剂中价格一般为最高。2．1．3脂肪酸皂按脂肪酸的碳链分类，应用于液体洗涤剂以月桂酸皂最好，按成盐不同分类，应用于液体洗涤剂以胺盐、钾盐、铵盐较好。硬脂酸钠不能在液体洗涤剂中作为主表面活性剂应用。在液体洗涤剂中，脂肪酸盐主要用于衣用液体洗涤剂和淋浴液中，产品ｐＨ值一般为8以上。与之匹配的表面活性剂一般是起钙皂分散作用，其次还能改善表面活性剂的水溶性。优点是价格低廉，在防皮肤干裂粗糙方面表现好；缺点是不能在酸性介质中使用（作主表面活性剂），在一般阴离子表面活性剂中去污力稍差，耐硬水性能最差。2.2阳离子表面活性剂与各种类型表面活性剂相比，阳离子表面活性剂的调整作用最突出，杀菌作用最强，尽管有去污力差，起泡性差，配伍性差、刺激性大，价格昂贵等缺点。阳离子表面活性剂不直接与阴离子表面活性剂配伍，只能作为调理剂组分或杀菌剂来使用。阳离子表面活性剂在液体洗涤剂中作为辅助表面活性剂（配方用量很少的调理剂组分）一般用于较高档次产品，主要用于洗发香波。作为调整剂组分在高档次液体洗涤剂洗发香波中不是其他类型表面活性剂所能替代的。常见阳离子表面活性剂品种有十六烷基二甲基氯化铵（1631）、十八烷基三甲基氯化铵（1831）、阳离子瓜尔胶（Ｃ－14Ｓ）、阳离子泛醇、阳离子硅油、十二烷基二甲基氧化胺（ＯＢ－2）等。2．3两性离子表面活性剂两性表面活性剂指兼有阴离子和阳离子性亲水基的表面活性剂，因此这种表面活性剂在酸性溶液中呈阳离子性，在碱性溶液中呈阴离子性，而在中性溶液中有类似非离子的性质。两性表面活性剂易溶于水，溶于较浓的酸、碱溶液，甚至在无机盐的浓溶液中也能溶解，耐硬水性好，对皮肤刺激性小，织物柔软性好，抗静电性好，有良好的杀菌作用，与各种表面活性剂的相容性好。重要的两性表面活性剂品种有十二烷基二甲基甜菜碱、羧酸盐型咪唑啉等。非离子表面活性剂的性能更全面，缺陷少，只是去污力和起泡性差一些；与非离子表面活性剂比较，两性表面活性剂的某些性能更优，其余性能也不落后。两性表面活性剂比一般非离子表面活性剂有更好的发泡能力，更好的杀菌能力，更好的调理性。因此，在液体洗涤剂中，两性表面活性剂主要是应用于洗发香波，其次是淋浴液等皮肤清洁剂。2．4非离子表面活性剂非离子表面活性剂具有良好的增溶、洗涤、抗静电、刺激性小、钙皂分散等性能；可应用ｐＨ范围比一般离子型表面活性剂更宽广；除去污力和起泡性外，其他性能往往优于一般阴离子表面活性剂。在离子型表面活性剂中添加少量非离子表面活性剂，可使该体系的表面活性提高（相同活性物含量之间比较）。主要品种有烷基醇酰胺（ＦＦＡ）、脂肪醇聚氧乙烯醚（ＡＥ）、烷基酚聚氧乙烯醚（ＡＰＥ或ＯＰ）。烷基醇酰胺（ＦＦＡ）是一类性能优越和用途广泛及使用频率很高的非离子表面活性剂，在各种液体洗涤剂中常用。在液体洗涤剂中使用常与酰胺配伍，配比一般为“2:1”,“1.5∶1”（烷基醇酰胺∶酰胺）。烷基醇酰胺可以在一般稍偏酸性和碱性洗涤剂中应用，是非离子表面活性剂中价格最便宜的一个品种。三、表面活性剂在金属加工中的应用金属加工包括金属清洗、表面涂饰以及金属的车、铣、刨、钴、轧、铸造等加工过程。为了减轻劳动强度、提高产品质量、节约能源、降低成本，在各种加工工艺过程中常需使用一些助剂，其中，表面活性剂起着十分重要的作用！3.1在金属清洗中的应用金属清洗实际上贯穿在整个金属加工过程中。清洗剂主要由清洗主剂、缓蚀剂、表面活性剂三大组分构成。表面活性剂在化学清洗中起着吸附、渗透、乳化、溶解、洗涤等作用，其在化学清洗中不仅仅作为辅助剂，而且可以作为主要成分而得到广泛重视，尤其在酸洗、碱洗、缓蚀、除油、杀生等清洗过程中已经发挥出越来越大的作用。目前，以表面活性剂为主体的水基清洗克服了化学酸洗、化学碱洗等其它几种清洗剂的不足，成为金属清洗的主要发展方向。水基金属清洗剂的优点:清洗效率高，去污力强；安全性能好，不污染环境；节约能源，洗涤成本低；洗涤过程对被洗机件无损伤，洗后对机件不腐蚀等。水基清洗剂多以非离子表面活性剂与阴离子型表面活性剂复配物为主体，再加多种辅助剂所组成的混合物？前者去污能力大，具有良好的防锈、缓蚀能力，后者能提高并改进清洗剂的综合性能？其清洗机理是借助于表面活性剂的润湿、渗透、乳化、增溶、分散等作用，使油污在金属表面的附着力削弱，再施以机械搅拌、刷洗、加热、超声波等物理方法，使油污脱离金属表面，而进入洗液中被乳化、分散开。金属清洗中常用的表面活性剂有脂肪醇聚环氧乙烷醚、烷基酚聚环氧乙烷醚、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基二醇酰胺、甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠等。以双辛基聚氧乙烯醚和双烷基苯双磺酸盐两类双子表面活性剂为主的金属清洗剂清洗性能的研究结果表明：这种含有阴/非双子表面活性剂的金属清洗液具有较高的表面活性，阴/非双子表面活性剂之间存在良好的协同效应。3.2在金属磷化处理中的应用磷化处理就是用含有磷酸、磷酸盐和其它化学药品的稀溶液处理金属。金属表面在上述溶液中与磷酸、磷酸盐介质起化学反应，转变为完整的具有中等防蚀作用的不溶性金属磷酸盐层。金属上的这种磷酸盐转化膜具有多种用途，它可以提高油漆与金属的结合力和抗腐蚀性；也可以用做防锈油的载体、金属冷加工过程中润滑剂的载体以及磨擦表的润滑剂等。为了改善磷化膜结构，提高磷化效果，磷化液中还含有其它添加剂，其中表面活性剂的作用有:对金属表面粘附的油污具有乳化增溶的作用，且能防止污垢的再沉淀；使溶液产生润湿、渗透，有利于磷化液与金属表面的接触；降低液体表面张力，有利于磷化反应中氢气的逸出，加强阴极去极化，从而加速磷化成膜过程。磷化处理常用的表面活性剂是由环氧乙烷和各种疏水碳氢长链缩合而成，即非离子表面活性剂。3.3在金属电镀中的应用在电镀过程中，为了提高电解液性能和改善镀层质量，常需加入一些助剂，其中表面活性剂是主要品种之一，它有平整、光亮、扩散、改变镀层物理性能、抑制酸雾逸出等作用。电镀中常用的表面活性剂有平平加、OP乳化剂、十二烷基硫酸钠、亚甲基双萘磺酸钠、氟表面活性剂、脂肪酸聚环氧乙烷酯、聚环氧乙烷蓖麻油等3.3.1镀前清洗液金属工件在电镀前，首先必须除油清洗，使之表面干净?否则，沉积层在表面结合不良，严重时甚至得不到沉积层工件表面的油污有动、植物油脂和矿物油类动、植物油脂在碱性溶液中可以发生皂化反应，形成水溶性的肥皂和甘油而去除；而矿物油或其它不皂化油则不能用碱使之化学分解，须借助表面活性剂的作用才能从金属表面除去在除油过程中，表面活性剂分子首先吸附于油与溶液的分界面上，油污在表面活性剂的亲油基和亲水基的作用下，再加上溶液的对流和搅拌作用，逐渐从金属表面脱离而进入溶液，呈极细小的球形成乳浊液典型的碳钢零件除油液配方:氢氧化钠20～30g/L，磷酸三钠30～40g/L，碳酸钠30～40g/L，OP乳化剂1～2g/L，30～50℃?当零件表面在去除氧化皮进行强腐蚀时，腐蚀过程中产生各种有害气体，气体在逸出时产生酸雾，对环境和设备影响很大?若在酸洗槽中加入少量OP乳化剂后，酸洗溶液表面能产生一层泡沫，防止了酸雾的逸出3.3.2电镀液在镀铬时电流效率极低(10%～15%)，而且使用不溶性铅阳极，通电后两极产生大量的氢和氧，容易产生有害的铬酸烟雾铬雾污染环境，危害操作人员的健康，而且引起设备的腐蚀为抑制铬雾的产生，可以在镀铬液中加入少量全氟烷醚磺酸盐表面活性剂，在镀铬时溶液表面形成一层泡沫，抑制了铬雾逸出，既确保了操作者的健康，又可降低铬酸消耗电镀中使用的表面活性剂对电沉积过程起着直接和间接的作用，这些作用的实质是在电极和溶液界面上有机化合物的表面活性作用随着科学技术的进步，表面活性剂在电沉积中的应用必将进一步得到重视和发展。3.4在防蚀及其它方面的应用对于大多数金属，由于周围介质的影响，在金属表面会因发生化学或电化学变化而遭受腐蚀据统计，每年由于腐蚀而耗掉的金属和报废的金属设备与材料约相当于金属每年产量的30%为了减少金属腐蚀，需在金属表面涂一层保护层或改变腐蚀介质性质等方法，以隔绝金属体与周围环境的直接接触除上述磷化处理、电镀方法外，还有涂防锈油等方法缓蚀用表面活性剂有烷基醇酰胺、十八烷基胺环氧乙烷加成物、季铵盐、羧酸铵、咪唑啉衍生物、环烷酸钙(锌)、烷基萘磺酸钠、磷酸酯等.四、表面活性剂的发展趋势表面活性剂素有“工业味精”之称，新世纪中人们将会进一步拓宽其应用领域，除在造纸、食品、建筑、交通、水处理和农业等方面开发应用之外，还会大力开发其在纺织和能源方面的应用。目前我国每加工100千克纤维耗助剂4千克，而国际先进水平为每加工100千克纤维耗助剂7千克。我国2010年纤维加工总量预计为1350万吨，所以，纺织助剂依然是表面活性剂工业应用的一个重点。能源工业将成为我国表面活性剂应用的另一个热点，特别是在三次采油和重油远距离输送方面。另外，表面活性剂在材