常温无磷水基金属清洗剂的研制

通讯作者：黄乐，硕士，从事表面处理材料研发常温无磷水基金属清洗剂的研制黄乐，杨岩，李翀(杭州五源公司表面工程研究所浙江杭州）摘要根据阴离子型与非离子型表面活性剂的特点，选择了常温下具有较好的渗透，乳化性能且洗涤效果好的表面活性剂进行复配。通过正交试验，对试验结果进行分析，对配方进行最终优化，结果认为当表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚0.5g/L，异构十三醇聚氧乙烯醚1.5g/L，脂肪醇EO/PO聚醚，2-乙基己基硫酸酯钠盐0.5g/L时，复配效果最佳，优化后的复配方案对油污的清洗率达到99.4%。关键词常温无磷水基金属清洗剂非离子表面活性剂0引言金属清洗剂主要用于零部件生产中的清洗，在涂装、电镀等表面处理中，脱脂是重要的工艺过程，金属制件表面的脱脂程度将直接影响到工件的后续处理质量。水基金属清洗剂以水代油、节省能源、不危害操作者健康、减少污染、保护环境、清洗成本低等特点，在国内外得到迅速发展［1，2］。目前，多数选用的助洗剂仍以磷酸盐为主，但随着水基清洗剂的应用日益广泛，含磷物质排放到环境中造成富营养污染问题逐步显露，并且一些传统金属清洗剂中常用的APEO类表面活性剂生物降解性能缓慢，APEO对环境潜在的危害已经被广泛研究和论证,在欧盟、日本等国的生产和使用受到越来越多的限制［3，4］。因此研制一种适合在工业上使用的，常温环境友好的水基金属高效清洗剂具有很好的应用前景。1试验主要原料本实验选用的表面活性剂有异构十三醇聚氧乙烯醚，脂肪醇EO/PO聚醚，脂肪醇聚氧乙烯醚，2-乙基己基硫酸酯钠盐工业级。助剂选用硅酸钠，碳酸钠工业级。人工油污：N46HL液压油。试片材料：1、试片规格按照JB4323-1999.,采用304不锈钢，50mm×50mm,表面采用200号砂纸打磨[5]。主要仪器设备BZY-1型表面张力仪，上海衡平仪器厂；FA2204B型电子天平，上海精密科学有限公司；HH-2数显电热恒温水浴锅，常州澳华仪器有限公司；DHG-9035A型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司；PHS-25pH计，上海雷磁仪器厂。溶液配置表面张力测试，配置相应浓度的水溶液，实验用纯的水表面张力为72.8mN/m，对应的脱脂实验在表面活性剂溶液中加入硅酸钠10g/L,碳酸钠5g/L［6］。去污试验冷轧钢板浸渍3min后，充分水洗，观察试片表面水膜状态。去污率试片采用304不锈钢片，清洗率按照JB4323-1999.采用3min浸渍+3min2摆洗，摆洗频率30±1次/min，摆洗距离50±2mm。脱脂工艺流程为：试片预除油（金属洗涤剂）→水洗→无水乙醇→丙酮→烘干（40℃，20min）恒重→称重→涂油→恒重→称重→除油（自制水基无磷脱脂剂）→水洗→烘干→恒重→称重。2结果与讨论2.1适合表面活性剂的筛选阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂具有良好的乳化能力和洗净作用，比较适用于水基清洗使用［7］。测定多种表面活性剂的单一表面张力，从中筛选出4种合适清洗冷扎板表面的表面活性剂作为清洗剂的主要成分。筛选出的4种合适的表面活性为：2-乙基己基硫酸酯钠盐（A）异构十三醇聚氧乙烯醚(B)，脂肪醇EO/PO聚醚(C)，脂肪醇聚氧乙烯醚(D)。实验中也确定出在溶液中各表面活性剂质量最佳使用范围。图1列出了本实验选定的表面活性剂的表面张力曲线，试验温度28℃。图1表面活性剂的表面张力曲线2.2浊点测定：非离子表面活性剂在水溶液中可与水形成氢键，当升高溶液的温度到某一点时，氢键断裂，表面活性剂与水相分离，溶液由澄清变浑浊。浊点与表面活性剂的结构有关，表面活性剂的烷烃链越长，或EO数越少，则其亲油性越强，HLB值越小，浊点也应越低，对于EO-PO嵌段共聚物而言，PO链越长，EO含量越低，浊点也就越低。表1为三种非离子表面活性剂在5wt%水溶液中的浊点。-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0253035404550550.81.01.21.41.61.82.02.225303540455055异构十三醇聚氧乙烯醚脂肪醇EO/PO聚醚异辛醇聚氧乙烯醚2-乙基己基硫酸酯钠盐表面张力(mN/m)LogC(g/L)3图2阴离子与非离子表面活性剂复配的表面张力曲线表1非离子表面活性剂在5wt%水溶液中的浊点异构十三醇聚氧乙烯醚脂肪醇EO/PO聚醚脂肪醇聚氧乙烯醚浊点54℃21℃44℃HLB12.312.310.82.3正交试验的设计选用4因素3水平的正交试验表如表2所示，测定各组合的表面张力；在上述溶液中分别加入洗涤助剂硅酸钠10g/L和碳酸钠5g/L，将各组清洗剂加水溶解配制成工作溶液，按照上述脱脂工艺流程进行实验。实验结果列于表2。表2正交实验表试验号A(g)B(g)C(g)D(g)表面张力除油率10.50.50.50.528.197.120.511128.494.530.51.51.51.528.798.140.750.511.528.996.9-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.525303540455055LogC(g/L)表面张力(mN/m)2-乙基己基硫酸酯钠盐(A)脂肪醇聚氧乙烯醚(D)(A)+(D)-3-2-101225303540455055LogC(g/L)表面张力(mN/m)2-乙基己基硫酸酯钠盐(A)异构十三醇聚氧乙烯醚(B)(A)+(B)-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.03035404550556065表面张力(mN/m)LogC(g/L)2-乙基己基硫酸酯钠盐(A)脂肪醇EO/PO聚醚(C)(A)+(C)450.7511.50.528.695.860.751.50.5127.896.5710.51.5129.693.28110.51.528.198.4911.510.527.799.4K1289.7287.2292292.3K2289.2288.7290.8284.2K3290.9294287.1293.4R1.76.84.99.2计算4因素3水平的均值以及每个因素的极差见表2，根据极差大小排出四种表面活性剂对清洗率影响的大小顺序如下：DBCA。依据上述结果，得到的最优方案为：脂肪醇聚氧乙烯醚0.5g/L，异构十三醇聚氧乙烯醚1.5g/L，脂肪醇EO/PO聚醚，2-乙基己基硫酸酯钠盐0.5g/L。添加少量的柠檬酸钠，EDTA2Na。工作液为无色澄清溶液，浊点为46℃，pH值为12.3，游离碱度为16。该溶液常温下对N46HL液压油的清洗率达到99.4%。3结论1.按照水膜法检测其去除冷轧板表面实际油污效果高低来进行判定，脂肪醇聚氧乙烯醚，异构十三醇聚氧乙烯醚，脂肪醇EO/PO聚醚，2-乙基己基硫酸酯钠盐常温下具有较好的渗透，乳化性能，洗涤效果的表面活性剂2.选用正交试验L34表安排试验，分析每个因素对清洗效果的影响。在对试验结果进行分析的基础上对配方进行最终优化。结果认为当溶液中脂肪醇聚氧乙烯醚0.5g/L，异构十三醇聚氧乙烯醚1.5g/L，脂肪醇EO/PO聚醚，2-乙基己基硫酸酯钠盐0.5g/L时，表面活性剂复配具有最优的去污性能。3．该金属清洗剂工作液为无色澄清溶液，浊点为46℃，pH值为12.3，游离碱度为16，该溶液常温下对N46HL液压油的清洗率达到99.4%[参考文献][1]魏竹波，周继维，姚瑶.金属清洗技术[M].北京：化工工业出版社，2003：45-52.[2]陈建秋，曾秋媚.新型常温水基金属清洗剂配方的研制[J].表面技术，2003，32（1）：41-45.[3]余存烨.工业清洗剂的选用及除污机理[J].清洗世界，2008，24（1）：28-34.[4]潘瑞花，陈建华，张剑锋.针对欧盟禁用APEO想到的几个问题[J].化学分析计量,2008,17(1):62-65.[5]JB/T4323-1999，水基金属清洗剂[S].[6]郝建军，王立军.环保型脱脂剂的研制[J].沈阳理工大学学报，2005，24（1）：50-52.[7]肖进新，赵振国.表面活性剂应用原理[M].北京：化工工业出版社，2003：432-433.[8]张志庆.多枝状嵌断聚醚高分子表面活性剂的合成[D].2005：[9]赵国玺，朱埗瑶.表面活性剂作用原理[M].北京：中国轻工业出版社，2002：5.