高效水基金属清洗剂的研制

高效水基金属清洗剂的研制

在表面清洁过程中，会产生大量的污垢。一般来说，油和矿物油是用来清洁油和其他原料的。有由染料、香烟和其他上游过程中使用的金属氧化物、缓冲液、洗涤剂和其他过程中使用的化合物。由这些物质组成的油污——油腻性污垢,特别是经历较长时间的变化后,经过加热、干燥等化学反应,在金属表面形成非常顽固的、颜色较深的用普通洗涤剂难以很好去除的顽固污垢。近年来国内外开发出以表面活性剂为主要成分的水基清洗剂。这类清洗剂具有清洗性能好、去污力强、无毒、不易燃、使用安全、节约能源、减少环境污染,并且还正向具有常温、低温、高效、防锈、粉剂型、专用型、适合机械化自动化清洗等优点的方向发展。但随着水基清洗剂的应用日益广泛,其成分中含磷物质造成水体富营养化和传统表面活性剂的难降解的问题逐步显露,与目前清洗行业对金属清洗剂的要求相比还有一定的差距,不能完全满足市场的需要。为此,研制性能良好的环境友好型水基清洗剂很有意义,成为国内外研究清洗剂的一个热点领域。本文以表面活性剂为主体,利用表面活性剂对油污的乳化、分散特性,辅以助剂调节清洗性能,研配了一种在常温下即可迅速除去油污的高效水基金属清洗剂,同时具有去污力强、稳定性好、环境友好等特点,是传统金属清洗剂的理想替代品。1实验部分1.1保洗机、bxj-iii模型电子天平、SFJ-400砂磨、分散、搅拌多用机、701型电热干燥箱、DK-8B型电热恒温水槽、BXJ-III摆洗机、pHS-25型pH计;异丙醇、椰油酰胺基丙基二甲基氧化胺(CAB-30)、十六烷基二苯醚二磺酸盐(C16-ADPEDS)、异构脂肪醇聚氧乙烯醚(FansmaxAEO7-13)、污垢分散剂(TA-P)、有机高聚羧酸金属化合物(F-8)。1.2清洗过程机理机械加工中的污垢主要来自各种加工介质和外部环境,其污物形式可分为两类:(1)固体污物如灰尘、金属屑、氧化物等;(2)有机化合物类,如动植物油及矿物油等。两类污物并非单独存在,多半是相互交混同时存在。碱性清洗液去污垢的机理是在一定的温度下溶液与污垢发生皂化作用,使部分污垢在溶液冲力作用下,与基体脱离。金属清洗剂的清洗过程是清洗剂中表面活性剂在低温条件下,降低了界面张力,产生定向吸附、润湿、乳化、分散、增溶等综合作用,再借助于清洗时加热、刷洗、喷洗、振动或超声波等清洗方法,使污物更快脱离工件表面,分散到清洗液中,从而达到除污消垢的作用。可见,金属清洗剂的清洗是基于清洗液与工件表面间的活性作用及机械力或液力的综合作用。清洗过程首先要能破坏污垢在工件表面的粘附性,降低其与工件表面的结合力,同时又能阻止细小污垢重新集聚。1.3表面活性剂检测参照JB/T4323.2—1999《水基金属清洗剂试验方法》、GB/T6368—2008《表面活性剂水溶液pH测定电位法》等标准,分别以铸铁、碳钢、黄铜、铝、不锈钢为试验材质,对配制清洗剂进行外观、pH、脱脂率、漂洗性能和腐蚀性能等综合性能进行检测。2结果与讨论2.1复配表面活性剂的筛选表面活性剂的润湿、乳化、分散能力与HLB值紧密相关,适合作水基清洗剂表面活性剂的HLB值在8~14之间。表面活性剂在清洗剂配方中可以降低液/液界面张力,改变体系界面状态,促进清洗剂溶液对油垢表面的渗透、润湿,还能通过对去除的污垢进行分散、增溶、乳化,将油污乳化分散成细小的粒子,然后靠机械(外力)作用使污垢脱落,保证清洗剂效果的实现。由于金属表面污垢层紧密,剥离较难,且受污严重,故宜选用渗透力强,润湿速度快,乳化、去污效果好,泡沫低,易溶于水,对pH、水硬度、温度不敏感的表面活性剂。有资料表明,阴离子表面活性剂的脱脂率较低;两性离子表面活性剂由于在不同pH情况下呈现出来的是阳离子和阴离子或阳离子和非离子型的表面活性剂,其脱脂率有的高、有的低;而非离子表面活性剂的脱脂率相对较高。但是,由于不同的非离子表面活性剂有不同的浊点,非离子表面活性剂超过浊点性质发生变化,从而影响其脱脂性能,因为脱脂清洗的温度有时需要加热,所以要选用浊点较高的非离子表面活性剂。另外,非离子表面活性剂中加入阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂后可以降低非离子表面活性剂的临界胶束浓度,提高了非离子表面活性剂的脱脂率。非离子表面活性剂浓度达到临界胶束浓度时,非离子表面活性剂的脱脂率达到最大值,对同一种非离子表面活性剂加入不同用量的表面活性剂其脱脂率不同。因此,不同类型表面活性剂的合理复配,将最大限度的提升表面活性剂的协同效应,与其它辅助组成更好的相容。综合以上考虑,选择阴离子表面活性剂C16-ADPEDS、非离子表面活性剂FansmaxAEO7-13、两性表面活性剂CAB-30进行复配。将所选用的三种类型表面活性剂作为正交复配的3个因素,每个因素3个水平,选用正交表L9(34)进行正交复配,得到9组正交试验结果,具体如图1所示。从图1可知,表面活性剂按不同复配比例,结果差别很大,说明表面活性剂的协同效应受表面活性剂复配比例的影响。当复配比例m(FansmaxAEO7-13)∶m(C16-ADPEDS)∶m(CAB-30)为1∶2∶2和2∶2∶1,脱脂率最好。试验表明,当复配比例为1∶2∶2时,超过清洗温度40℃时出现明显的浑浊,说明此时表面活性剂复配后的浊点已经低于40℃清洗温度,40℃不能使用;而复配比例为2∶2∶1时,浊点超过40℃,而其它7个复配比例的脱脂率比加入单一的非离子表面活性剂都低,所以选择m(FansmaxAEO7-13)∶m(C16-ADPEDS)∶m(CAB-30)=2∶2∶1。2.2复合表面活性剂的制备从图2可以看出,随着表面活性剂的增加,清洗剂的脱脂率不断增加,当表面活性剂用量达到4%~5%时,清洗剂的脱脂率达到最大,再增加表面活性剂的用量其脱脂率的变化不大,此时用量达到表面活性剂的临界胶束浓度。大于临界胶束浓度时,溶液中犹如添加了许多“袋子”,把不溶的油污装入“袋子”,产生增溶作用,此时继续增加表面活性剂用量,对清洗剂的脱脂效果影响不大。由于水中的钙、镁离子会使清洗剂中表面活性剂的脱脂率降低,通过加入助剂可起到分散、配位、防止油污在沉积的作用,并且能调节溶液的pH,改善表面活性剂的脱脂性能。本试验选用污垢分散剂(TA-P)、三乙醇胺(TEA)复配作为软水剂,当复配比例m(TA-P)∶m(TEA)=1∶9,添加量为4%~6%,对硬水有强的络合力,软化硬水,对油污有强分散力,对污垢有携带力。在低浓度下即能阻止或减缓金属在环境介质中腐蚀速率的物质称为缓蚀剂。本试验采用的缓蚀剂为有机高聚羧酸金属化合物(F-8),添加量为0.02%~0.06%。F-8为金属离子型缓蚀剂,不含磷元素、在金属表面形成无机与有机复合防腐膜,能封闭防锈膜孔隙,有较好的防锈性,有效防止金属腐蚀的发生。在水基金属清洗剂中添加少量的有机溶剂能明显增强清洗剂对油脂的溶解能力。经常使用的溶剂有醇类、醇醚类及其他溶剂。本试验选用异丙醇,添加溶剂后会使粘度有所下降,用量一般不要太大,添加量控制在7%~9%。2.3正交试验的设计新型高效水基金属清洗剂由表面活性剂、异丙醇、软水剂、缓蚀剂等配制而成。先采用单因素试验确定表面活性剂、异丙醇、软水剂、缓蚀剂的用量范围,然后采用多因素正交试验对除油剂配方进行优化。经全面考虑,最后确定表面活性剂、异丙醇、软水剂、缓蚀剂为本试验的试验因素,分别记作A、B、C和D,进行四因素正交试验,各因素均取三个水平,因素水平表见表1所示。表2中试验因素主次顺序为A>B>C>D,优水平为A3,B3,C3,D2,所以四个因素的优水平组合A3B3C2D2为本试验的最优水平组合,即清洗剂最优配方为表面活性剂5%,异丙醇9%,软水剂4%,缓蚀剂0.04%。通过四因素三水平正交试验结果分析,添加配方部分辅助原料,确定清洗剂的最佳配方,即异构脂肪醇聚氧乙烯醚2%、十六烷基二苯醚二磺酸盐2%、椰油酰胺基丙基二甲基氧化胺1%,异丙醇9%,污垢分散剂0.4%,三乙醇胺3.6%,有机高聚羧酸金属化合物0.04%,水余量。2.4清洗效率测试用清洗剂对试样进行脱脂10min,测试不同温度下的脱脂效率,结果见图3。结果表明:清洗剂在20℃以上对试样脱脂5min,基本上可完全脱脂。考虑到能耗成本,故一般选择20~30℃常温条件作为清洗剂最佳施工脱脂温度。2.5不同时间本产品本构模型的润滑效果以清洗剂最佳配方为基础,在20~30℃常温条件下,对不同时间清洗剂的脱脂效果进行测定,结果如图4所示。结果表明:在20~30℃常温条件下,使用本清洗剂清洗试样脱脂5~6min,即可完全脱脂。2.6软水剂、缓蚀剂研制的清洗剂由表面活性剂、异丙醇、软水剂、缓蚀剂等配制而成。具有稳定性好、常温脱脂、金属腐蚀性小、环境污染小等特点。检测结果如表3所示。3本品的清洗效果(1)研制的清洗剂由表面活性剂、异丙醇、软水剂、缓蚀剂等配制而成。当表面活性剂复配比例为m(FansmaxAEO7-13)∶m(C16-ADPEDS)∶m(CAB-30)=2∶2∶1,用量为5%,异丙醇用量为9%,软水剂复配比例为m(TA-P)∶m(TEA)=1∶9,用量为4%,缓蚀剂F-8用量为0.04%时,清洗剂在20~30℃常温条件下,清洗试样脱脂5~6min,即可完全脱脂。(2)研制的清洗剂渗透、乳化、分散及抗再沉淀能力强,清洗时间短,清洗温度低,具有优异的清洗和防腐防锈能力以及生物降解功能。能有