高效微泡环保型水基金属清洗剂的研究.doc

论文编号：题目：高效微泡环保型水基金属清洗剂的研究摘要经过大量试验，筛选出高效微泡环保型水基金属清洗剂的定型配方，并进行其相关性能指标的测试。研究表明，它不仅具有良好的脱脂去垢作用、防锈作用、缓蚀作用、而且具有泡沫量小、安全无毒、无环境污染的特点，是综合指标优良的新一代水基金属清洗剂。关键词水基 金属 清洗剂在金属制品的制造和使用过程中，金属表面难免受到污染，如各种酸、碱、盐、灰尘、切屑、磨料、抛光膏、切屑液、手汗以及各种油脂等1。如不及时处理，将会加速金属基体的腐蚀，据统计世界各国因腐蚀而造成的金属损失约占金属总产量的20%,若以我国1986年产钢5000万吨计算，即使只损失10%，那么这一年就有500万吨钢被腐蚀掉了，这个数字比宝山钢铁总厂一期工程产钢量还多，这是一种极大的浪费2，除此之外，金属腐蚀甚至还会造成灾难性事故。因此消除金属表面污染，努力防止和减少金属腐蚀是节约能源，发展生产的一件大事。工业清洗剂，即指公共设施清洗用洗涤剂，是民用洗涤剂的延伸。在美国，工业清洗剂的市场销售额从1978年的19亿美元，增长到1985年的41亿美元，年增长率11%，西欧工业清洗剂总产量约为6.2×105t年，美国10家最大的民用洗涤剂厂有8家生产工业清洗剂，工业与民用产量之比为1:6，销售额为1:3，可见其利润比民用高。金属清洗剂就是其中的一个重要品种，常用的金属清洗剂有石油溶剂型和水基清洗型两大类3-4。石油溶剂型金属清洗剂因含有比水基金属清洗剂溶解能力更强的溶剂，清洗能力更强，可以除去沉积的污垢，一般用于离线清洗、浸泡、溶解污垢，这类金属清洗剂因环境与安全问题，逐渐被水基金属清洗剂所代替，水基金属清洗剂具有安全无毒，使用方便以及价格便宜等优点。它不但能清洗绝大多数污物，如盐分、油烟、有机和无机化合物等，而且能减缓金属锈蚀和磨擦、磨损，并有一定的防锈性能。近年来，尽管水基金属清洗剂的发展速度很快，但是按目前我国清洗行业对金属清洗剂的要求，还有较大的差距。现有产品普遍存在泡沫丰富，漂洗困难，易产生雾斑，洗涤液生物降解性差等诸多弊端，尚不能完全满足市场的需要。鉴于此种情况，作者旨在研制一种高效，低泡，安全无毒，缓蚀防腐，常温去污效果优良，产品稳定不分层，无结晶，适用范围广泛，有显著的经济效益，社会效益和环境效益水基金属清洗剂。1、实验部分1.1 清洗剂的基本组成成分的选定水基金属清洗剂主要由三大部分组成，即表面活性剂、助洗剂与添加剂、溶剂水。其中表面活性剂对污垢的溶解和剥离起关键性作用，它能够显著降低水的表面张力，使油污表面能够被水溶液所润湿。并从油污表面渗透到金属表面，从而降低油污与金属表面的粘附力，使油污从金属表面剥落溶解并悬浮于清洗剂溶液中；助洗剂与添加剂具有多种功能，通过与表面活性剂协同作用，提高清洗剂的各项性能指标，水作为溶剂，既可起溶解作用，又可降低金属清洗剂成本，提高综合效益。1.1.1 表面活性剂的选定根据对国外清洗剂样品进行分析得知，一种既带阴离子基团又带阳离子基团的表面活性剂，N烷基氨基丙酸型两性表面活性剂（NAlkylAminopropionatoZwittenionic）它从水溶液吸附到金属表面上，起到缓蚀的作用5，在发达国家开发应用较早，已形成系列产品6.但是经过试验，它在碱性PH值范围内泡沫丰富，不易清洗。对各种表面活性剂作用进一步研究，发现阴、阳离子混合表面活性剂的表面活性比单一组分的表面活性高得多7.但因正负电性中和，混合体系的水溶液不稳定，一旦浓度超过临界胶团浓度（cmc）以后，就将沉淀或分层析出，而失去表面活性7-8。但是，最近在阴、阳离子混合表面活性剂水溶稳定性研究方面已取得了重要进展，可以得到任意混合比和浓度之下都不分层的阴、阳离子混合表面活性剂9-10。经过多次试验，将非离子表面活性剂与阴、阳离子表面活性剂进行复配，效果较好。筛选确定由烷基酚聚氧乙烯醚等多种非离子表面活性剂，YAM等多种阴离子表面活性剂以及具有缓蚀作用的YXC等阳离子表面活性剂组成复配表面活性剂，具有良好的污垢剥离能力和缓蚀效果，能满足水基金属清洗剂的要求。1.1.2 螯合剂的选定配方中约含1-10%的螯合剂，其作用是与清洗液中的金属粒子反应，防止生成有害的反应产物，同时降低水的硬定，起到软化水的作用。螯合剂一般呈中性，较好的螯合剂有磷酸盐，常用的为三聚磷酸钠，但由于三聚磷酸钠（STPP）易造成水质的富营养化，逐渐被其它的螯合剂所取代，经过研究我们筛选出一种性能优良的非磷螯合剂。1.1.3 助溶剂的选定助溶剂主要是用于增加表面活性剂在水中的溶解分散能力。助溶剂的非极性基团一端与表面活性剂作用，极性基团一端与水作用，从而将两者连接起来，增加它们的互溶性，形成稳定的均匀的透明溶液。助溶剂对污垢有溶解和分散作用，可增加清洗剂的清洗能力。有些醇、醚、酮等既能溶于水又能溶于有机物，是性能优良的助溶剂，经过筛选，确定以乙醇、尿素、二甲苯磺酸钠等作为助溶剂。1.1.4 消泡剂的选定水基金属清洗剂除具有良好的清洗和去污作用外，泡沫量也是衡量表面活性剂的一个重要应用技术指标。实际上，在所有工业清洗作业过程中都要干扰泡沫形成，尽管这一要求很难实现，但却决定着表面活性剂的狭窄选择范围。由于以表面活性剂为主要成分的水基金属清洗剂，其清洗液在高压喷射时，极易产生大量泡沫，在较长时间内不能自动消失，妨碍生产现场的正常操作，使清洗工作无法进行。因此，一般水基清洗剂在机械压力喷射清洗机上无法使用，所以消泡自然成为现代高性能水基清洗剂不可缺少的一项重要性能指标11，常用的泡沫调节剂有肥皂、硅酮、聚乙醚、石蜡油等。聚醚具有较好的消泡能力，但由于价格偏高，实验研究表明FEM既是一种新型的非离子表面活性剂，又是一种性能优良的消泡剂。除此之外，还可以在配方中加入适量的防腐剂，酶制剂等，以保证各组分复配后的各项质量指标达到最佳要求。1.2 清洗剂配方的筛选与确定表面活性剂和助剂成分确定后，通过调整组分含量，可以得到不同性能的清洗剂，选取三种组分含量不同的清洗剂，做对比性能指标测试实验，其原料及配比见表1.表1 原料及配比（重量百分比）NO1NO2NO3硼砂 0.50.50.5螯合剂3.03.03.0EDTA0.20.20.2Na2SiO35.05.05.0YAM1.02.02.5YEC1.01.02.5TX-102.53.55.0FEM 1.02.02.565012.54.05.0油酸三乙醇胺2.53.54.0YXC0.250.30.3骈三氮唑0.010.010.01助溶剂5.03.04.0去离水余量余量余量 1.3 清洗剂的研制方法先将硼砂、螯合剂、乙二胺四乙酸钠（EDTA）、硅酸钠按一定的投料顺序逐步溶解在一盛有水的容器中；再依照先加阴离子表面活性剂、后加非离子表面活性剂、最后加阳离子表面活性剂的顺序将表面活性剂逐步溶解在另一盛水的容器中。加热搅拌溶解备用，温度控制在5060。全部溶解后，将两份混合，再添加苯骈三氮唑与助溶剂，补加去离子水至总为100%，搅拌混匀即可。1.4 清洗剂性能指标测试1.4.1 金属试片的制备按照ZBY-43003-86标准及试验方法，分别以铁、钢、黄铜、铝为试验材质，尺寸为50×50×3-5mm，用400号砂纸作精细磨光，经无水乙醇洗净后，移至丙酮中漂洗，热风吹干，存放于干燥器内备用。1.4.2 清洗液的配制用去离子水配制成3%浓度的清洗液。1.4.3 去污率的测定1.4.3.1 人造油污的配制凡士林88.9%，活性碳11.1%混合，搅拌均匀即可。1.4.3.2 人造油污的涂覆将制备好的试片，置于40±2烘箱中干燥30min后，冷却称重，准确至±0.2mg。将称重后的试片平放在干净的滤纸上，用小刀摄取人造油污，均匀地涂覆在试片一面上的规定部位，并将试片两侧和底边多余的油污用滤纸擦去。油污涂覆控制在0.1g左右。然后将涂好的试片放入40±2烘箱中干燥30min后取出，用滤纸擦去底边的油污，冷却称重。1.4.3.3 去污率的测定程序试液温度保持在60±2，将涂好的试片置于清洗液中浸泡3min，摆洗3min，取出试片在60±2的蒸馏水中摆洗半分钟，取下试片，放入40±2的恒温烘箱中干燥2h，冷却至室温，称重，计算去污率。1.4.3.4 去污率的计算接公式 计算去污率式中去污率，%；试片质量，g；试片涂覆油污后的质量，g；涂覆油污试片清洗后的质量，g.1.4.4 高温稳定性试验将5ml清洗剂倒入洁净试管中，加塞后放入60±2恒温水浴中，水面高于试管液面20mm，6h后取出，待恢复至室温后，观察外观变化。1.4.5 低温稳定性试验另取试样，放入冰箱里于-5±2保持24h，取出，恢复至室温观察外观变化。1.4.6 水分挥发物的测定于已恒重的称量皿（）中，称取样品约2g，称准至0.2mg，在105±2烘箱内干燥4h，取出，放在玻璃干燥器内冷却至室温，加盖称量。按下式计算水分及挥发物含量的百分数（）：式中样品烘干后失重，g；样品质量，g.1.4.7 漂洗性能测试将盛有试夜的烧杯，放入60±2的恒温水浴中，将准备好的试片金浸在试液中5min。取出后，立即用滤纸吸去试片下端液体，放入40±2烘箱中干燥30min。取出试片在温度为60±2的蒸馏水中来回摆动10次，取出后，用热风吹干，检查试片外观。我们对用去离子水配制的3%（w/w）清洗剂溶液的外观，PH值，耐高温稳定性、耐低温稳定性、水分挥发物、漂洗性等进行了试验，试验结果分别见表2、表3。表2 清洗剂的各项指标检测结果NO1NO2NO3外观淡黄色透明粘液黄色透明粘液黄色透明粘液PH值（3%溶液）9.09.09.0高温稳定性（60±2. 6h）均匀不分层均匀不分层均匀不分层低温稳定性（-5±2. 24h）均匀不分层均匀不分层均匀不分层漂洗性（60±2，铝、铜、铁、钢）均无明显残留物和斑痕水分挥发物72.7%55.3%51.0%表3 清洗剂的去污率测试结果NO1NO2NO3铝94.50%87.48%86.77%铜81.15%79.62%76.33%铁80.50%93.78%88.31%钢84.00%87.32%80.40%注：清洗剂浓度为3%，测试温度为60±2。综合考虑，确定以NO2为水基金属清洗剂的定型配方并将其与市售BH-919型BC牌水基金属清洗剂进行了部分性能指标的对比测试，测定结果见表4，研究表明NO2的测试指标优于BH-919。表4 对比性能指标的测试NO2BH-919外观（3%溶液）淡黄色透明液体浑浊且分层PH9.012.0漂洗性无明显残留物少量斑痕去污率铝87.48%发生化学反应铜79.62%92.90%铁93.78%93.30%钢87.32%86.39%为了进一步确定清洗剂NO2最佳清洗温度，以黄铜为试片，进行了相同时间下（浸洗10min），不同清洗温度与去污率的关系试验。试验表明最佳清洗温度在60左右。表5 温度与去污率的试验结果温度（）203040506070去污率（%）24.3032.7046.9059.6079.6281.502、结果与讨论该清洗剂是由阴离子表面活性剂，非离子表面活性剂，阳离子表面活性剂，缓蚀剂等多种组分组成的水基金属清洗剂，按照ZBY-43003-86通用水基金属净洗剂的试验方法对其部分性能进行了测试，并与样品BH-919进行了性能指标对比测试实验。2.1 清洗剂中表面活性剂和助剂的配方设计表面活性剂和肋剂是清洗剂中的两个主要成分，对污垢的溶解和剥落都有贡献12。由于表面清性剂的成本一般要高于助剂成本。如果适当降低表面活性剂的含量而增加助剂的含量，必将降低清洗剂的成本。由表3可知，NO3的活性物含量高于NO1、NO2，但去污率却明显低于NO2，有三种试片的去污率低于NO1，这是由于清洗剂中相关组分相互作用的缘故，有关机理有待更进一步研究，综合考虑，确定NO2为最佳配方。2.2 由于实验条件限制，实验中配制的人造油污是由吸附性较强的活性碳及粘附较强的凡士林制成，故其去污率有些小于90%.2.3 该水基金属清洗剂可配制成不同浓度的清洗液，操作使用方便，可用于多种金属表面清洗。配方中含有硅酸钠，不仅能增加去污率，而且能增强对铝等金属的缓蚀防腐能力；含有苯骈三氮唑对有色金属也具有良好的缓蚀性。试验结果表明最佳清洗温度在60左右，清洗过程中泡沫低，易漂洗，适于自动化清洗。本文所报导的是课题研究的一部分，有关研究结果将陆续加以报导。参考文献1 李伟军，张建琴。水基金属清洗剂。日用化学品科学。1997，（2）；52 谢全彪，吕少仿等。日用化工。武汉：武汉测绘科技大学出版，1992，814 Jeffrey B Woodsoon，Lanee A Cooper. 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