环保型水基金属清洗剂的研制及其性能研究

水基金属清洗剂是通过润湿、乳化、渗透、卷离、分散和增溶等作用实现金属的去污[1]。现有大多以难以生物降解的烷基酚聚氧乙烯醚( OP-10) 、壬基酚聚氧乙烯醚( NP -10)等复配的表面活性剂以及含磷助剂为主要成分[2,3]。采用环境友好的表面活性剂与助剂已成为水基清洗剂发展的必然趋势。

脂肪酸甲酯乙氧基化物( FMEE) ，具有原料易得、低泡、对油脂增溶能力强、生物降解性好等特点[4,5,6]。烷基糖苷（APG）具有表面活性高、去污力较强、可自然降解等特点[7]，已应用于部分清洗产品中[8]。异构十三醇聚氧乙烯醚是一种绿色环保的非离子表面活性剂，是作为取代壬基酚类表面活性剂的最佳替代品[9]。后两者的复配对除油效果的影响明显[10]。

01 实验部分

1.1 材料与仪器

C8～10脂肪醇葡萄糖苷（APG0810）；C12～14脂肪酸甲酯乙氧基化物（FMEE）；C12～14脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）；异构十三醇聚氧乙烯醚(EO9)；椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（6501）；吐温20；表面活性剂PT，工业级。润滑油。

不锈钢金属试片，尺寸80 mm×60 mm×（0.15~2） mm ，数控超声波清洗器，KV300DV型，昆山市超声仪器有限公司，功率300 W，超声频40 kHz；电子分析天平，MP 5002型，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，BPG-9040A型，上海一恒科学仪器有限公司生产；pH计，PHS-3C型，上海仪电科学仪器股份有限公司。

45#钢片、1Cr18Ni9Ti不锈钢片、LY-12硬铝、H62黄铜片、HT200铸铁，市售。

精密4位天平，型号GL2241，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司。

1.2试片的制备

a. 试片的清洗

先用砂纸将试片打磨光亮，用脱脂棉将试片依次用石油醚清洗两遍，使用室温与55℃无水乙醇各清洗一遍，用热风吹干，干燥器中冷却，称重精确到0.1 mg，此重量记为m1。

b. 试片的涂油

加热润滑油到50℃，浸入试片，1 min 后垂直取出，试片架上放置放置于室内自然环境7天，后70℃老化2 h，刮去试片底部聚集的油滴，常温放置2 h，试片称重，重量记为m2，m2－m1为油污涂量。

1.3 清洗性能的表征

参照行业标准水基金属清洗剂JB/T4323.1-1999。

a. 污垢去除率：将污片超声5 min清洗后，蒸馏水漂洗，再用( 30±2) ℃的蒸馏水500 mL 摆洗5 次，取出试片在(70±2) ℃的烘箱中烘干并称重，记为m3，m2 －m3记为清洗掉油污的量。清洗剂的除油能力用p 表示，p= ( m2 －m3) /( m2 －m1) 。并对不锈钢板面情况进行评价。按照标准方法测定清洗剂对不锈钢、45#碳钢的防锈性能和腐蚀性。

b. 消泡性能检测

工作液50 mL，加入100 mL 的具塞量筒内，在25 ℃，上下摇动10 min，摇动距离约0. 3 m，摇动频率约2次/s，摇动完毕后，打开量筒塞子，静置，观察泡沫消去的时间。

c. 腐蚀和防锈性能测试

单片防锈性试验。试片参照1.2清洗后，用铅笔画格，用圆头玻璃棒蘸取清洗液，准确滴入3个网格内，将试片放入湿润槽隔板上，加盖后置于35℃下恒温箱中，24 h后观察锈蚀情况。

腐蚀性试验。将盛有500 mL 清洗剂溶液的搪瓷药物缸放入恒温水浴锅中，在(70 ± 2) °C 下恒温。将试片置于(35 ± 2) ℃干燥箱中干燥30 min，冷却，称重，记为m3。将试片吊挂全浸于试液中，每个缸中放LY12硬铝试片和45 钢，不锈钢试片和各一片，分别2 h和4 h后取出。蒸馏水中摆洗10次，用乙醇脱水和热风吹干，检查试片外观，再将试片置于干燥箱中干燥，冷却后称重，记为m4。观察试样外观并计算腐蚀量Δm =m3– m4，要求Δm≤2 mg。

02 配方的筛选

2.1 单一表面活性剂的性能

选择生物降解性好，对人体刺激性小的表面活性剂(乳化剂)，测定其表面张力，乳化性和润湿性，如表1所示。

 

结果说明，烷基糖苷和异构醇醚具有较好的表面张力，FMEE的表面张力尚可，乳化、润湿性能较好。

将以上材料进行复配研究。以对油污的清洗能力为标准，设置正交实验，利用L9( 34 ) 正交实验表4 种表面活性剂FMEE，iso-C13AEO9，APG0810，T20这四个因素进行四因素三水平正交试验，正交试验配方见表2。

由表2可见，各种表面活性剂对配方油污的去除能力的影响显著性iso-C13EO9 > APG0810略 >FMEE>T20，均具有很好的消泡性。推断A2B1C3D1为最优组合，即最优配方为 FMEE 6.0%，iso-C13EO9 3.0%，APG0810 6.0，T20 1.5%，6501 2%，PT 1.0%，NaHCO3 3.0%，乙二醇丁醚3.0%，消泡剂1.0%。按照推断的最优配方中的表面活性剂复配后，表面张力、乳化性能、润湿性能如图3所示,结果表明复配后乳化性能得到提升，表面张力和润湿性能均较佳。

 

2.2 不同清洗温度

以最优的配方制备的清洗剂稀释5倍，分别在10℃~70℃，采用超声清洗和摆洗方式对去污的影响，分别在超声波清洗5 min,摆洗条件为3 min浸泡，3 min摆洗 1s/来回。结果如图1所示

说明超声清洗下， 30℃以下去污效果较差。40℃清洗率较好，且在60℃达最大值，60℃后逐渐下降，体系达到浊点；摆洗条件下，40℃以下去污效果较差。50℃清洗率较好，且在60℃达最大值，60℃后逐渐下降，体系达到浊点。说明同等温度下超声清洗的效果要优于摆洗效果。50℃的摆洗效果与40℃超声清洗效果接近。

 

2.4不同稀释倍数

分别优化的配方制备的清洗剂进行稀释2、3、5、7、10、15、30倍，在40℃，超声清洗时间为5 min，考察去污性能的影响。结果如图3所示。

 

由图4可以得知，清洗率随使用次数增加呈下降趋势，经清洗6次以后，其仍然具有良好的清洗性能，其对油污的清洗率仍高达90%。可见，所研发的清洗剂的可重复清洗性能较好，因而可以较为有效地降低清洗剂的使用量以及废液的排放量，是一种较为环保型清洗剂。

2.6不同清洗助剂的影响

在优化的配方下，其它组成不变的情况下，考察不同助剂的影响，样品稀释7倍，40℃超声波清洗5 min，考察其清洗率，如表4所示。

 

2.7不同溶剂的影响

在优化的配方下，其它组成不变的情况下，考察不同溶剂下的去污效果，分别考察二乙二醇丁醚（a）、乙二醇丁醚（b）、丙二醇甲醚（c）、二乙二醇己醚（d）的影响，在常温下去污效果均不太理想，丙二醇甲醚和二乙二醇丁醚的效果较好；而40℃条件下，四者的去污效果差别不大。可见相对而言丙二醇甲醚在常温和40℃下的去污效果较好。而清洗剂的气味来说，4 >1> 3> 2,即乙二醇丁醚的气味最小，而二乙二醇己醚的气味最大。

 

2.8 防锈/ 腐蚀性试验

参照行业标准水基金属清洗剂JB/T4323.1-1999，对优选的配方，进行腐蚀性试验和防锈性试验，稀释5倍，结果如表6所示。

 

03 结论

选用生物降解性较好的表面活性剂为主表面活性剂，开发了一种水基金属清洗剂。且通过正交试验确定了其最优配方组合，添加质量分数分别为：脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE) 6.0%，异构十三醇聚氧乙烯醚（iso-C13AEO9）3.0%，烷基糖苷（APG0810） 6%，吐温20 1.5%；椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（6501）、表面活性剂PT、乙二醇丁醚，碳酸氢钠和消泡剂的添加质量分数分别为2.0%，1.0%，3.0%，3.0%，1.0%。并对清洗工艺条件、溶剂影响、助剂影响进行了考察。研究结果表明：当清洗剂稀释5倍，温度为40 ℃、超声清洗时间为5 min 时，清洗剂的清洗效果最好，污垢去除率为99.1%；重复清洗5次后，对污垢仍有较好的清洗效果，去除率高达90.0%。防锈、腐蚀试验表明，对不锈钢、45#碳钢防锈和腐蚀性能合格。该清洗剂具有环保、清洗率高、低泡等特点。