7系铝合金的绿色环保型清洗剂的开发

刘宁华 ，郭艳红，赖心翘，李晓彤，梁舒婕

1.广州三孚新材料科技股份有限公司，广东 广州 510700

2.华南农业大学材料与能源学院，广东 广州 510642

俗称“航空铝”的7系铝合金由于其硬度接近钢材，同时具备抗剥落腐蚀、抗应力腐蚀开裂、抗疲劳与断裂韧性高等特性，近年来除了被广泛应用于飞机的承力构件、起落架、火箭、螺旋桨、航空飞船等之外，还被各大电子消费品制造商所青睐，被用于生产手机中框及后盖、电脑外壳等产品[1-3]。7系铝合金在生产加工过程中有多种不同的工艺，在预处理(如阳极氧化)后有时会进行高光倒角、铣槽等再加工，加工后离不开清洗工序。在实际操作过程中，阳极氧化后的产品对阳极氧化膜层的颜色(Lab值)和光泽有十分严格的要求，因此对清洗剂的要求很高，既要保证油污能被快速清洗干净，又要保证产品的光泽不受影响，与传统的酸性或碱性清洗区别很大[4-6]。另外，随着环保的要求越来越高，清洗剂需满足无磷、无氟、无氨氮、无硝酸盐、无亚硝酸盐、无任何强酸强碱、无有毒重金属等要求，这给清洗剂的开发增加了不少难度。

国内有很多公司对此进行了大量研究，申请了很多专利。如专利CN107740109A公开了一种清洗剂及其制备方法，该清洗剂虽然声称适用于5、6、7系铝合金，但清洗后7系铝合金产品的Lab值和光泽大受影响，阳极氧化膜容易被腐蚀，而且配方中含有大量强酸，给清洗的后处理工序及生产工艺带来极大不便；专利CN105112978A所述清洗剂虽然也可清洗5、6、7系铝合金，但当用其清洗经阳极氧化后再进行数控加工的7系铝合金时，铝合金表面氧化膜会被腐蚀，使清洗后产品的光泽受到很大影响；专利CN110644010A公开了一种7系铝合金清洗剂的制备方法，该清洗剂虽然不含强酸和强碱，但依然需要添加多聚磷酸钠作为助洗剂，不符合环保要求。因此，开发一种清洗效果好并能保证产品Lab值和光泽不受影响的7系铝合金绿色环保清洗剂是十分必要的。

本文在前期清洗剂的研究基础上添加助洗剂和缓蚀剂，考察了它们不同的添加量下清洗后基材的水接触角、Lab值和光泽。

1 实验

基体材料为应用较广的7075铝合金，其成分除了铝之外包含了硅0.40%、铁0.50%、铜1.2% ~ 2.0%、锰0.30%、镁2.1% ~ 2.9%、铬0.18% ~ 0.28%、锌5.1% ~ 6.1%、钛0.20%和其他合金元素0.15%，做成100 mm ×50 mm × 2 mm的长方形薄板。

处理工艺流程为：清洗(60 ~ 70 °C，5 min)→水洗3次→压缩空气吹干→烘干(80 ~ 100 °C，10 min)。

前期研究开发的清洗剂基础配方为：硼砂2.4 g/L，纯碱2.0 g/L，葡萄糖酸钠0.025 g/L，非离子表面活性剂0.25 g/L。为获得更优良的清洗效果，拟先后添加无机盐助洗剂(五水合偏硅酸钠)和有机酸盐缓蚀剂(柠檬酸钠)，并通过单因素实验对其质量浓度进行优化。

选取数块未处理的7075铝合金试片，称重记为m1，再在相同条件下涂油，称重记为m2，然后分别浸泡在制备的清洗剂(加热至50 °C)中清洗5 min，水洗后100 °C烘干10 min，再称重记为m3。清洗率η按式(1)计算。

使用深圳市三恩时科技有限公司的CR8型色差分析仪分别对清洗前、清洗后的7075铝合金试片进行色差分析，色度空间以Lab值表示，L表示明度，a表示红绿值，b表示黄蓝值。

使用深圳市三恩时科技有限公司3nh型光泽度分析仪分别测试清洗前和清洗后7075铝合金试片的光泽(G)。

通过丰度仪器科技(南京)有限公司的JY-PHa-JCA2206型接触角测量仪对清洗后7075铝合金试片表面的水接触角(θ)进行测定，取4个测量位置的平均值。水接触角越小说明清洗越干净。

在环境温度为(20 ± 5) °C的条件下，通过德国析塔SITA-Lab Solution全自动动静态表面张力仪测量溶液的表面张力。

2 结果与讨论

2.1 无机盐助洗剂添加量的确定

从图1和图2可以看出，当助洗剂质量浓度小于5.0 g/L时，随着助洗剂质量浓度的增大，7075铝合金试片清洗后的L值和光泽提升幅度较大，水接触角越来越小(即表面润湿性越来越好)，除油率越来越高。当助洗剂质量浓度大于5.0 g/L时，随着助洗剂质量浓度的增大，7075铝合金试片清洗后的L值和光泽提升幅度越来越小，表面润湿性和除油效果慢慢变差。因此，最佳的无机盐助洗剂质量浓度为5.0 g/L。

图1 在不同助洗剂质量浓度下清洗后7075铝合金试片的Lab值(a)和光泽(b)的变化Figure 1 Variations in Lab value (a) and glossiness (b) of 7075 aluminum alloy specimen after being cleaned at different mass concentrations of sodium metasilicate pentahydrate as an additive

图2 在不同助洗剂质量浓度下清洗后7075铝合金试片的水接触角(a)和除油率(b)Figure 2 Water contact angle (a) and oil removal efficiency (b) of 7075 aluminum alloy specimen after being cleaned at different mass concentrations of sodium metasilicate pentahydrate as an additive

2.2 有机酸盐缓蚀剂添加量的确定

在基础配方中添加5.0 g/L无机盐助洗剂的情况下，继续添加有机酸盐缓蚀剂进行试验。从图3和图4可以看出，当缓蚀剂质量浓度小于0.75 g/L时，随着缓蚀剂的质量浓度不断增大，清洗后7075铝合金试片的表面润湿性和清洗效果越来越好；当缓蚀剂质量浓度大于0.75 g/L时，随着缓蚀剂的质量浓度继续增大，7075铝合金试片的表面润湿性和清洗效果变差，因为高浓度的缓蚀剂会抑制清洗剂对油污的乳化和剥离能力。因此，有机酸盐缓蚀剂的最佳质量浓度为0.75 g/L。

图3 在不同缓蚀剂质量浓度下清洗后7075铝合金试片的Lab值(a)和光泽(b)的变化Figure 3 Variations in Lab value (a) and glossiness (b) of 7075 aluminum alloy specimen after being cleaned at different mass concentrations of sodium citrate as a corrosion inhibitor

图4 在不同助洗剂质量浓度下清洗后7075铝合金试片的水接触角(a)和除油率(b)Figure 4 Water contact angle (a) and oil removal efficiency (b) of 7075 aluminum alloy specimen after being cleaned at different mass concentrations of sodium citrate as a corrosion inhibitor

2.3 优化前后清洗剂的性能对比

综上所述，整个清洗剂的优化配方为：硼砂2.4 g/L，纯碱2.0 g/L，葡萄糖酸钠0.025 g/L，非离子表面活性剂0.25 g/L，无机盐助洗剂5.0 g/L，有机酸盐缓蚀剂0.75 g/L。对基础配方和优化配方进行对比测试。

从图5可以看出，经基础配方清洗后的7075铝合金试片表面纹理模糊，有黑色杂质，这种黑色杂质含有C和O(见表1)，应该是残留的油污。而经优化配方清洗后的表面机械纹理清晰，无其他杂质，说明优化配方可以降低对基材的腐蚀，获得更好的清洗效果。

表1 图5a中红色箭头所示黑色颗粒的EDS分析结果Table 1 EDS analysis result of the black particle noted by a red arrow in Figure 5a

图5 采用基础配方(a)和优化配方(b)清洗后7075铝合金表面的微观形貌Figure 5 Micromorphology of 7075 aluminum alloy surface after being cleaned with the original (a) and optimized (b) cleaner composition

从图6中可以看出，7075铝合金试片经优化配方清洗后的表面水接触角小于基础配方清洗后的水接触角，说明优化配方可以改善工件表面润湿性。

图6 采用基础配方(a)和优化配方(b)清洗后7075铝合金表面的水接触角Figure 6 Water contact angle against 7075 aluminum alloy surface after being cleaned with the original (a) and optimized (b) cleaner composition

从表2可以看出，7075铝合金试片经优化配方清洗后表面的L值和光泽与基础配方相比都有更大提升，除油率也更高。

表2 采用不同配方清洗后7075铝合金表面的Lab值和光泽的变化，以及除油率Table 2 Variations in Lab value and glossiness for 7075 aluminum alloy after being cleaned with different cleaner compositions and their oil removal efficiencies

3 结论

在由2.4 g/L硼砂、2.0 g/L纯碱、0.025 g/L葡萄糖酸钠和0.25 g/L非离子表面活性剂组成的清洗剂基础上，添加5.0 g/L五水合偏硅酸钠作为助洗剂和0.75 g/L柠檬酸钠作为缓蚀剂，可以降低对7075铝合金基材的腐蚀，获得更优良的清洗效果和改善工件表面的润湿性。