一种环保型金属清洗剂的制备及性能研究

纪发达,纪冬冬,樊 昕

(1.山东龙港硅业科技有限公司,山东 潍坊 261300;2.山东昌邑石化有限公司,山东 潍坊 261300;3.泰山科学技术研究院,山东 泰安 271000;4.泰安市化工专项行动办公室,山东 泰安 271000)

金属清洗是现代生产和工业加工中不可缺少的工艺环节之一,然而研制高效、环保安全的低成本水基清洗剂是清洗领域的一大难题[1-4]。关于金属表面水基清洗剂的研制,前人已经做了大量的工作[5-13]。水基金属清洗剂成为工业清洗中最常用的清洗剂,但仍存在以下缺点:一是泡沫较多,二是大多含有亚硝酸盐、磷酸盐等对人体有害且污染环境的物质,三是油污乳化分散,不易分离。因此,开发一种洗涤成本低、使用安全、对环境无污染的洗涤剂成为金属清洗行业的主要发展方向。而碱性水基清洗剂由于生物降解性好且无毒的优点,成为应用最广泛的金属清洗产品之一[14]。

笔者以可生物降解的原硅酸钠为主要原料,与助洗剂、表面活性剂、缓蚀剂等复配制备了一种环保型金属清洗剂。原硅酸钠本身具有良好的除油、除垢、乳化和分散性能,与三聚磷酸钠、三乙醇胺[15]等配伍性好,按一定比例加入后不仅可增强助洗及抗再沉积能力,同时可减少表面活性剂的用量,还使清洗剂具有良好的防锈功能。

1 实 验

1.1 主要试剂与仪器

原硅酸钠,工业级,山东龙港硅业科技有限公司;碳酸氢钠,工业级,山东海天生物化工有限公司;三乙醇胺,工业级,山东欣合新材料有限公司;三聚磷酸钠,工业级,武汉市承天精细化工有限公司;脂肪醇聚氧乙烯醚,工业级,山东优索化工科技有限公司;聚二甲基硅氧烷,工业级,湖北臻博化工有限公司;乳化硅油,工业级,上海瀚思化工有限公司;油污,山东龙港硅业科技有限公司。金属试片: 45号钢(60 mm×25 mm×6 mm),LY12BC2硬铝(60 mm×25 mm×6 mm)。

JS-F 101型COD微波消解仪,上海达普美智能科技有限公司;KDS-XP 002型去污摆洗机,苏州科登斯仪器设备有限公司;FoamTester型全自动泡沫分析仪,翁开尔仪器有限公司。

1.2 试样制备

试样抛光后,擦拭干净,放入无水乙醇中浸泡,然后用脱脂棉擦洗,吹干后称重,挂在试件架上备用。

将试片放在干净的表面上,刮取适量的油污,均匀地涂抹在试样的指定部位,油污涂层的量控制在0.16 g左右。

1.3 清洗剂的制备[16-20]

将一定量的去离子水加入到反应釜中,搅拌下加入原硅酸钠、碳酸氢钠,升温至55 ℃,搅拌至完全溶解,然后加入三乙醇胺、三聚磷酸钠,并在400 r/min下搅拌30～45 min,加入脂肪醇聚氧乙烯醚、消泡剂,逐步升温至60 ℃,在300 r/min下搅拌20～30 min,最后降至常温,静置8 h,过滤,即得水基金属清洗剂。

1.4 性能测试

根据GB/T 35759—2017《水基金属清洗剂》,用清洗剂溶液浸泡、摆洗涂覆油污的金属试片,由洗去的油污量计算净洗力。

在500 mL搪瓷药物缸中,倒入能淹没金属试片的3%金属清洗剂溶液,然后将搪瓷药物缸置于(60±2) ℃水浴锅孔中。将涂覆油污的试片在金属清洗剂溶液中浸泡5 min,然后立即震荡清洗5 min。再在400 mL蒸馏水中摆洗10次,取出试片,在(40±2) ℃干燥1 h后取出,于干燥器中冷却至室温,称重,以失重法计算其净洗力[21]。

根据GB/T 35759—2017测定其腐蚀性、防锈性、漂洗性能、pH值、泡沫性能和稳定性能。

2 结果与讨论

2.1 配方的优化

2.1.1 原硅酸钠用量对性能的影响

原硅酸钠是一种无毒、无污染的无机盐类产品,水溶液呈强碱性,比目前清洗剂中采用的偏硅酸钠具有更好的除油效果。实验以9%碳酸氢钠、5%助洗剂三聚磷酸钠、3%非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚和2%三乙醇胺为固定参数,考察了原硅酸钠用量对净洗力、腐蚀性和漂洗性能的影响,结果见表1。

表1 原硅酸钠用量对性能的影响

从表1可以看出,随着原硅酸钠用量的增加,净洗力有所提高,且原硅酸钠的添加量对腐蚀性影响不大,腐蚀量在0.10～0.12 mg之间;随着原硅酸钠用量的增加,渗透性更好。在原硅酸钠的用量为20%时,其净洗力最高,腐蚀量较小,渗透性较好,因此原硅酸钠的适宜用量为20%。

2.1.2 碳酸氢钠用量对性能的影响

以20%原硅酸钠、5%助洗剂三聚磷酸钠、3%非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚和2%三乙醇胺为固定参数,考察碳酸氢钠用量对净洗力、腐蚀性和漂洗性能的影响,结果见表2。

表2 碳酸氢钠用量对性能的影响

从表2可看出,碳酸氢钠的用量增加到9%后,净洗力最高,且碳酸氢钠的添加量对腐蚀性影响不大,腐蚀量在0.08～0.10 mg之间;碳酸氢钠本身也具有较好的去污和稳泡效果,同时对非离子表面活性剂起到一定的催化作用。原硅酸钠与碳酸氢钠配合使用,不含OH-的强碱,性能温和,在不影响去污力的同时,有效抑制强碱对多种金属表面的腐蚀,兼具很强的去油脱脂能力,腐蚀性极小,不损伤金属表面,也避免了对人体皮肤的刺激,在使用过程中对水源、空气和土壤均无污染。

2.1.3 助洗剂三聚磷酸钠用量对性能的影响

以20%原硅酸钠、9%碳酸氢钠、3%非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚和2%三乙醇胺为固定参数,考察助洗剂三聚磷酸钠用量对净洗力、腐蚀性和漂洗性能的影响,结果见表3。

表3 三聚磷酸钠用量对性能的影响

从表3可以看出,随着助洗剂三聚磷酸钠用量的增加,在用量增加到3%之后,净洗力均在98%以上,腐蚀量在0.11～0.14 mg之间,渗透时间也随着助洗剂用量的增加而缩短。助洗剂在7%时净洗力最高,腐蚀量最低,且具有良好的渗透性。助洗剂可以软化硬水,有效地促进污垢颗粒的分散,并能促进污垢的乳化、皂化和溶解,与原硅酸钠及碳酸氢钠配合使用,清洗效果好,除油、除锈效果佳,脱脂率高,除重油类效果更佳,去污能力强,低泡、低温清洗性能好,水溶速度快,使用温度范围宽,并可重复使用。

2.1.4 脂肪醇聚氧乙烯醚用量对性能的影响

非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚[22]作为一种优良的渗透剂、乳化剂、润湿剂和清洁剂,其渗透性较强,能够增加清洗剂整体的渗透与分散能力;乳化能力较强,其乳状液可随温度变化进行相反转,能够进行原位乳化,有利于油污清除。具有受酸碱环境的影响较小、适应性较强、稳定性高、毒性小等特点,且生物降解性好,同时对硅垢具有分散和抑制作用,可避免硅垢的形成,复配使用,具有显著的协同增效作用。

以20%原硅酸钠、9%碳酸氢钠、7%助洗剂三聚磷酸钠和2%三乙醇胺为固定参数,考察了非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚用量对净洗力、腐蚀性和漂洗性能的影响,结果见表4。

表4 脂肪醇聚氧乙烯醚用量对性能的影响

从表4可以看出,当脂肪醇聚氧乙烯醚用量达到3%后,用量再增加,净洗力反而呈下降趋势,腐蚀量逐渐增加,渗透时间也逐渐增加。非离子表面活性剂能够提高溶液在物质表面的扩散,通过复合型表面活性剂达到了一个协同作用,增加了清洗液在污垢表面的分散,提高了去污效果,加入溶解度较大的非离子表面活性剂,不但有利于复配体系溶解度增加,而且还可以改善的脱脂能力,起到增强洗涤效果的双重作用。调控无机碱、助洗剂、表面活性剂之间的配比,利用其协同作用,制备得到的油污清洗剂具有高去污能力、环保、重复使用率高的效果。

2.1.5 三乙醇胺用量对性能的影响

以20%原硅酸钠、9%碳酸氢钠、7%助洗剂三聚磷酸钠和3%非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚为固定参数,考察了三乙醇胺用量对净洗力、腐蚀性和漂洗性能的影响,结果见表5。

表5 三乙醇胺用量对性能的影响

从表5可以看出,当三乙醇胺用量达到2%后,用量增加,净洗力逐渐降低,腐蚀量在0.10 mg左右波动。硅酸盐能够在金属表面形成一层保护膜,有很好的抗氧化作用,起到良好的缓蚀防腐蚀作用,与防锈油或防锈漆相容性好,与三乙醇胺复合使用,可起到优异的防腐、防锈性能。

2.1.6 环保型金属清洗剂的配方及净洗率

综上,环保型金属清洗剂的优化配方(质量比)为:20%原硅酸钠+9%碳酸氢钠+7%助洗剂+3%非离子表面活性剂+2%三乙醇胺,余量为水;清洗剂的净洗力为99.5%,水溶液pH值11.5,腐蚀性达标,防锈性好,漂洗性能优,且稳定性好。图1为清洗温度和时间对净洗率的影响。

图1 清洗温度和时间对净洗率的影响

从图1可以看出,在20 ℃清洗4 min,净洗率达到95.0%;40 ℃清洗4 min,净洗率达到99.0%:符合GB/T 35759—2017对净洗率的要求。当温度上升到50 ℃时,净洗率可达99.8%。另外,清洗速度随着清洗时间的延长而提升。清洗3 min,净洗率可达到标准值98%。考虑到节能成本和生产效率,首选清洗参数为:温度40 ℃,时间4 min。

2.2 与其他产品的清洗剂性能对比

表6为本品与日本K4055清洗剂的性能比较结果。

表6 本产品与日本金属制品清洗剂产品主要性能比较

从表6可以看出,本品与日本K4055清洗剂产品同为碱性清洗剂,但本品pH值低,含固量少,净洗力好,防锈性强,对金属的腐蚀相对较低,漂洗性、稳定性相近。

3 结 论

a.环保型金属清洗剂的优化配方(质量比)为:20%原硅酸钠,9%碳酸氢钠,7%助洗剂三聚磷酸钠,3%非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚,2%三乙醇胺,1%消泡剂。其制备方法简单,原料安全、环保,不伤手,有良好的复配协同效应,实现低泡、清洗温度低、清洗时间短、高去污力的效果。

b.环保型金属清洗剂为均匀、无分层、无沉淀液体,净洗力可达99.5%,腐蚀性达标,防锈性、稳定性及漂洗性能好,各项性能符合GB/T 35759—2017指标要求。

c.环保型金属清洗剂具有优异的生物降解性,能有效地减少脱脂废液对环境的污染;且具有极强的清洗性能和较长的缓蚀周期及良好稳定性,清洗和钝化可同时完成,实现了去污、除油、防锈的同步性。