低泡無(wú)泡型工業(yè)清洗劑的研究

趙建紅

（廣州市浪奇實(shí)業(yè)股份有限公司，廣東 廣州，510660）

工業(yè)清洗中使用大量表面活性劑產(chǎn)生的泡沫，對(duì)清洗有一定的幫助，但也給清洗操作帶來(lái)了不良影響，如在噴淋、高壓清洗時(shí)，泡沫過(guò)多會(huì)產(chǎn)生溢槽、夾帶油污溢出地面，污染操作場(chǎng)地；增加漂洗難度，造成水電浪費(fèi)，降低生產(chǎn)效率；如果無(wú)法徹底漂洗時(shí)也會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì)，如精密電子清洗時(shí)，泡沫的殘留會(huì)影響產(chǎn)品導(dǎo)電等性能；在紡織工業(yè)的染色、印花等工藝中，泡沫殘留可能在成品布上形成斑痕；紙漿漿液中殘留泡沫，會(huì)使成品紙出現(xiàn)空洞造

成質(zhì)量下降等。因此，對(duì)泡沫控制是工業(yè)清洗產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要命題。目前工業(yè)清洗中對(duì)泡沫的控制主要有以下幾個(gè)方向：選擇低泡無(wú)泡型原料、添加消泡劑、應(yīng)用配套的清洗工藝等。本文將從這三個(gè)方向論述低泡無(wú)泡型工業(yè)清洗劑的研究情況。

1 泡沫形成的原因及其消除機(jī)理

1.1 泡沫的形成與穩(wěn)定性

泡沫是一種氣體在液體或熔融固體中的分散體系。向含有表面活性劑的溶液送入氣體或施以攪拌會(huì)產(chǎn)生氣泡，在氣泡的氣—液界面，表面活性劑分子發(fā)生吸附，表活分子的疏水基伸入氣泡親水基伸入水中，形成單分子膜（圖1）；當(dāng)氣泡在液體內(nèi)部時(shí)，界面吸附層會(huì)阻礙氣泡間的碰撞、合并。當(dāng)吸附了表活分子的氣泡因浮力上升至液面時(shí)，與溶液表面的表活分子吸附膜形成雙分子膜（圖2），之后充分排液形成穩(wěn)定的泡沫（圖3）。

圖1

圖2

圖3

泡沫內(nèi)外層的表活分子膜，提升了泡沫液膜的表面黏度和強(qiáng)度，并使液膜具有自修復(fù)作用，延緩液膜破裂時(shí)間，提高泡沫的穩(wěn)定性。表活分子結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響液膜的性質(zhì)進(jìn)而影響泡沫穩(wěn)定性。如碳鏈長(zhǎng)度適中的表活分子，可依靠分子間力在液膜表面形成緊密的吸附層，提高液膜強(qiáng)度。如果表活分子的碳鏈太長(zhǎng)，分子遷移速度慢，液膜自修復(fù)作用差，液膜剛性太強(qiáng)，缺乏彈性。離子型表活分子在液膜的兩個(gè)表面產(chǎn)生靜電斥力作用可提高泡沫穩(wěn)定性。

1.2 泡沫的消除機(jī)理

如上所述，泡沫氣——液界面的雙分子膜使泡沫液膜具有一定的穩(wěn)定性，泡沫的消除一般有下面幾種作用方式：降低液膜強(qiáng)度與透氣性。泡沫液膜強(qiáng)度高，排液速度慢；液膜透氣性高，阻止泡內(nèi)氣體擴(kuò)散，穩(wěn)泡性強(qiáng)。

減低液膜局部表面張力。如加入消泡劑浸入氣泡液膜（圖4），替代了原液膜表面的表面活性劑，降低了此處表面張力，周圍液膜表面張力高，產(chǎn)生收縮力使泡沫破裂。

圖4 消泡劑消泡示意圖

破壞界面膜彈性使液膜無(wú)法自修復(fù)。加入聚氧乙烯硅氧烷等表面張力極低的表活劑，當(dāng)泡沫受到外力的擾動(dòng)和沖擊拉長(zhǎng)時(shí)，液膜上分子濃度降低，因聚氧乙烯硅氧烷表面張力極低，其他表活劑無(wú)法遷移潤(rùn)濕此處補(bǔ)充恢復(fù)液膜，使液膜無(wú)法抵抗外力干擾自我修復(fù)，泡沫容易破裂。

加入固體顆粒，會(huì)吸附、轉(zhuǎn)移泡沫液膜上的表面活性劑分子，達(dá)到消除泡沫的作用。

2 低泡無(wú)泡型工業(yè)清洗劑的研究

2.1 選取低泡無(wú)泡型原料

2.1.1 通過(guò)選料控制泡沫——低泡型表面活性劑復(fù)配

低泡表活劑具有如下一些結(jié)構(gòu)特征：

(1) 表活分子的疏水基親水基中呈枝叉型排列；如雙親水基表面活性劑、疏水鏈含雙鍵的表活劑等。在泡沫液膜上形成的吸附膜排列不夠緊致，提高了泡沫液膜的透氣性，故這種表活分子在泡沫液膜上形成的穩(wěn)定性差（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖5

圖6

(2) 疏水基碳鏈太短，形成液膜表面黏度和強(qiáng)度較低，泡沫穩(wěn)定性差。

(3) 非離子型表活劑不帶電荷，液膜兩個(gè)表面無(wú)法產(chǎn)生靜電斥力作用，液膜在重力作用下易發(fā)生排液減薄。且其穩(wěn)泡性差，泡沫低于陰離子表活劑（見(jiàn)圖7）。

典型的低泡表面活性劑有以下幾種：

(1) 脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚，其疏水親水基團(tuán)交錯(cuò)混合排列，空間相互阻礙，減弱了液膜的強(qiáng)度，泡沫液膜受外力干擾容易破裂，從而具有低泡特性。如巴斯夫公司的PE系列，廣泛應(yīng)用在催干劑、鋁龍骨清洗中。

圖7 非離子表面活性劑

(2) 支鏈、異構(gòu)化表面活性劑，其溶液泡沫液膜緊密性低，不易形成穩(wěn)定的泡沫。如巴斯夫LF系列。

(3) 雙親水基型表面活性劑：如2-辛烯基琥珀酸酐，其分子疏水基團(tuán)碳鏈短，琥珀酸酐呈枝叉型、烯烴雙鍵呈45o，泡沫分子膜排列不緊密，泡沫易破裂?？捎糜谥亟饘偾逑?、手機(jī)屏清洗、太陽(yáng)能硅片清洗。

低泡型表面活性劑在實(shí)際應(yīng)用中存在一些難點(diǎn)，如堿性條件下難增溶，清洗力差，耐用性差等?？赏ㄟ^(guò)復(fù)配低泡氧化胺、磷酸酯、乙基己基硫酸鈉、短碳鏈烷基糖苷或溶劑等，以幫助低泡表活劑在堿性條件下增溶，或采用乙醇胺有機(jī)堿替代無(wú)機(jī)堿，減低配方堿度。在一些場(chǎng)合下，可以考慮采用中性或酸性配方，配合強(qiáng)酸、溶劑、滲透劑進(jìn)行配方開(kāi)發(fā)，如酸性除蠟劑?？梢酝ㄟ^(guò)選擇潤(rùn)濕性佳、濁點(diǎn)偏低的低泡表活劑，通過(guò)濁點(diǎn)的控制，提升清洗力。復(fù)配環(huán)保溶劑也能幫助提升清洗力。

2.1.2 環(huán)保溶劑的應(yīng)用

選用低沸點(diǎn)溶劑，當(dāng)其蒸發(fā)時(shí)可使泡沫破裂。如直接向泡沫噴灑乙醇，可快速消泡。也可以考慮在配方體系中復(fù)配少量低表面張力的環(huán)保溶劑。雖然溶劑的加入會(huì)適度降低配方體系的表面張力，有助于發(fā)泡，但同時(shí)溶劑可增強(qiáng)配方的去污力，幫助減少表面活性劑用量，總體而言是降低了泡沫量。

2.1.3 選用非表面活性劑原料

泡沫問(wèn)題的根本原因在于表面活性劑的使用。一些非表面活性劑原料如酸、堿、氧化劑、生物酶等原料起泡后，泡液黏度非常低，并且無(wú)法形成表活分子吸附膜，泡沫液膜無(wú)強(qiáng)度與彈性，無(wú)法形成穩(wěn)定的泡沫，因此，具有無(wú)泡低泡性能。

同時(shí)這些原料也具有一定的清潔力而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)清洗的各種場(chǎng)合中。如酸性原料，可溶解水垢、鐵銹以及其他氧化物污垢；無(wú)機(jī)堿可皂化油污，使蛋白質(zhì)水解或蓬松而去除；氧化劑可腐蝕、分解大分子有機(jī)物；生物酶可將污漬降解為水溶性的小分子物質(zhì)；酸性絡(luò)合助劑羥基乙叉二膦酸（HEDP），能與鐵、銅、鋅等多種金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，能溶解金屬表面的氧化物；高效螯合劑葡萄糖酸鈉，可用于玻璃瓶清洗等。

非表面活性劑原料多數(shù)只能針對(duì)特殊場(chǎng)合發(fā)揮清潔力，清洗范圍窄。進(jìn)行配方開(kāi)發(fā)時(shí)，可以考慮通過(guò)配備清洗設(shè)備如高壓水槍、 高壓噴淋等，以適應(yīng)多種清洗需求。加入大量溶劑，制成半水基清洗劑，改善其滲透力。選用乳化力和分散力相對(duì)較好的助劑，如單乙醇胺、硅酸鈉復(fù)配。在應(yīng)用時(shí)，通過(guò)控制清洗過(guò)程中的關(guān)鍵指標(biāo)，如監(jiān)測(cè)游離堿/游離酸/有效氯含量等制定補(bǔ)充添加量和頻率，保證清潔力。通過(guò)各種方式，在合適的應(yīng)用場(chǎng)合下采用非表面活性劑開(kāi)發(fā)相應(yīng)的清洗劑。

2.2 消泡劑控制泡沫

2.2.1 有機(jī)硅消泡劑

有機(jī)硅消泡單元是固體二氧化硅微粒和聚二甲基硅氧烷。二氧化硅微粒是刺破泡沫的“針尖”，同時(shí)可吸附和轉(zhuǎn)移液膜表面的表活分子，降低泡沫的穩(wěn)定性。聚二甲基硅氧烷表面張力較低。它進(jìn)入泡沫液膜后，替代了原液膜表面的表面活性劑，降低了此處表面張力，周圍液膜表面張力高，產(chǎn)生收縮力使泡沫破裂。

有機(jī)硅消泡劑具有消泡速度快，效果好，用量少，成本低等優(yōu)點(diǎn)。并且在有效保持高泡表活劑的高乳化力、清潔度、清洗量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低泡。但有機(jī)硅消泡劑也存在一些缺點(diǎn)。如二氧化硅在強(qiáng)堿、強(qiáng)酸和高溫環(huán)境中易溶解，生成硅酸鹽而失效。聚二甲基硅氧烷乳化體系受表面活性劑、pH、電解質(zhì)等因素的影響易發(fā)生破乳而實(shí)效，耐用性差。破乳后硅油自聚，形成油滴漂浮在表面，可能在工件上產(chǎn)生硅斑。

有機(jī)硅消泡劑在應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意選擇合適的應(yīng)用環(huán)境，相比陰離子配方體系，它更適合用于非離子配方體系。也要避免在pH過(guò)高或過(guò)低，電解質(zhì)含量較高的環(huán)境下使用。有機(jī)硅的儲(chǔ)存溫度避免高于40℃或低于0℃。在使用時(shí)，可預(yù)先稀釋有機(jī)硅消泡劑后再加入產(chǎn)品中，避免濃度差異過(guò)高導(dǎo)致破乳；優(yōu)選在使用現(xiàn)場(chǎng)加入有機(jī)硅消泡劑。

2.2.2 金屬皂消泡劑

利用洗滌過(guò)程中形成不溶于水的鈣皂，提高體系CMC值，起到消泡、抑泡的作用。金屬皂消泡劑具有原料易得、生產(chǎn)成本低、環(huán)保性好，配方兼容性好，具有消泡及抑泡效果等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.3 聚醚消泡劑

聚醚分子在低溫下呈蜿曲型，與水分子形成氫鍵而溶解。溫度升高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，氫鍵被破壞，溶解度降低。溫度高于濁點(diǎn)時(shí)，從水中析出以油滴形式存在，是性能優(yōu)良的水系消泡劑。

2.2.4 消泡劑復(fù)配應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)自制陰離子型布草清洗劑，對(duì)比了不同類型的金屬皂、有機(jī)硅、聚醚的消泡抑泡效果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：金屬皂消泡抑泡作用明顯，有機(jī)硅消泡作用明顯。幾種類型的消泡劑復(fù)配可取得最優(yōu)的抑泡、消泡作用（見(jiàn)圖8～圖11）。

表面活性劑的清潔是應(yīng)用最廣的化學(xué)清潔方式之一。要實(shí)現(xiàn)優(yōu)良，高效的清潔力，應(yīng)重視機(jī)械力、熱能、超聲波、電流等對(duì)化學(xué)清洗的強(qiáng)化作用。如：熱能可以加速化學(xué)反應(yīng)速度、溶解污垢，提高去污速率；電解除油是化學(xué)乳化、電極極化和氣體剝離三重作用，效率大幅高于化學(xué)除油；增強(qiáng)壓力是最有效，也是應(yīng)用最廣的一種清潔強(qiáng)化方式。

圖8 金屬皂的消泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 聚醚消泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 有機(jī)硅消泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11 不同類型消泡劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)

在低泡無(wú)泡工業(yè)清洗劑的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同的清洗對(duì)象，選擇化學(xué)清洗劑與配套的清洗工藝達(dá)到最佳清洗效果。如采用刷輥高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械作用，配合清洗液對(duì)帶鋼連續(xù)脫脂，比浸洗、噴洗、電解脫模清洗效率高、速度更快。采用電解法對(duì)碳鋼鍍鋅前除油和積碳膜的清洗。由于電解釋放的氫氣均勻地使工件各處的油和積碳膜松動(dòng)，除膜無(wú)死角，清潔徹底，尤其適用于復(fù)雜零件深凹處污垢，可彌補(bǔ)化學(xué)除油的不足等等。

[1] 陳旭駿.工業(yè)清洗劑及清洗技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

[2] 梁自齊.功能性表面活性劑[C].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2002.