水基金屬清洗劑技術(shù)概述

劉會(huì)萍

（長鈦工程技術(shù)研究院（北京）有限公司，北京100000）

在機(jī)械加工過程中，金屬加工件在加工裝配、熱處理、電鍍、熱浸鍍、真空鍍、噴塑、磷化和涂漆前，都要對其進(jìn)行清洗。根據(jù)存在狀態(tài)，金屬加工件表面的污物可分為兩種：固體污物，如泥沙、塵土、金屬屑、磨料、金屬銹蝕產(chǎn)物以及無機(jī)鹽析出物等；液體有機(jī)化合物，如磨削液、切削液、拉拔液、液壓油、導(dǎo)軌油、油脂、拋光膏、酸性和堿性殘留物等[1～3]。如果不清洗干凈金屬加工件表面的污物，不僅會(huì)影響金屬加工工序的順利進(jìn)行，還會(huì)引起或加速金屬加工件的銹蝕或腐蝕，增加摩擦磨損，產(chǎn)生表面缺陷，縮短使用壽命。

根據(jù)發(fā)展歷程，金屬表面清洗劑主要包括溶劑清洗劑、酸性清洗劑、堿性清洗劑和以表面活性劑為主要成分的水基清洗劑。

溶劑清洗劑具有較低的表面張力，可以快速滲透入金屬表面以及其狹縫中，從而將油脂型污物快速溶解、清除，其常用溶劑有石油溶劑、鹵代烴類溶劑、醇類、醚類和酮類。石油溶劑清洗劑主要成分是煤油、汽油以及柴油等，不添加或添加很少的添加劑，去污能力強(qiáng)，但大多數(shù)安全系數(shù)低，易燃易爆、易揮發(fā)，造成環(huán)境污染，浪費(fèi)大量能源，且易使金屬產(chǎn)生銹蝕。此外，石油溶劑對人體有一定的刺激性，回收/循環(huán)設(shè)備和操作程序價(jià)格昂貴。鹵代烴類溶劑清洗劑主要成分是三氯乙烷、三氯乙烯和三氯三氟乙烷等，清洗能力極強(qiáng)，但清洗成本高，且毒性大，對人體有害。此外，鹵代烴類溶劑穩(wěn)定性差，會(huì)嚴(yán)重破壞臭氧層，導(dǎo)致地球變暖。酸性清洗劑主要成分是鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸、磷酸、氨基磺酸、草酸和檸檬酸等，在清洗除去鐵銹的同時(shí)，也會(huì)對金屬表面造成溶蝕，引起新的腐蝕，且其污染環(huán)境，對人體有害，清洗工藝復(fù)雜，清洗成本較高。堿性清洗劑主要成分是氫氧化鈉、碳酸鈉和硅酸鈉等，原料易得，設(shè)備成本低，但其清洗能力也較低，且清洗后的工件容易生銹或產(chǎn)生腐蝕，一般用于清洗黑色金屬表面輕度油污以及無機(jī)鹽固體類污物等[3，4]。且堿性清洗劑只適合清洗植物油基污物，不適合清洗礦物油基和蠟基污物。

相對于上述清洗劑，水基金屬清洗劑以表面活性劑和防銹劑為主要添加劑，具有清洗性能好、去污能力強(qiáng)，防銹性好，適用于高壓清洗和多種金屬材料，以水代油、節(jié)省能源、清洗成本低、安全高效和綠色環(huán)保等一系列優(yōu)異特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，成為了金屬清洗工業(yè)的主要發(fā)展方向[5]。

1 水基金屬清洗劑應(yīng)具備的性能[6，7]

1）極強(qiáng)的去油污能力，對后續(xù)加工不產(chǎn)生影響，這要求清洗劑具有良好的潤濕、乳化、增溶性能；2）對金屬加工件具有優(yōu)良的防銹防腐能力，能達(dá)到工序間防銹要求；3）能夠在高壓或快速噴洗的情況下長時(shí)間循環(huán)使用，這要求清洗劑必須低泡或者無泡，具有極好的抗泡抑泡性能；4）安全無毒，不污染環(huán)境，不易燃，安全性高；5）性價(jià)比高，適應(yīng)范圍廣，使用條件溫和，節(jié)約能源，改善機(jī)械加工環(huán)境。

2 水基金屬清洗劑的清洗機(jī)理

水基金屬清洗劑清洗金屬表面除去污物是一個(gè)復(fù)雜的過程，其通過潤濕、滲透、分散、溶解等物理作用與螯合、乳化、皂化等化學(xué)作用，增大清洗劑與污物表面之間鋪展系數(shù)，再借助于各種清洗方法如加熱、刷洗、噴淋或超聲波，使污物更快脫離金屬加工件表面，從而達(dá)到清洗的目的[1,8]。

污物的存在狀態(tài)不同，其清洗機(jī)理也不同。液體污物是以油膜的形式鋪展在金屬加工件表面，當(dāng)金屬加工件表面浸入清洗劑時(shí)，清洗劑對金屬表面進(jìn)行潤濕，油膜在表面張力的作用下縮成油滴而被去除。固體污物的主要粘附力來自范德華力，固體污物與金屬表面的接觸方式主要是點(diǎn)接觸，使得固體污物在水中的粘附強(qiáng)度大為降低。同時(shí)，表面活性劑由于潤濕作用，吸附在金屬表面與污物的界面上，由于電斥力作用，降低了固體污物在金屬加工件表面的粘附強(qiáng)度，從而使之易于去除[9]。

3 配方組成

3.1 表面活性劑

3.1.1 非離子表面活性劑

脂肪醇聚氧乙烯醚：具良好乳化、滲透、潤濕和分散能力，分子中的醚鍵不易被酸堿破壞，抗硬水性能良好，泡沫低，與其他表面活性劑復(fù)配具有協(xié)同效應(yīng)[10]，且無毒，易生物降解，對皮膚刺激低。

烷基酚聚氧乙烯醚：具有良好的抗靜電能力和抗硬水性能，但由于難降解，且會(huì)引起動(dòng)物的雌性化，使得現(xiàn)在一些發(fā)達(dá)國家已逐漸禁用。

脂肪酸烷醇酰胺：尼納爾6501，滲透力與去污力較強(qiáng)，抗硬水性能良好，對皮膚刺激小，且對黑色金屬具有一定的防銹作用。

聚醚：EO/PO 嵌段聚醚，親水親油基團(tuán)交錯(cuò)排列，在溶液中更易形成膠束，形成的泡沫更易破裂，使其具有低泡性能，且具有良好的潤濕和去污能力[11]。

3.1.2 陰離子表面活性劑

苯磺酸鹽類表面活性劑：易溶于水，在較寬pH 范圍內(nèi)都很穩(wěn)定，且抗硬水能力強(qiáng)，生物降解性好，具有去污、濕潤、發(fā)泡、乳化、分散、增溶等性能，易于與其他表面活性劑復(fù)配使用，應(yīng)用廣泛[12～15]。

硫酸鹽類表面活性劑：具有良好的發(fā)泡力、去污能力和抗硬水性能[16]。

羧酸鹽類表面活性劑：具有長碳鏈、較多活性吸附點(diǎn)和空間排斥力作用的支鏈，分子所帶官能團(tuán)如羧酸或聚氧乙烯基的數(shù)量、主鏈聚合度等對分散性具有一定的影響[17]。

陰離子型與非離子型表面活性劑復(fù)配，可降低陰離子表面活性劑的使用溫度和臨界膠束濃度，提高非離子表面活性劑的濁點(diǎn)，且復(fù)配表面活性劑的界面活性較高如明顯提高潤濕、乳化、分散及增溶等性能，熱穩(wěn)定性良好，可減少單一表面活性劑的使用量和擴(kuò)寬堿液的適用范圍[10,18～20]。

3.2 助洗劑

助洗劑可提高和改善表面活性劑的綜合性能，具有軟化水質(zhì)、增強(qiáng)表面活性劑的活性、提高pH 緩沖能力、增強(qiáng)分散污垢和抗再沉積能力等作用，且可降低臨界膠束濃度，延長清洗液使用壽命。常用的無機(jī)助洗劑有氫氧化鈉、氫氧化鉀、硅酸鹽和碳酸鹽等，有機(jī)助洗劑有EDTA 二鈉、聚丙烯酸、葡萄糖酸鈉和羧甲基纖維素鈉等。無機(jī)堿物質(zhì)對體系的狀態(tài)平衡及其他組分的溶解有影響，在金屬清洗劑中的加入量較少或不加。

3.3 緩蝕劑

有些表面活性劑和助洗劑兼有防銹性能，如氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉、油酸三乙醇胺、石油磺酸鹽、檸檬酸鈉和椰子油烷基醇酰胺磷酸酯等。

無機(jī)緩蝕劑有硅酸鹽、鉻酸鈉、硼酸鈉、鉬酸鈉和四硼酸鉀等，有機(jī)緩蝕劑有油酸三乙醇酰胺、苯甲酸鈉、含氮雜環(huán)有機(jī)酸、十一碳二元酸、十二碳二元酸、醇胺、咪唑類化合物等，其中硅酸鹽、苯并三氮唑、氟硅酸、鉻酸鹽和有機(jī)磷酸酯等對有色金屬具有良好的緩蝕性能。

3.4 螯合劑

螯合劑可與硬水中鈣、鎂離子螯合，從而軟化水質(zhì)，防止鈣、鎂離子在水中形成皂，提高清洗效果。常用螯合劑有乙二胺四乙酸二鈉、次氮基三乙酸鈉鹽一水合物、葡萄糖酸鹽及山梨糖醇等。

3.5 增溶劑

為促進(jìn)表面活性劑在水中的溶解性、降低溶液的相對密度和粘度，以及促進(jìn)金屬表面污垢在水中的分解效果，使清洗劑澄清透明。常用乙醇、異丙醇、三乙醇胺、吐溫-80 和苯甲磺酸鈉等與表面活性劑復(fù)配使用，以促進(jìn)其在水中的溶解。

3.6 消泡劑

清洗過程中所產(chǎn)生的泡沫也會(huì)影響清洗效果。過量泡沫會(huì)導(dǎo)致工作液溢出，造成物料浪費(fèi)，提高清潔成本，加重環(huán)境污染。此外，過量的泡沫會(huì)阻礙污物的沖洗以及減緩污物的分離與沉積，使清洗不徹底，泡沫溢出還會(huì)帶走大量的表面活性劑，使得清洗劑的壽命縮短。再者，泡沫的存在增加了金屬表面與空氣的接觸機(jī)會(huì)，導(dǎo)致生銹現(xiàn)象發(fā)生。故金屬清洗劑配方在選擇添加劑時(shí)應(yīng)考慮其抗泡消泡性能，也可額外添加醇類、聚醚，硅氧烷化合物[21]等消泡劑進(jìn)行消泡。

3.7 殺菌劑

殺菌劑對清洗劑的使用壽命有明顯的影響作用，在水基金屬清洗劑中常用的殺菌劑有異塞唑啉酮和乙內(nèi)酰脲等。

4 性能測試項(xiàng)目

水基金屬清洗劑的性能檢測項(xiàng)目參考QB/T2117-1995 與JB/T4323.2-1999，其匯總結(jié)果如表1。

另外，還可根據(jù)具體清洗工況設(shè)計(jì)相應(yīng)的性能檢測方法。

表1 水基金屬清洗劑的性能檢測項(xiàng)目列表

5 發(fā)展趨勢

1）常溫型水基金屬清洗劑的開發(fā)：降低金屬清洗的工藝難度和能源消耗，使清洗溫度降至室溫，是常溫型水基金屬清洗劑的開發(fā)方向。

2）低泡型水基金屬清洗劑的開發(fā)：表面活性劑一般具有良好的起泡性能，對體系的抗泡抑泡性具有著明顯的影響作用，故選用具有優(yōu)異清洗性且低泡的表面活性劑，或通過調(diào)配使體系低泡或無泡，并具有優(yōu)異清洗性能，是開發(fā)低泡型水基金屬清洗劑的關(guān)鍵。

3）多功能水基金屬清洗劑及其多功能添加劑的開發(fā)：近年來，多功能水基金屬清洗劑的需求日益增加，一方面，要求其不但具有優(yōu)異的清洗性能，而且具有優(yōu)異的防銹性能和快速鈍化性能，另一方面，要求其具有良好的黑色金屬防銹性能和有色金屬緩蝕性能，可對多種金屬進(jìn)行清洗。此外，多功能添加劑如兼具優(yōu)異清洗性能和防銹性能添加劑的引入，不但可明顯提高水基金屬清洗劑配方的性價(jià)比，而且有利于節(jié)能環(huán)保。

4）綠色環(huán)保型水基金屬清洗劑的開發(fā)：隨著對環(huán)保問題越來越重視，磷酸鈉等易導(dǎo)致富營養(yǎng)化添加劑，壬基酚醚等生物降解性差的添加劑助劑會(huì)逐漸被淘汰，無毒且易降解的綠色環(huán)保添加劑成為首選。