低泡表面活性劑在金屬噴淋清洗中的應(yīng)用研究

施文潮 童 燕

揚(yáng)子石化-巴斯夫有限責(zé)任公司，江蘇南京，210048

1 引言

金屬清洗是金屬制件在加工、裝配、儲存和維修等過程中必不可少的工藝環(huán)節(jié)，清洗工藝目前主要有浸泡清洗、超聲波清洗、噴淋清洗、電解清洗和蒸汽清洗等[1]。噴淋清洗方式由于清洗效率高，適用于大型板材的清洗，在汽車制造等行業(yè)的應(yīng)用越來越普遍，由于噴淋清洗對泡沫要求極高，首先不允許在清洗工程中產(chǎn)生過多泡沫，其次對表面活性劑的潤濕滲透性能要求極高，要求在有限的噴淋時間內(nèi)能快速滲透剝離金屬表面的油污，達(dá)到預(yù)期的除油效果[2]?；谝陨蠂娏芮逑吹募夹g(shù)要求，本文選擇了兩款低泡、具有良好潤濕和滲透性能的、能生物降解的、環(huán)境友好的基于支鏈脂肪醇烷氧基化的非離子表面活性劑作為樣本[3]，分析其發(fā)泡力和潤濕滲透力方面的基本性能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究溫度、表面活性劑濃度、助劑濃度和不同助劑組合對其除油率的影響，深入探討兩種表面活性劑在金屬噴淋清洗中的重要應(yīng)用價值。

2 基本性能

由于金屬噴淋清洗不允許在清洗過程中產(chǎn)生過多泡沫，低泡或無泡是實現(xiàn)金屬噴淋清洗的必要條件，其次為了有高的清洗效率，要求表面活性劑具有優(yōu)秀的潤濕滲透性能，達(dá)到快速剝離除油的目的。本文將首先研究這兩款非離子表面活性劑的發(fā)泡力和滲透性能。

2.1 發(fā)泡力

在噴淋清洗中，清洗劑的泡沫是首先需要考慮的因子，而清洗劑的泡沫通常是由配方中的表面活性劑引起的，為此需要評價表面活性劑的發(fā)泡力。我們采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法《GB/T 7462-1994表面活性劑發(fā)泡力的測定 改進(jìn)Ross-Miles法》[4]對這兩款表面活性劑的泡沫力進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表1。

由表1可見，兩個樣品的初始泡沫均為0 ml，是典型的低泡非離子表面活性劑?？紤]到在實際應(yīng)用中，配方中會添加洗滌助劑，洗滌過程中洗液呈連續(xù)噴淋狀態(tài)，需要考慮助劑和連續(xù)噴淋對發(fā)泡力的影響，因此本文在模擬的實際工作狀態(tài)下測試洗液配方的發(fā)泡力，發(fā)泡力大小用噴淋清洗設(shè)備連續(xù)運(yùn)行6 h后讀取的泡沫高度來表征。試驗所用的洗槽橫截面積為400 mm×400 mm，洗液量20 L，洗液深度140 mm，試驗所得泡沫高度如表2所示。

表1 發(fā)泡力的測試數(shù)據(jù)

由表2可見，兩個樣品在模擬實際洗滌條件下的最大泡沫高度僅為2 mm，滿足噴淋清洗的泡沫力要求。

表2 在模擬實際洗滌條件下的洗液發(fā)泡力

2.2 潤濕滲透力

為測試LF900和LF901的潤濕和滲透性能，并和常見的、具有良好潤濕滲透性能的、支鏈醇非離子表面活性劑進(jìn)行對比，取表面活性劑濃度為2 g/L，氫氧化鈉濃度為2 g/L，在23 ℃下實際測得的棉布圓片的潤濕時間(結(jié)果為多次測定的平均值)如表3所示。

由表3得知，在表面活性劑的濃度為2 g/L時，LF900、LF901的潤濕滲透性和異構(gòu)醇醚相當(dāng)。需要指出的是，對照組中的C10-8EO和C13-8EO的發(fā)泡力不能滿足噴淋清洗的要求。

表3 不同非離子表面活性劑的潤濕力 單位：s

基于以上試驗和分析得出的有益結(jié)論，本文進(jìn)一步研究影響兩種表面活性劑除油率的主要因素和提高除油性能的方法。

3 應(yīng)用性能研究

為了能夠比較各因素對除油率的影響程度，本文選擇在常溫下黏度約為220 MPa.s的機(jī)械加工用油作為油污，以150 mm×82 mm×1 mm的碳鋼片為試件，浸油面積為110 mm×82 mm。在試件上邊緣中心位置鉆一Φ6mm圓孔，用S彎鉤懸掛。涂油前，采用超聲清洗法將試件表面清洗至能形成水膜，然后在70℃下烘干備用。

試驗所用的噴淋裝置為方形柱式，有四組空心圓錐噴嘴，每組上、中、下三個，按對角線排列，洗液溫度可調(diào)可控。

3.1 單次試驗步驟及除油率計算公式

（1）稱取試件質(zhì)量，記為W1，精確至0.0001 g。

（2）浸油5 min后，取出試件，在70℃烘箱內(nèi)老化20 min，消除環(huán)境溫度對涂油量的影響，保持油膜厚度一致。

（3）老化20 min后取出，在室溫下懸掛冷卻15 min，用吸油紙或擦手紙吸取試件底邊的富余油污，稱重，記為W2，精確至0.0001 g。

（4）在設(shè)定的試驗條件下進(jìn)行噴淋清洗，然后用脫鹽水漂洗三次。

（5）在70 ℃烘箱內(nèi)干燥15 min，取出冷卻15 min，稱重，記為W3，精確至0.0001 g。

3.2 整體試驗方案

3.2.1 表面活性劑濃度、洗滌溫度和助劑濃度對除油率的影響

金屬表面除油率的影響因素有化學(xué)作用力、機(jī)械作用力、洗滌溫度和洗滌時間長短等，為了尋找出主要的影響因素，設(shè)計了三因素、三水平的正交試驗方案L9(34)[5]，具體設(shè)計方案如表4所示。其中選擇LF900為表面活性劑，選擇無水偏硅酸鈉為洗滌助劑，噴淋清洗時長為1 min。試驗數(shù)據(jù)及統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。

表4 表面活性劑濃度、洗滌溫度和助劑濃度三因素與三水平試驗方案

表中：T：除油率之總和;

Ti：各因素對應(yīng)水平的除油率之和;

?i: 各因素對應(yīng)水平的除油率之和的平均值;

R：?i值中的最大值-最小值。

對表5中數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，配合極差可以得出結(jié)論，在清洗方式、表面活性劑種類、助劑種類和清洗時長固定的前提下，洗滌溫度和助劑濃度對除油率有顯著影響。

表5 表面活性劑濃度、洗滌溫度和助劑濃度 三因素與三水平下的測試結(jié)果及統(tǒng)計分析

3.2.2 助劑種類和濃度的影響

洗滌助劑一般為堿或者呈堿性的無機(jī)鹽，本試驗選擇了碳酸鈉、氫氧化鈉和無水偏硅酸鈉三種助劑，設(shè)計了三因素、三水平的正交試驗方案L9(34)，具體設(shè)計方案如表6所示。表面活性劑選擇LF900，濃度為1 g/L，洗滌 溫度為40℃，噴淋清洗時長為1 min。試驗數(shù)據(jù)及統(tǒng)計結(jié)果如表7所示。

表6 碳酸鈉、氫氧化鈉和偏硅酸鈉 三因素與三水平的試驗方案

表中：T：除油率之總和；

Ti：各因素對應(yīng)水平的除油率之和;

?i: 各因素對應(yīng)水平的除油率之和的平均值;

R：?i值中的最大值-最小值。

對表7中數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，配合極差可以得出結(jié)論，在清洗方式、表面活性劑種類、洗滌溫度和清洗時長固定的前提下，氫氧化鈉的濃度對除油率有顯著影響。

表7 碳酸鈉、氫氧化鈉和偏硅酸鈉三因素與三水平下的測試結(jié)果及統(tǒng)計分析

綜合正交試驗3.2.1和3.2.2，可以得出以下結(jié)論：當(dāng)LF900濃度為1 g/L、洗滌溫度40℃、噴洗時間1 min、洗滌助劑氫氧化鈉和偏硅酸鈉的濃度均為1 g/L時，金屬表面除油率大于99%。

在同樣的清洗條件下，用LF901代替LF900,金屬表面除油率大于99%。

4 討論

上述試驗結(jié)果提示，在清洗工藝一定的前提下，表面活性劑濃度、洗滌溫度、助劑濃度和洗滌時間與除油率具有正相關(guān)性，其中清洗溫度和助劑濃度為顯著影響因子，在此對以上試驗結(jié)果做進(jìn)一步討論。

4.1 洗滌溫度的選擇

溫度升高可以降低油污在金屬表面的附著力，且能加快分子的運(yùn)動速度。對于相同的洗液，溫度升高可以減少非離子表面活性劑的泡沫。對非離子表面活性劑而言，其潤濕力在濁點(diǎn)附近沒有大的變化，即使在高于濁點(diǎn)溫度10℃左右時，對棉布圓片的潤濕力也沒有出現(xiàn)明顯的負(fù)面影響，因此洗滌溫度的選擇前提是保證洗液均勻且不漂油。

4.2 洗滌助劑的影響

氫氧化鈉為苛性堿，對除油率有明顯提升作用，但氫氧化鈉帶來的氫氧根離子在金屬表面的吸附給漂洗帶來困難，在滿足除油率的前提下，建議使用偏硅酸鈉，偏硅酸鈉對金屬還具有一定的緩蝕作用[6]。

5 結(jié)論

在環(huán)保水基清洗劑日益成為洗滌行業(yè)主流、金屬噴淋清洗對洗滌劑提出嚴(yán)苛要求的新背景下[7]，本文以兩種低泡非離子表面活性劑LF900和LF901為研究對象，首先研究了其基本性能，試驗結(jié)果證明其具有發(fā)泡力低、潤濕滲透性良好的特性。進(jìn)一步研究其應(yīng)用性能，設(shè)計兩組三因素、三水平的正交試驗并動態(tài)評估泡沫高度，證明清洗溫度和助劑濃度是影響金屬噴淋清洗效果的最重要因素，得出氫氧化鈉的濃度對除油率有顯著影響的關(guān)鍵結(jié)論。結(jié)合試驗結(jié)果進(jìn)行深入討論，提出洗滌溫度的選擇應(yīng)以洗液均勻且不漂油為前提，且選用偏硅酸鈉作為洗滌助劑有利于提升化學(xué)穩(wěn)定性并提高清洗效率。在實際應(yīng)用中需要根據(jù)清洗對象的材質(zhì)、油污類型、清洗設(shè)備和清潔度要求等的不同，添加不同的洗滌助劑和功能性助劑，從而優(yōu)化清洗條件并降低清洗成本。