7系鋁合金的綠色環(huán)保型清洗劑的開發(fā)

劉寧華 ，郭艷紅，賴心翹，李曉彤，梁舒婕

1.廣州三孚新材料科技股份有限公司，廣東 廣州 510700

2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510642

俗稱“航空鋁”的7系鋁合金由于其硬度接近鋼材，同時具備抗剝落腐蝕、抗應(yīng)力腐蝕開裂、抗疲勞與斷裂韌性高等特性，近年來除了被廣泛應(yīng)用于飛機的承力構(gòu)件、起落架、火箭、螺旋槳、航空飛船等之外，還被各大電子消費品制造商所青睞，被用于生產(chǎn)手機中框及后蓋、電腦外殼等產(chǎn)品[1-3]。7系鋁合金在生產(chǎn)加工過程中有多種不同的工藝，在預(yù)處理(如陽極氧化)后有時會進行高光倒角、銑槽等再加工，加工后離不開清洗工序。在實際操作過程中，陽極氧化后的產(chǎn)品對陽極氧化膜層的顏色(Lab值)和光澤有十分嚴格的要求，因此對清洗劑的要求很高，既要保證油污能被快速清洗干凈，又要保證產(chǎn)品的光澤不受影響，與傳統(tǒng)的酸性或堿性清洗區(qū)別很大[4-6]。另外，隨著環(huán)保的要求越來越高，清洗劑需滿足無磷、無氟、無氨氮、無硝酸鹽、無亞硝酸鹽、無任何強酸強堿、無有毒重金屬等要求，這給清洗劑的開發(fā)增加了不少難度。

國內(nèi)有很多公司對此進行了大量研究，申請了很多專利。如專利CN107740109A公開了一種清洗劑及其制備方法，該清洗劑雖然聲稱適用于5、6、7系鋁合金，但清洗后7系鋁合金產(chǎn)品的Lab值和光澤大受影響，陽極氧化膜容易被腐蝕，而且配方中含有大量強酸，給清洗的后處理工序及生產(chǎn)工藝帶來極大不便；專利CN105112978A所述清洗劑雖然也可清洗5、6、7系鋁合金，但當用其清洗經(jīng)陽極氧化后再進行數(shù)控加工的7系鋁合金時，鋁合金表面氧化膜會被腐蝕，使清洗后產(chǎn)品的光澤受到很大影響；專利CN110644010A公開了一種7系鋁合金清洗劑的制備方法，該清洗劑雖然不含強酸和強堿，但依然需要添加多聚磷酸鈉作為助洗劑，不符合環(huán)保要求。因此，開發(fā)一種清洗效果好并能保證產(chǎn)品Lab值和光澤不受影響的7系鋁合金綠色環(huán)保清洗劑是十分必要的。

本文在前期清洗劑的研究基礎(chǔ)上添加助洗劑和緩蝕劑，考察了它們不同的添加量下清洗后基材的水接觸角、Lab值和光澤。

1 實驗

基體材料為應(yīng)用較廣的7075鋁合金，其成分除了鋁之外包含了硅0.40%、鐵0.50%、銅1.2% ~ 2.0%、錳0.30%、鎂2.1% ~ 2.9%、鉻0.18% ~ 0.28%、鋅5.1% ~ 6.1%、鈦0.20%和其他合金元素0.15%，做成100 mm ×50 mm × 2 mm的長方形薄板。

處理工藝流程為：清洗(60 ~ 70 °C，5 min)→水洗3次→壓縮空氣吹干→烘干(80 ~ 100 °C，10 min)。

前期研究開發(fā)的清洗劑基礎(chǔ)配方為：硼砂2.4 g/L，純堿2.0 g/L，葡萄糖酸鈉0.025 g/L，非離子表面活性劑0.25 g/L。為獲得更優(yōu)良的清洗效果，擬先后添加無機鹽助洗劑(五水合偏硅酸鈉)和有機酸鹽緩蝕劑(檸檬酸鈉)，并通過單因素實驗對其質(zhì)量濃度進行優(yōu)化。

選取數(shù)塊未處理的7075鋁合金試片，稱重記為m1，再在相同條件下涂油，稱重記為m2，然后分別浸泡在制備的清洗劑(加熱至50 °C)中清洗5 min，水洗后100 °C烘干10 min，再稱重記為m3。清洗率η按式(1)計算。

使用深圳市三恩時科技有限公司的CR8型色差分析儀分別對清洗前、清洗后的7075鋁合金試片進行色差分析，色度空間以Lab值表示，L表示明度，a表示紅綠值，b表示黃藍值。

使用深圳市三恩時科技有限公司3nh型光澤度分析儀分別測試清洗前和清洗后7075鋁合金試片的光澤(G)。

通過豐度儀器科技(南京)有限公司的JY-PHa-JCA2206型接觸角測量儀對清洗后7075鋁合金試片表面的水接觸角(θ)進行測定，取4個測量位置的平均值。水接觸角越小說明清洗越干凈。

在環(huán)境溫度為(20 ± 5) °C的條件下，通過德國析塔SITA-Lab Solution全自動動靜態(tài)表面張力儀測量溶液的表面張力。

2 結(jié)果與討論

2.1 無機鹽助洗劑添加量的確定

從圖1和圖2可以看出，當助洗劑質(zhì)量濃度小于5.0 g/L時，隨著助洗劑質(zhì)量濃度的增大，7075鋁合金試片清洗后的L值和光澤提升幅度較大，水接觸角越來越小(即表面潤濕性越來越好)，除油率越來越高。當助洗劑質(zhì)量濃度大于5.0 g/L時，隨著助洗劑質(zhì)量濃度的增大，7075鋁合金試片清洗后的L值和光澤提升幅度越來越小，表面潤濕性和除油效果慢慢變差。因此，最佳的無機鹽助洗劑質(zhì)量濃度為5.0 g/L。

圖1 在不同助洗劑質(zhì)量濃度下清洗后7075鋁合金試片的Lab值(a)和光澤(b)的變化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

圖2 在不同助洗劑質(zhì)量濃度下清洗后7075鋁合金試片的水接觸角(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 有機酸鹽緩蝕劑添加量的確定

在基礎(chǔ)配方中添加5.0 g/L無機鹽助洗劑的情況下，繼續(xù)添加有機酸鹽緩蝕劑進行試驗。從圖3和圖4可以看出，當緩蝕劑質(zhì)量濃度小于0.75 g/L時，隨著緩蝕劑的質(zhì)量濃度不斷增大，清洗后7075鋁合金試片的表面潤濕性和清洗效果越來越好；當緩蝕劑質(zhì)量濃度大于0.75 g/L時，隨著緩蝕劑的質(zhì)量濃度繼續(xù)增大，7075鋁合金試片的表面潤濕性和清洗效果變差，因為高濃度的緩蝕劑會抑制清洗劑對油污的乳化和剝離能力。因此，有機酸鹽緩蝕劑的最佳質(zhì)量濃度為0.75 g/L。

圖3 在不同緩蝕劑質(zhì)量濃度下清洗后7075鋁合金試片的Lab值(a)和光澤(b)的變化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

圖4 在不同助洗劑質(zhì)量濃度下清洗后7075鋁合金試片的水接觸角(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 優(yōu)化前后清洗劑的性能對比

綜上所述，整個清洗劑的優(yōu)化配方為：硼砂2.4 g/L，純堿2.0 g/L，葡萄糖酸鈉0.025 g/L，非離子表面活性劑0.25 g/L，無機鹽助洗劑5.0 g/L，有機酸鹽緩蝕劑0.75 g/L。對基礎(chǔ)配方和優(yōu)化配方進行對比測試。

從圖5可以看出，經(jīng)基礎(chǔ)配方清洗后的7075鋁合金試片表面紋理模糊，有黑色雜質(zhì)，這種黑色雜質(zhì)含有C和O(見表1)，應(yīng)該是殘留的油污。而經(jīng)優(yōu)化配方清洗后的表面機械紋理清晰，無其他雜質(zhì)，說明優(yōu)化配方可以降低對基材的腐蝕，獲得更好的清洗效果。

表1 圖5a中紅色箭頭所示黑色顆粒的EDS分析結(jié)果Table 1 EDS analysis result of the black particle noted by a red arrow in Figure 5a

圖5 采用基礎(chǔ)配方(a)和優(yōu)化配方(b)清洗后7075鋁合金表面的微觀形貌Figure 5 Micromorphology of 7075 aluminum alloy surface after being cleaned with the original (a) and optimized (b) cleaner composition

從圖6中可以看出，7075鋁合金試片經(jīng)優(yōu)化配方清洗后的表面水接觸角小于基礎(chǔ)配方清洗后的水接觸角，說明優(yōu)化配方可以改善工件表面潤濕性。

圖6 采用基礎(chǔ)配方(a)和優(yōu)化配方(b)清洗后7075鋁合金表面的水接觸角Figure 6 Water contact angle against 7075 aluminum alloy surface after being cleaned with the original (a) and optimized (b) cleaner composition

從表2可以看出，7075鋁合金試片經(jīng)優(yōu)化配方清洗后表面的L值和光澤與基礎(chǔ)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鋁合金表面的Lab值和光澤的變化，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 結(jié)論

在由2.4 g/L硼砂、2.0 g/L純堿、0.025 g/L葡萄糖酸鈉和0.25 g/L非離子表面活性劑組成的清洗劑基礎(chǔ)上，添加5.0 g/L五水合偏硅酸鈉作為助洗劑和0.75 g/L檸檬酸鈉作為緩蝕劑，可以降低對7075鋁合金基材的腐蝕，獲得更優(yōu)良的清洗效果和改善工件表面的潤濕性。