一種環(huán)保型金屬清洗劑的制備及性能研究

紀(jì)發(fā)達(dá),紀(jì)冬冬,樊 昕

(1.山東龍港硅業(yè)科技有限公司,山東 濰坊 261300;2.山東昌邑石化有限公司,山東 濰坊 261300;3.泰山科學(xué)技術(shù)研究院,山東 泰安 271000;4.泰安市化工專項行動辦公室,山東 泰安 271000)

金屬清洗是現(xiàn)代生產(chǎn)和工業(yè)加工中不可缺少的工藝環(huán)節(jié)之一,然而研制高效、環(huán)保安全的低成本水基清洗劑是清洗領(lǐng)域的一大難題[1-4]。關(guān)于金屬表面水基清洗劑的研制,前人已經(jīng)做了大量的工作[5-13]。水基金屬清洗劑成為工業(yè)清洗中最常用的清洗劑,但仍存在以下缺點:一是泡沫較多,二是大多含有亞硝酸鹽、磷酸鹽等對人體有害且污染環(huán)境的物質(zhì),三是油污乳化分散,不易分離。因此,開發(fā)一種洗滌成本低、使用安全、對環(huán)境無污染的洗滌劑成為金屬清洗行業(yè)的主要發(fā)展方向。而堿性水基清洗劑由于生物降解性好且無毒的優(yōu)點,成為應(yīng)用最廣泛的金屬清洗產(chǎn)品之一[14]。

筆者以可生物降解的原硅酸鈉為主要原料,與助洗劑、表面活性劑、緩蝕劑等復(fù)配制備了一種環(huán)保型金屬清洗劑。原硅酸鈉本身具有良好的除油、除垢、乳化和分散性能,與三聚磷酸鈉、三乙醇胺[15]等配伍性好,按一定比例加入后不僅可增強(qiáng)助洗及抗再沉積能力,同時可減少表面活性劑的用量,還使清洗劑具有良好的防銹功能。

1 實 驗

1.1 主要試劑與儀器

原硅酸鈉,工業(yè)級,山東龍港硅業(yè)科技有限公司;碳酸氫鈉,工業(yè)級,山東海天生物化工有限公司;三乙醇胺,工業(yè)級,山東欣合新材料有限公司;三聚磷酸鈉,工業(yè)級,武漢市承天精細(xì)化工有限公司;脂肪醇聚氧乙烯醚,工業(yè)級,山東優(yōu)索化工科技有限公司;聚二甲基硅氧烷,工業(yè)級,湖北臻博化工有限公司;乳化硅油,工業(yè)級,上海瀚思化工有限公司;油污,山東龍港硅業(yè)科技有限公司。金屬試片: 45號鋼(60 mm×25 mm×6 mm),LY12BC2硬鋁(60 mm×25 mm×6 mm)。

JS-F 101型COD微波消解儀,上海達(dá)普美智能科技有限公司;KDS-XP 002型去污擺洗機(jī),蘇州科登斯儀器設(shè)備有限公司;FoamTester型全自動泡沫分析儀,翁開爾儀器有限公司。

1.2 試樣制備

試樣拋光后,擦拭干凈,放入無水乙醇中浸泡,然后用脫脂棉擦洗,吹干后稱重,掛在試件架上備用。

將試片放在干凈的表面上,刮取適量的油污,均勻地涂抹在試樣的指定部位,油污涂層的量控制在0.16 g左右。

1.3 清洗劑的制備[16-20]

將一定量的去離子水加入到反應(yīng)釜中,攪拌下加入原硅酸鈉、碳酸氫鈉,升溫至55 ℃,攪拌至完全溶解,然后加入三乙醇胺、三聚磷酸鈉,并在400 r/min下攪拌30～45 min,加入脂肪醇聚氧乙烯醚、消泡劑,逐步升溫至60 ℃,在300 r/min下攪拌20～30 min,最后降至常溫,靜置8 h,過濾,即得水基金屬清洗劑。

1.4 性能測試

根據(jù)GB/T 35759—2017《水基金屬清洗劑》,用清洗劑溶液浸泡、擺洗涂覆油污的金屬試片,由洗去的油污量計算凈洗力。

在500 mL搪瓷藥物缸中,倒入能淹沒金屬試片的3%金屬清洗劑溶液,然后將搪瓷藥物缸置于(60±2) ℃水浴鍋孔中。將涂覆油污的試片在金屬清洗劑溶液中浸泡5 min,然后立即震蕩清洗5 min。再在400 mL蒸餾水中擺洗10次,取出試片,在(40±2) ℃干燥1 h后取出,于干燥器中冷卻至室溫,稱重,以失重法計算其凈洗力[21]。

根據(jù)GB/T 35759—2017測定其腐蝕性、防銹性、漂洗性能、pH值、泡沫性能和穩(wěn)定性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方的優(yōu)化

2.1.1 原硅酸鈉用量對性能的影響

原硅酸鈉是一種無毒、無污染的無機(jī)鹽類產(chǎn)品,水溶液呈強(qiáng)堿性,比目前清洗劑中采用的偏硅酸鈉具有更好的除油效果。實驗以9%碳酸氫鈉、5%助洗劑三聚磷酸鈉、3%非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚和2%三乙醇胺為固定參數(shù),考察了原硅酸鈉用量對凈洗力、腐蝕性和漂洗性能的影響,結(jié)果見表1。

表1 原硅酸鈉用量對性能的影響

從表1可以看出,隨著原硅酸鈉用量的增加,凈洗力有所提高,且原硅酸鈉的添加量對腐蝕性影響不大,腐蝕量在0.10～0.12 mg之間;隨著原硅酸鈉用量的增加,滲透性更好。在原硅酸鈉的用量為20%時,其凈洗力最高,腐蝕量較小,滲透性較好,因此原硅酸鈉的適宜用量為20%。

2.1.2 碳酸氫鈉用量對性能的影響

以20%原硅酸鈉、5%助洗劑三聚磷酸鈉、3%非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚和2%三乙醇胺為固定參數(shù),考察碳酸氫鈉用量對凈洗力、腐蝕性和漂洗性能的影響,結(jié)果見表2。

表2 碳酸氫鈉用量對性能的影響

從表2可看出,碳酸氫鈉的用量增加到9%后,凈洗力最高,且碳酸氫鈉的添加量對腐蝕性影響不大,腐蝕量在0.08～0.10 mg之間;碳酸氫鈉本身也具有較好的去污和穩(wěn)泡效果,同時對非離子表面活性劑起到一定的催化作用。原硅酸鈉與碳酸氫鈉配合使用,不含OH-的強(qiáng)堿,性能溫和,在不影響去污力的同時,有效抑制強(qiáng)堿對多種金屬表面的腐蝕,兼具很強(qiáng)的去油脫脂能力,腐蝕性極小,不損傷金屬表面,也避免了對人體皮膚的刺激,在使用過程中對水源、空氣和土壤均無污染。

2.1.3 助洗劑三聚磷酸鈉用量對性能的影響

以20%原硅酸鈉、9%碳酸氫鈉、3%非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚和2%三乙醇胺為固定參數(shù),考察助洗劑三聚磷酸鈉用量對凈洗力、腐蝕性和漂洗性能的影響,結(jié)果見表3。

表3 三聚磷酸鈉用量對性能的影響

從表3可以看出,隨著助洗劑三聚磷酸鈉用量的增加,在用量增加到3%之后,凈洗力均在98%以上,腐蝕量在0.11～0.14 mg之間,滲透時間也隨著助洗劑用量的增加而縮短。助洗劑在7%時凈洗力最高,腐蝕量最低,且具有良好的滲透性。助洗劑可以軟化硬水,有效地促進(jìn)污垢顆粒的分散,并能促進(jìn)污垢的乳化、皂化和溶解,與原硅酸鈉及碳酸氫鈉配合使用,清洗效果好,除油、除銹效果佳,脫脂率高,除重油類效果更佳,去污能力強(qiáng),低泡、低溫清洗性能好,水溶速度快,使用溫度范圍寬,并可重復(fù)使用。

2.1.4 脂肪醇聚氧乙烯醚用量對性能的影響

非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚[22]作為一種優(yōu)良的滲透劑、乳化劑、潤濕劑和清潔劑,其滲透性較強(qiáng),能夠增加清洗劑整體的滲透與分散能力;乳化能力較強(qiáng),其乳狀液可隨溫度變化進(jìn)行相反轉(zhuǎn),能夠進(jìn)行原位乳化,有利于油污清除。具有受酸堿環(huán)境的影響較小、適應(yīng)性較強(qiáng)、穩(wěn)定性高、毒性小等特點,且生物降解性好,同時對硅垢具有分散和抑制作用,可避免硅垢的形成,復(fù)配使用,具有顯著的協(xié)同增效作用。

以20%原硅酸鈉、9%碳酸氫鈉、7%助洗劑三聚磷酸鈉和2%三乙醇胺為固定參數(shù),考察了非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚用量對凈洗力、腐蝕性和漂洗性能的影響,結(jié)果見表4。

表4 脂肪醇聚氧乙烯醚用量對性能的影響

從表4可以看出,當(dāng)脂肪醇聚氧乙烯醚用量達(dá)到3%后,用量再增加,凈洗力反而呈下降趨勢,腐蝕量逐漸增加,滲透時間也逐漸增加。非離子表面活性劑能夠提高溶液在物質(zhì)表面的擴(kuò)散,通過復(fù)合型表面活性劑達(dá)到了一個協(xié)同作用,增加了清洗液在污垢表面的分散,提高了去污效果,加入溶解度較大的非離子表面活性劑,不但有利于復(fù)配體系溶解度增加,而且還可以改善的脫脂能力,起到增強(qiáng)洗滌效果的雙重作用。調(diào)控?zé)o機(jī)堿、助洗劑、表面活性劑之間的配比,利用其協(xié)同作用,制備得到的油污清洗劑具有高去污能力、環(huán)保、重復(fù)使用率高的效果。

2.1.5 三乙醇胺用量對性能的影響

以20%原硅酸鈉、9%碳酸氫鈉、7%助洗劑三聚磷酸鈉和3%非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚為固定參數(shù),考察了三乙醇胺用量對凈洗力、腐蝕性和漂洗性能的影響,結(jié)果見表5。

表5 三乙醇胺用量對性能的影響

從表5可以看出,當(dāng)三乙醇胺用量達(dá)到2%后,用量增加,凈洗力逐漸降低,腐蝕量在0.10 mg左右波動。硅酸鹽能夠在金屬表面形成一層保護(hù)膜,有很好的抗氧化作用,起到良好的緩蝕防腐蝕作用,與防銹油或防銹漆相容性好,與三乙醇胺復(fù)合使用,可起到優(yōu)異的防腐、防銹性能。

2.1.6 環(huán)保型金屬清洗劑的配方及凈洗率

綜上,環(huán)保型金屬清洗劑的優(yōu)化配方(質(zhì)量比)為:20%原硅酸鈉+9%碳酸氫鈉+7%助洗劑+3%非離子表面活性劑+2%三乙醇胺,余量為水;清洗劑的凈洗力為99.5%,水溶液pH值11.5,腐蝕性達(dá)標(biāo),防銹性好,漂洗性能優(yōu),且穩(wěn)定性好。圖1為清洗溫度和時間對凈洗率的影響。

圖1 清洗溫度和時間對凈洗率的影響

從圖1可以看出,在20 ℃清洗4 min,凈洗率達(dá)到95.0%;40 ℃清洗4 min,凈洗率達(dá)到99.0%:符合GB/T 35759—2017對凈洗率的要求。當(dāng)溫度上升到50 ℃時,凈洗率可達(dá)99.8%。另外,清洗速度隨著清洗時間的延長而提升。清洗3 min,凈洗率可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值98%。考慮到節(jié)能成本和生產(chǎn)效率,首選清洗參數(shù)為:溫度40 ℃,時間4 min。

2.2 與其他產(chǎn)品的清洗劑性能對比

表6為本品與日本K4055清洗劑的性能比較結(jié)果。

表6 本產(chǎn)品與日本金屬制品清洗劑產(chǎn)品主要性能比較

從表6可以看出,本品與日本K4055清洗劑產(chǎn)品同為堿性清洗劑,但本品pH值低,含固量少,凈洗力好,防銹性強(qiáng),對金屬的腐蝕相對較低,漂洗性、穩(wěn)定性相近。

3 結(jié) 論

a.環(huán)保型金屬清洗劑的優(yōu)化配方(質(zhì)量比)為:20%原硅酸鈉,9%碳酸氫鈉,7%助洗劑三聚磷酸鈉,3%非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚,2%三乙醇胺,1%消泡劑。其制備方法簡單,原料安全、環(huán)保,不傷手,有良好的復(fù)配協(xié)同效應(yīng),實現(xiàn)低泡、清洗溫度低、清洗時間短、高去污力的效果。

b.環(huán)保型金屬清洗劑為均勻、無分層、無沉淀液體,凈洗力可達(dá)99.5%,腐蝕性達(dá)標(biāo),防銹性、穩(wěn)定性及漂洗性能好,各項性能符合GB/T 35759—2017指標(biāo)要求。

c.環(huán)保型金屬清洗劑具有優(yōu)異的生物降解性,能有效地減少脫脂廢液對環(huán)境的污染;且具有極強(qiáng)的清洗性能和較長的緩蝕周期及良好穩(wěn)定性,清洗和鈍化可同時完成,實現(xiàn)了去污、除油、防銹的同步性。