高效绿色多功能水基清洗剂的研制

古蒙蒙，蔡卫权，2

（1武汉理工大学化学化工与生命科学学院，湖北 武汉 430070；2武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070）

高效绿色多功能水基清洗剂的研制

古蒙蒙1，蔡卫权1，2

（1武汉理工大学化学化工与生命科学学院，湖北 武汉 430070；2武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070）

采用工业级烷基糖苷（APG0810）、脂肪酸甲酯乙氧基化物（FMEE）、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（6501）与自来水进行复配，制备用于厨房稠油垢、金属表面矿物油和抛光蜡去除并且配方简单的绿色多功能水基清洗剂。在3因素4水平正交试验研究清洗剂配方组成对其去污效果影响的基础上，考察了6501含量和温度对该清洗剂去污力的影响，并研究了较佳配方组成条件下该清洗剂的综合清洗性能。结果表明，影响该清洗剂去污力从大到小的配方因素依次为6501、APG0810和FMEE，其较佳配方组成为APG0810 2.6%、FMEE 5.2%、6501 4.5%、自来水87.7%；该清洗剂具有较好的高温稳定性和低温稳定性，在室温下对稠油垢、矿物油和抛光蜡的去污力分别为95.4%、90.4%和92.4%，45℃时基本清除这3种类型的污垢。

非离子表面活性剂；多功能水基清洗剂；稠油垢；矿物油；抛光蜡

随着人们环保意识和节能减排要求的不断提高，对清洗产品的要求也逐渐提高，绿色多功能高效清洗剂开始受到关注。清洗剂的“绿色”是指根据绿色化学的基本原则，选用无毒、无害的原料，合成清洗剂的去污力强并且使用后可以生物降解［1］；清洗剂的“多功能”是指其对不同类型的污垢都能实现良好的清洗效果。国内从 20世纪 60年代开始研制水基清洗剂，目前品种已达200多种，但这些清洗剂大多只能针对某一特定污垢或清洗对象。例如，刘长春等［2］研制出由亚硝酸钠、拉开粉、三聚磷酸钠、太古油、异丙醇、三乙醇胺、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、溶纤剂、甲醛和水组成的金属清洗剂，在去除金属表面油污的同时起到防锈作用，但其配方复杂、清洗对象单一，并且配方中含有易导致水体富营养化的磷助剂和致敏、致毒性的甲醛。徐德林等［3］研制出由辛基酚聚氧乙烯醚、硼砂、三聚磷酸钠、磷酸钠、碳酸钠、乙二胺四醋酸钠、三乙醇胺、羧甲基纤维素、苯并三氮唑、尿素和去离子水组成的金属清洗剂，对钢、铜和铝等金属材料上油污的去污力达90%以上，但该清洗剂的配方过于复杂，其中含有的三聚磷酸钠、磷酸钠等还会造成环境的污染。因此，配方简单、使用安全的高效绿色多功能水基清洗剂的开发是一项十分重要而又紧迫的工作［4-5］。

作者所在的课题组长期致力于高性能清洗剂的开发，曾制备了高效油烟机重油垢环保型水基清洗剂，包括阴离子表面活性剂、烷基糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、柠檬酸钠、三乙醇胺和水共7种成分［6］；还制备了高效稠油垢微碱性水基清洗剂，包括烷基糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、椰子油脂肪酸二乙醇胺和水共5种成分［7］，但该配方中使用的壬基酚聚氧乙烯醚洗涤后的分解产物为公认的“环境激素”壬基酚，会造成水污染，因而在欧洲等发达地区已经被淘汰［8］；也曾制备了不锈钢高效超声波绿色除蜡中性水基清洗剂，包括脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基糖苷、脂肪酸甲酯乙氧基化物的磺酸盐、柠檬酸三钠、尿素和水等，该清洗剂对抛光蜡具有良好的清洗效果［9］，但上述清洗剂的清洗对象同样比较单一。本文旨在研制一种能有效去除厨房稠油垢、金属表面矿物油和抛光蜡的绿色多功能清洗剂，其中，厨房稠油垢由烹饪过程中的动、植物油经高温下氧化、聚合而形成；矿物油为工业金属零件加工过程中使用残留的润滑油、油淬、防锈油等；抛光蜡为金属材料工件涂蜡打磨抛光过程后粘附的蜡垢等。选用的原料包括去污力显著的烷基糖苷（APG0810）、脱脂和分散能力较强的脂肪酸甲酯乙氧基化物（FMEE）［11］以及广泛被用于沐浴露、洗发水中的具有良好渗透去污力的椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（6501）共3种组分，均为廉价易得的工业原料，不会对金属造成腐蚀，并且容易进行有机复配［10］，余量为自来水，该清洗剂配方较现有清洗剂配方大大简化。此外，上述表面活性剂均可在环境中自然降解，其中APG0810在34h后可实现完全降解［12］，FMEE的生物降解率可达99%以上［13］，6501不仅可以实现完全的自然生物降解，而且最终降解产物为二氧化碳和水。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

APG0810，工业级（50%）；FMEE，工业级（70%）；6510，工业级（1∶1.5），以上试剂均来自临沂市绿森化工有限公司。

THZ-C型台式恒温振荡箱，太仓市华美生化仪器厂；85-2A型恒温磁力搅拌器，常州博远实验分析仪器厂；HHS-12 型电热恒温水浴锅，水温波动±1℃，上海东星建材试验设备有限公司；DHG90A系列普通干燥箱，上海索普仪器有限公司；AL104型电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司。

1.2 清洗剂的配制

根据清洗剂配方组成，依次将准确称量的原料APG0810、FMEE和6501加入到同一烧杯中，然后加入指定量的自来水，常温下在磁力搅拌器上搅拌1.5h后形成无色透明的溶液。

1.3 厨房油垢的清洗实验

厨房油垢的清洗实验参照国家标准 QB/T 4348—2012《厨房油垢清洗剂》进行。考虑到实际清洗厨房油垢的过程通常接收不到来自太阳的紫外照射，对污片的老化条件进行了少许修改，在无紫外照射的条件下进行。

1.3.1 厨房油垢的制备

在250mL塑料杯中依次称取大豆油64.0g、牛油8.0g、猪油8.0g、单硬脂酸甘油酯2.4g，在50℃水浴加热下溶解；边搅拌、边冷却到30℃后，加入无氨焦糖色素8.0g，以1000r/min的速度搅拌30min，乳化均匀后加入小麦粉12.0g，再搅拌10min，陈化24h后，放置到冰箱冷藏室中，使用时恢复至20～25℃。人工制备的厨房油垢在冰箱冷藏室的保质期为3个月［14］。

1.3.2 厨房油垢的清洗实验

污片的制备。洗净试片，于（120±2）℃的烘箱中干燥1h后，在干燥器中冷却30min后称量（准确至 0.002g）。用玻璃棒在试片单面涂敷人工污垢（每个样品需用3片试片）。污垢质量控制在0.24～0.26g/片，涂好后放在干燥的瓷板上，于（200±2）℃的烘箱中干燥 10min。取出冷却 20min后放入（45±2）℃的恒温烘箱中老化3h，之后将污片取出放入培养皿中，于干燥器中陈化20～22h。

清洗过程。称取200g试样（称准至0.01g）于玻璃烧杯中，水浴预热至（35±2）℃。将准备好的测试试片称量后（称准至0.0002g），放入500mL的玻璃烧杯，每个样品用3个烧杯，每个烧杯内一个试片。用秒表计时，使试片完全浸泡 10min，摆洗5min，取出试片放入托盘中，于（120±2）℃的烘箱中干燥45min，再于干燥器中冷却30min后称量（称准至 0.0002g），去污力的计算方法参见文献［14］。同一时间各个污片从称量到摆洗的全部过程均在2h内完成。

1.4 矿物油的清洗实验

污片的制备和清洗率的测定过程参见上述标准稠油垢清洗的实验方法和计算方法，但用矿物油取代厨房油垢。

1.5 抛光蜡的清洗实验

首先，将洗净并在120℃下干燥1h后的钢片放置到干燥器中，冷却至室温后称重，再将钢片放置到烘箱加热到60～65℃，立即在钢片规定部位均匀涂敷抛光蜡 0.24±0.02g。然后，将涂有抛光蜡的钢片在200℃下老化10min后取出，放在干燥器中陈化20～22h后制得污片，将其称重。最后，将污片水平置于500mL的烧杯中，加入50mL清洗剂后置于超声波清洗机中，在50℃下超声清洗4min后取出，并用自来水冲洗10s，接着在120℃下干燥45min后放置到干燥器中，冷却至室温后称重，去污力的计算方法参见文献［9］。

1.6 清洗性能的测试

自制清洗剂的外观、气味、pH、去污力、高温稳定性和低温稳定性等测试均参照国家标准进行［15］。

2 结果与讨论

2.1 清洗稠油垢的正交试验

在前期探索实验的基础上选择APG0810、FMEE和6501共3个影响因素，并各取4个水平，在室温下进行3因素4水平的正交试验。根据清洗剂的因素权值［16］，以去污力为主要试验指标计算极差，确定各因素的主次顺序，Ki表示任一列上水平号为i（i=1，2或3）时清洗剂对应去污力的试验结果之和；R为极差，任一列R=max｛K1，K2，K3｝-min｛K1，K2，K3｝［17］。该清洗剂对厨房稠油垢的清洗结果见表1。由表1可知，各因素影响清洗剂去污力从大到小的顺序依次为：6501＞APG0810＞FMEE。根据极差分析结果，选取各因素最大 K值对应的水平为配方组成百分含量，确定较佳清洗剂的配方组成为6501 1.6%、APG0810 2.6%、FMEE 5.2%，该清洗剂对标准厨房稠油垢的较佳清洗率为95.3%。

表1 正交试验结果与分析

2.2 对矿物油和抛光蜡的清洗效果

上述较佳配方组成的清洗剂用于清洗矿物油和抛光蜡时也表现出了较优异的清洗性能，其在标准条件下的去污力分别为90.3%和93.7%。非离子表面活性剂的去污机理通常表现为：清洗过程中表面活性剂的界面张力降低，产生定向吸附、润湿、乳化、分散、增溶等作用，再借助清洗时的加热、刷洗、喷锡和超声等作用，使油污更快的脱离金属工件［18］。对本文自制的清洗剂而言，具有较强渗透作用的6501通过对蜡垢润湿反转的方法，使结蜡的不锈钢亲油表面反转成亲水表面［18］，因而削弱了蜡分子或油垢与不锈钢间的作用力；APG0810的润湿、乳化以及与油脂和蜡质结构类似的 FMEE的分散作用也会使油垢和蜡垢乳化分散成细小的粒子，然后借助机械外力的作用脱落，达到去除油垢和蜡垢的目的［19-20］。

2.3 6501质量分数对清洗剂去污力的影响

考虑到6501是影响清洗剂清洗稠油垢效果的最主要因素，进一步考察了其他条件不变时其含量对自制清洗剂去污力的影响。由于6501含量超过4.5%时清洗剂各配方组成出现不兼溶的分层现象，因此其实际添加量最高为4.5%（见表2）。由表2可知，随着6501含量逐渐从1.6%增加到4.5%，清洗剂的去污力逐渐增加；6501含量增加到4.5%时其对稠油垢、矿物油和抛光蜡的去污力分别达到98.5%、94.2%和99.7%的最高值。因此，该清洗剂的配方组成可进一步优化为APG0810 2.6%、FMEE 5.2%、6501 4.5%，在后续实验中以该配方组成为基准。

2.4 温度对清洗剂去污力的影响

表3为温度对清洗剂的清洗效果的影响。由表3可知，在0至50℃之间温度越高，清洗效果越好；45℃时其对稠油垢、矿物油和抛光蜡的去污力分别达到99.4%、97.8%和97.9%，基本清除全部油污。表3还显示，温度降至10℃后其对稠油垢的去污力仍达 91.4%，但温度降至 0℃后其去污力降至72.9%，因此，采用该清洗剂清洗稠油垢最好在10℃以上进行，而清洗矿物油和抛光蜡时最好在室温及其以上温度下进行。

2.5 清洗剂的其他性能

为反映该清洗剂的综合清洗性能，表4给出了较佳自制清洗剂配方组成时其外观、pH、去污力、清洗效果和高低温稳定性等实验结果。表4显示，该清洗剂呈碱性，这可能与6501中的NH—与水中的质子结合形成稳定的铵正离子并释放出 OH-有关。该清洗剂对不锈钢片的清洗性能优异，并具有优异的高温稳定性和低温稳定性。

表2 6501质量分数对清洗剂去污力的影响

表3 清洗温度对清洗剂去污力的影响

表4 清洗剂性能指标

3 结 论

（1）成功地研制出一种多功能绿色环保水基清洗剂，该清洗剂对厨房稠油垢、金属表面矿物油和抛光蜡均具有优异的清洗性能。经正交实验和主要影响因素 6501含量等实验优化后的较佳配方组成为APG0810 2.6%、FMEE 5.2%、6501 4.5%、自来水87.7%，其在室温下对稠油垢、矿物油和抛光蜡的去污力分别为95.4%、90.4%和92.4%，45℃时基本清除全部油污。

（2）所研制的多功能清洗剂仅含有APG0810、FMEE、6501和自来水4种组分，配方和配制工艺简单、清洗范围广、低温和高温稳定性好，主要原料均为廉价易得的非离子表面活性剂，绿色环保，为新型多功能水基清洗剂的开发提供了新的思路。

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Development of green multi-functional water-based metal cleaning agents with high detergency

GU Mengmeng1，CAI Weiquan1，2
（1School of Chemistry，Chemical Engineering and Life Science，Wuhan 430070，Hubei，China；2State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China）

A green multi-functional water-based cleaning agent with simple formulas for removal of thick kitchen grease，mineral oil and polishing wax on metal surfaces was successfully prepared by mixing industrial grade non-ionic surfactants including alkyl polyglucoside（APG0810），fatty acid methyl ester ethoxylates（FMEE），coconut oil fatty acid diethanol amide（6501）and tap water. Effects of 6501 content and cleaning temperature were analyzed based on the influence level of the formula compositions on the detergency performance of the cleaning agent using an orthogonal experiment with 3 factors and 4 levels. Comprehensive cleaning performance of the cleaning agent under the condition of the best formula compositions was also studied. The results showed that the influence level of the cleaning agent on the detergency of the cleaning agent from greatest influence to least was as follows：6501，APG0810 and FMEE；in addition，it has better formula compositions of APG0810 2.6%，FMEE 5.2%，6501 4.5% and water 87.7%. The developed cleaning agent is good in high temperature stability and low temperature stability simultaneously； its detergency towards kitchen thick grease，mineral oil and polishing wax on metal surfaces at 25℃ are 95.4%，90.4% and 92.4%，respectively，and it can almost completely remove the three kinds of residues at 45℃.

nonionic surfactant；multi-functional water-based cleaning agent；heavy oil foulant；foulant mineral oil；polishing wax

TQ 649

A

1000-6613（2016）10-3301-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.040

2016-02-22；修改稿日期：2016-05-11。

古蒙蒙（1990—），女，硕士研究生。联系人：蔡卫权，博士，教授，博士生导师，E-mail caiwq@whut.edu.cn。