铝合金表面油污清洗剂的制备及其腐蚀性研究

季 伟，孟繁东，潘科宇，王文军，潘明华，韩怡秋，邵明亮，刘 东，周勇*

（1⋅丽水正阳电力建设有限公司工程技术部，浙江丽水323000；2⋅贵州晟展峰新材料科技有限公司工程技术部，贵州贵阳550003；3⋅武汉工程大学绿色化工过程教育部重点实验室，湖北武汉430205）

金属材料在出厂后的运输、存放和加工过程中其表面会沾染上各种油污，包括：矿物油脂、动植物油脂和灰尘等，因此对金属材料表面进行清洗使其达到一定的光洁度对后续的使用和包装都是很有必要的［1］。金属表面油污清洗剂发展到当下经历了三代，第一代为“有机溶剂型”，主要通过有机溶剂的溶解作用来达到清洗的目的，但是有机溶剂普遍存在易燃和无毒两个问题，因此第一代产品早已被淘汰；第二代为“碱性溶液型”，主要通过碱性溶液的皂化作用来达到清洗的目的，但是碱性溶液一方面对矿物油脂基本没有清洗效果，另一方面对人体表皮有较强的刺激性，因此第二代产品也逐渐被淘汰；第三代为“水基清洗型”，主要通过表面活性剂的乳化、分散和渗透作用来达到清洗的目的，第三代产品对矿物油脂和动植物油脂都有很好的清洗效果、且对环境和健康的影响也相对较小，因此具有很大的开发和应用空间。

关于金属表面水基清洗剂的研制，前人已经做了大量的工作［2‐10］。李高峰等［4］将嵌段醇醚型非离子表面活性剂与阳离子表面活性剂复配并辅以各类助剂，得到了一种对铸铁、碳钢和合金钢等黑色金属表面油污有很好清洗效果的水基清洗剂，但是没有涉及此清洗剂在有色金属方面的应用；胡小强等［5］将所制备的水基清洗剂用于多种黑色金属（碳钢、铸铁）和有色金属（黄铜、紫铜、硬铝）表面油污的清洗，清洗效果可满足要求但是清洗剂对不同金属的腐蚀性有一定的差异；余文博等［9］也考察了多种表面活性剂复配对水基清洗剂的清洗效果的影响同时将所得清洗剂应用于碳钢和铝合金表面油污的清洗均有良好的效果，但是配方中的某些组分已经不满足当前的环保要求。虽然目前已有很多关于金属表面水基清洗剂的研究报道，但依旧存在部分有待完善和解决的问题。首先，目前已报道的研究主要以黑色金属，特别是钢铁作为基体材料来研制清洗剂，很少考虑到所研制清洗剂对有色金属的适宜性，而有色金属与黑色金属的耐蚀性有较大差别，对黑色金属表面油污有较好清洗效果的清洗剂在清洗有色金属表面油污时很可能引起基体的腐蚀。第二，水基清洗剂配方中表面活性剂的选用基本可以做到绿色环保，但是各类助剂的选用有时会涉及到一些对环境和健康有害的物质，例如：三聚磷酸钠常用作软水剂且有很好的效果、但是会导致水体的富营养化［11］，亚硝酸钠常用作缓蚀剂也有很好的效果，但是会导致人体的某些病变［12］。因此，综合考虑以上原因，水基清洗剂的研制还有很大的发展和扩宽的空间。

本文研制了一种对铝合金表面油污有较好清洗效果且绿色环保的水基清洗剂，其中主成分（表面活性剂）的选择借鉴目前已有的经验，使用了阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂进行复配［11］；辅成分（各类助剂）的选择兼顾了绿色环保和针对性强两点，使用了硅酸钠作为无机碱［13］、聚二甲基硅氧烷作为消泡剂［14］、钼酸钠作为缓蚀剂［15］、乙二胺四乙酸二钠作为软水剂［16］。通过正交试验得到了清洗剂的最优配方，并通过单因素试验获得了清洗剂的最佳使用条件，最后比较了自制水基清洗剂和市售水基清洗剂对同种油污的清洗效果以及对铝合金基体的腐蚀性。

1 试验

1.1 药品和试剂

实验所用药品和试剂的名称、化学式/缩写及其功能和用途见表1。所有药品和试剂的纯度等级均为分析纯。

1.2 油污来源

将在某汽车配件厂铝合金部件加工车间收集的生产油污（主要含各种矿物油脂）和在某饭店后厨收集的生活油污（主要含各种动植物油脂）等体积混合均匀，然后敞口放置在实验室中使其混入各种杂质和灰尘，得到实验所用油污。

1.3 正交试验设计

采用四因素三水平［L9（34）］正交试验分别确定主成分（表面活性剂）和辅成分（各类助剂）中各组分的含量，正交试验表如表2和表3所示，其中各因素的选择以及各水平的设置通过查阅文献资料和前期探索性实验确定。进行正交试验中的各组实验时，清洗温度固定在50 ℃、清洗时间固定在10 min；进行主成分（表面活性剂）正交试验中的各组实验时，不添加辅成分（各类助剂）到母液和工作液中。

表1 实验所用药品和试剂Tab.1 Reagents used in the experiment

表2 主成分（表面活性剂）正交试验表Tab.2 Orthogonal test table of principal component（surfactant）

表3 辅成分（各助剂）正交试验表Tab.3 Orthogonal test table of assistant component

1.4 清洗工艺和清洗效率

将AA2024铝合金加工成尺寸为50 mm×50 mm×5 mm大小的试片，使用水砂纸依次逐级将试片打磨到1000#，去离子水冲洗并吹干后称其质量为m0（g）；将试片放入油污中使其各表面均被油污沾染，然后将试片从油污中取出，待没有油污滴落时称其质量为m1（g）；将表面附着了油污的试片悬挂在工作液（母液与自来水按体积比1∶20 均匀混合得到）中进行超声波清洗，清洗结束后取出试片吹干后称其质量为m2（g），使用公式（1）计算清洗效率η（%）。

1.5 腐蚀失重实验和电化学测试

使用公式（2）计算腐蚀失重速率。腐蚀失重实验结束后，使用JSM-5510LV 型扫描电子显微镜（SEM）观察铝合金试片的表面形貌。

其中：v 表示腐蚀失重速率，g·cm‐2·h‐1；m0为浸泡前的铝合金试片质量，g；m3为浸泡后去除表面腐蚀产物的铝合金试片质量，g；S为铝合金试片的表面积，cm2；t为浸泡时间，h，固定为24 h。

电化学测试使用CS310 电化学工作站在清洗剂工作液中室温条件下进行。电化学测试使用传统的三电极体系，其中参比电极为饱和甘汞电极（SCE）、辅助电极为Pt电极、工作电极为AA2024铝合金试片。动电位极化测试时电位扫描速度为0⋅5 mV·s‐1、电位扫描范围从相对开路电位（OCP）−0⋅3 V 到0⋅3 V；电化学阻抗谱（EIS）测试时正弦波交流信号振幅为10 mV、频率范围为100 kHz到10 mHz。腐蚀失重实验和电化学测试都在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 主成分（表面活性剂）正交试验

表4 为所制备水基清洗剂中主成分表面活性剂的正交试验结果。比较各因素的极差R 可知，SDBS 对清洗效率的影响明显大于AEO‐9、TX‐10和OP‐10，此结果与目前已报道的钢铁表面水基清洗剂研制中发现的规律相一致，即阴离子表面活性剂对清洗效果的影响更为显著［11］。通过极差分析所得各因素最佳水平的组合为A3B3C2D2，此组合未在正交表中的九组实验中出现，计算其清洗效率为98⋅76 %，大于正交试验中九组实验所得清洗效率的最高值，即7 号实验所对应组合的清洗效率（98⋅25 %）。因此，得到自制水基清洗剂母液中表面活性剂的最佳含量为SDBS 1⋅5 g·L‐1、AEO‐9 8⋅0 g·L‐1、TX‐10 4⋅0 g·L‐1和OP‐10 8⋅0 g·L‐1。之后，在此基础上进行了辅成分（各类助剂）的正交试验。

表4 主成分（表面活性剂）正交试验结果Tab.4 Orthogonal test results of principal components（surfactants）

2.2 辅成分（缓蚀剂、软水剂、无机碱和消泡剂）正交试验

表5 为所制备水基清洗剂中辅成分各类助剂的正交试验结果，实验中主成分表面活性剂的添加量按照上述实验所得的最佳值添加，即SDBS 为1⋅5 g·L‐1、AEO‐9为8⋅0 g·L‐1、TX‐10为4⋅0 g·L‐1，OP‐10 为8⋅0 g·L‐1。比较各因素的极差R 可知，Na2SiO3作为无机碱对清洗效率的影响明显大于缓蚀剂、软水剂和消泡剂，这是因为正交试验选择“清洗效率”作为指标，而水基清洗剂配方中无机碱的主要作用是清洗油污中的动植物油脂［11］；通过极差分析所得各因素最佳水平的组合为A2B1C2D1，此组合未在正交表中的九组实验中出现，计算其清洗效率为99⋅79%，仅比正交试验中#4 实验所对应组合的清洗效率略低，两者差别仅是消泡剂PDMS 的含量不同，同时在实验过程中发现PDMS 的含量为0⋅1 g·L‐1时已经可以发挥很好的消泡效果。因此，综合清洗效率和原料成本，得到自制水基清洗剂母液中各类助剂的最佳含量为Na2MoO40⋅2 g·L‐1、EDTA‐2Na 0⋅2 g·L‐1、Na2SiO31⋅0 g·L‐1和PDMS 0⋅1 g·L‐1。

2.3 清洗温度和清洗时间

将表面活性剂和各类助剂按上述正交试验所得的最优含量加入到去离子水中均匀混合后得到自制水基清洗剂的母液，将母液与自来水按体积比1∶20混合均匀后得到工作液，在工作液中探讨了清洗温度和清洗时间对自制水基清洗剂清洗效果的影响，分析了自制水基清洗剂的最佳使用条件。

表5 辅成分（各助剂）正交试验结果Tab.5 Orthogonal test results of assistant components（auxiliaries）

图1 为清洗温度对自制水基清洗剂清洗效率的影响（清洗时间固定为10 min）。可以看出，在30 ℃到50 ℃，清洗效率随着温度的升高逐渐增大，这归因于温度对清洗剂和油污中各分子运动剧烈性的影响，在此温度范围内随着温度的升高，清洗剂和油污的相互作用逐渐增强，因此清洗效率得以升高；在60 ℃到80 ℃，清洗效率随着温度的升高逐渐降低，这是因为从60 ℃开始温度依次达到三种非离子表面活性剂的浊点，在此温度范围内随着温度的升高，非离子表面活性剂逐渐失效［17］，因此清洗效率反而下降。由于40 ℃和50 ℃时的清洗效率相差不大，从节能的角度考虑，自制水基清洗剂的最佳清洗温度选定为40 ℃。

图2 为清洗时间对自制水基清洗剂清洗效率的影响（清洗温度固定为40 ℃）。可以看出，随着清洗时间的延长，清洗效率逐渐增大，但是前期清洗效率的提高速率明显快于后期，从工效的角度考虑，自制水基清洗剂的最佳清洗时间选定为5 min。

图1 清洗温度对水基清洗剂清洗效率的影响Fig.1 Influence of cleaning temperature on work efficiency of water-based cleaning solution

图2 清洗时间对水基清洗剂清洗效率的影响Fig.2 Influence of cleaning time on work efficiency of water-based cleaning solution

2.4 自制清洗剂和市售清洗剂的性能比较

将所制备清洗剂和某市售清洗剂对同种油污的清洗效果以及对铝合金基体的腐蚀性进行了对比。图3 为AA2024 铝合金试片在自制水基清洗剂和市售水基清洗剂中的极化曲线和交流阻抗谱图（EIS）。表6 为自制水基清洗剂和市售水基清洗剂的清洗效率（η）以及AA2024 铝合金试片在两种清洗剂中的腐蚀失重速率（v）、腐蚀电流密度（Jc）和EIS阻抗模值（|Z|）。

从图3 和表6 可以看出，铝合金试片在自制清洗剂中的腐蚀电位（Ec）明显正于市售清洗剂，Jc明显小于市售清洗剂，而铝合金试片在自制清洗剂中的容抗弧半径明显大于在市售清洗剂中的半径。自制清洗剂的η 值比市售清洗剂的η 值略高，即清洗效果略好；v 值和Jc值明显减小、|Z|明显增大，说明自制清洗剂的腐蚀性明显低于市售清洗剂。

图4 为AA2024 铝合金试片在自制水基清洗剂和市售水基清洗剂中腐蚀失重实验后表面的SEM形貌。浸泡24 h后，铝合金试片在自制清洗剂中的表面腐蚀状态明显比在市售清洗剂中的表面腐蚀状态轻微，即自制水基清洗剂的腐蚀性更小。

图3 AA2024铝合金试片的极化曲线和EISFig.3 Polarization curves and EIS of AA2024 samples

表6 自制和市售清洗剂的清洗效率及AA2024铝合金试片在两种清洗剂中的腐蚀参数Tab.6 Work efficiency of two kinds of water-based cleaning agents and corrosion parameters of AA2024 aluminum alloy in them

图4 AA2024铝合金试片腐蚀失重实验后表面的SEM形貌Fig.4 Surface SEM morphology of AA2024 samples after corrosion loss-weight test

3 结论

（1）得到了一种对铝合金表面油污具有较好清洗效果同时绿色环保的水基清洗剂，清洗剂的配方如下：SDBS 1⋅5 g·L‐1、AEO‐9 8⋅0 g·L‐1、TX‐10 4⋅0 g·L‐1和OP‐10 8⋅0 g·L‐1，Na2MoO40⋅2 g·L‐1、EDTA‐2Na 0⋅2 g·L‐1、Na2SiO31⋅0 g·L‐1和PDMS 0⋅1 g·L‐1。最佳清洗温度为40 ℃、最佳清洗时间为5 min。

（2）对比自制和市售水基清洗剂对铝合金表面油污的清洗效果及对铝合金基体的腐蚀性后发现，自制清洗剂的清洗效果略好，但腐蚀性明显降低。