低泡沫无印渍硬表面清洗剂配方的研究

2023-09-26金源郑岩

上海化工 2023年4期

金源郑岩

上海喜赫精细化工有限公司（上海 201620）

清洗是金属、塑料、树脂、玻璃等制品表面处理加工过程中不可或缺的程序之一，清洗不彻底导致产品质量不良的比例超过40%。表面清洗是否彻底，不但影响后续的电镀、彩涂、镀膜等精加工工艺操作，而且影响成品的外观和美观度[1]。传统的硬表面水基清洗剂，不仅会产生较多的泡沫，也容易在金属表面产生水印或水渍[2]。

环氧乙烷/环氧丙烷（EO/PO）无规嵌段脂肪酸甲酯乙氧基化物（FMEE）是一种低表面张力表面活性剂，具有良好的硬表面铺展性能，其水溶液在硬表面上不聚集成水珠，可以快速有效地湿润和铺展表面，有效地避免清洗后在硬表面上形成竖条流痕、水印白点等痕迹，从而改善清洗后的最终外观[3]。FMEE不仅具有很强的表面润湿与净洗力，而且乙氧基化后进一步丙氧基化，分子结构式中同时含有亲水乙氧基和亲油丙氧基，这种亲油亲水结构交错排列，导致分子结构空间排列参差不齐，在液膜之间形成大量的空隙，减弱了液膜的强度与厚度，使FMEE 具有低泡特性[4]。FMEE 主要性能见表1。

表1 FMEE 主要性能参数

由表1 可知，FMEE 具有良好的表面润湿性与铺展性，其表面张力和润湿接触角都较低，在硬表面被油污覆盖时，可以迅速沿油污边缘渗透进入油污内部，破坏油污与硬表面的结合力，易于清洗工作液将油污卷离表面，对污垢的清洗非常有效[5]。选用具有超级润湿与铺展作用的非离子表面活性剂FMEE作为清洗剂的主体成分，将其与无机盐助洗剂进行合理复配，分析了清洗温度、时间、FMEE 的用量以及助洗剂等对清洗效果的影响，最终得到一种低泡沫的无印渍硬表面清洗剂。该清洗剂适用于连续式喷淋清洗工序，具有节水、高效的特点，符合节能减排的发展要求。

1 实验部分

1.1 主要材料与仪器

无磷乙二胺二邻苯基乙酸钠（EDDHA-Na）、脂肪酸甲酯二丙酸钠M400、FMEE，工业级，上海喜赫精细化工有限公司；二水合柠檬酸钠，工业级，山东英轩实业股份有限公司；306 不锈钢板（规格为20 mm×20 mm×2.5 mm），东莞键能五金制品有限公司；氧化铈（CeO2），四川省乐山钻石天然磨料有限责任公司。

BN-002 电子分析天平，泉州懿恒电子有限公司；85-2 恒温磁力搅拌器，上海化科实验器材有限公司；ZK-82A 电加热真空小型烘箱，浙江路达机械仪器有限公司。

1.2 不锈钢油污的制备

将石蜡50 g、长城润滑油200 g、花生油100 g、切削液100 g 和稀土3 g 在（70±2）℃条件下搅拌均匀。将准备好的不锈钢片彻底洗净，准确称量其质量，记为m0。将不锈钢片浸入自制油污确保油污充分粘附在其两面，在（80±2）℃下干燥2～4 h 后，准确称量其质量，记为m1。

1.3 不锈钢片的清洗试验

将不锈钢试片置于恒温搅拌的清洗剂工作液中，准确称量清洗前后的不锈钢试片的质量，并按照公式（1）计算清洁率（p）。

式中：m0为不锈钢试片初始质量，mg；m1为附着油污后试片的质量，mg；m2为清洗后不锈钢试片的质量，mg。

1.4 耐洗性测试

将5 片涂覆有油污的不锈钢片依次按照1.3 工艺进行清洗，计算每一片不锈钢片的油污清洁率，用平均油污去除率来表征清洗剂的耐洗性。

2 结果与讨论

2.1 温度对FMEE 清洗效果的影响

将清洗剂FMEE 用量设定为2%，不添加其他洗涤或助洗成分，参照1.3，分析了不同清洗温度对清洁率和耐洗性的影响，实验结果见图1。

图1 温度对FMEE 清洗效果的影响

由图1 可知：当清洗温度在30～60 ℃之间时，清洁率随温度的升高相应提升，由41.55%提高至81.29%；当温度超过60 ℃后，清洁率开始下降。这是由于EO/PO 无规嵌段FMEE 浊点（50～52 ℃）较低，当清洗温度超出浊点太多，会导致非离子表面活性剂结构发生变化，其醚键中的氧原子与水中的氢原子之间的共价键发生断裂，其乳化和增溶油脂的能力快速下降[6]，因此当清洗温度超过80 ℃时，清洁率下降明显。温度升至90 ℃，清洗率再次提高至83.22%，原因是高温条件下，热水本身也有很好的清洗能力。在耐洗性方面，温度较低时，FMEE 的耐洗性较好，在60 ℃时耐洗性相对于清洁率较差，是因为该温度条件下FMEE 自身消耗比较大，导致耐洗性下降。温度继续升高至90 ℃，耐洗性提高至80.19%，该温度条件下高温对清洗的影响比较明显。根据FMEE 的浊点和实验数据，确定其最佳使用温度为50 ℃。

2.2 FMEE 用量对清洗效果的影响

将清洗温度设定为50 ℃，参照1.3，在未添加其他洗涤或助洗成分的条件下，分析了不同用量FMEE 对清洁率和耐洗性的影响，实验结果见图2。

图2 FMEE 用量对清洗效果的影响

由图2 可知，随着FMEE 用量的提升，清洁率逐渐升高，当FMEE 在工作液中的质量分数超过2%之后，清洁率基本维持在80%左右，继续提升FMEE的用量，清洁率提升的幅度很小。这说明当FMEE 溶液的浓度达到了其临界胶束浓度（CMC）后，继续提高FMEE 的浓度，对清洁率提升帮助不明显。另一方面，在长期存放过程中，金属表面会产生一些顽固的难以去除的油污，如经过氧化后的硬质老垢、缝隙或盲孔深处的油污等。对于此类难以清洗的污垢，仅靠提高工作液的浓度是远远不够的[7]。在耐洗性方面，随着FMEE 用量的增加，耐洗性能相应提高。考虑表面活性剂应用成本，最终以形成CMC 时的FMEE 用量为最佳用量，该质量分数为2%。

2.3 清洗时间对FMEE 清洗效果的影响

将清洗温度设定为50 ℃，FMEE 质量分数设定为2%，不添加其他洗涤或助洗成分，参照1.3，分析了不同清洗时间对清洁率和耐洗性的影响，实验结果见图3。

图3 时间对清洗效果的影响

由图3 可知：在清洗工艺的初始阶段，清洁率与清洗时间成正比，随着时间的延长，清洁率不断提高；清洗时间超过10 min 后，清洁率提升幅度变缓慢；清洗时间超过20 min 后，清洁率几乎没有变化。另外，清洗时间对耐洗性的影响较小，耐洗性始终维持在45%～50%之间。因此，在实际生产中，在保证清洁率的前提下，应尽可能缩短清洗时间，以提高生产加工效率、降低生产成本。通过实验最终确定FMEE的最佳清洗时间为10 min。

2.4 助洗剂对FMEE 清洗效果的影响

在清洗剂中加入一些助洗剂可以提高清洗剂的去污能力，因为助洗剂一般都具有螯合作用，并能通过缓冲作用稳定清洗工作液的pH。另外，助洗剂一般都含有阴离子基团，可以使污垢表面携带相同的负电荷，相互之间产生排斥力，减少污垢聚集的倾向，更有利于分散污垢[8]。氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和偏硅酸钠是目前常用的助洗剂，这类助洗剂存在的问题是在光滑的镜面容易产生明显水渍和流痕，清洗后需要用大量的去离子水或溶剂冲洗[9]。三聚磷酸钠、焦磷酸钠等磷酸盐也是常用助洗剂。含磷助洗剂在硬表面成膜透明，清洗后的硬表面不会残留可见的印渍，但磷酸盐类助洗剂不环保[10]。为了获得一种能替代磷酸盐，并且在硬表面不产生印渍的助洗剂，选择无磷环保的柠檬酸钠和EDDHA-Na 作为助洗剂。EDDHA-Na 具有较强的螯合与分散作用，可以弥补柠檬酸钠螯合和分散力的不足，二者按照质量比1∶1 复配可以获得较好的助洗效果，清洗效率接近三聚磷酸钠[11]。

将柠檬酸钠和EDDHA-Na 按照质量比1∶1 复配的助洗剂与FMEE 共同应用于不锈钢片的清洗，并考察助洗剂用量对FMEE 的助洗作用，清洗结果见图4。

图4 助洗剂对清洗效果的影响

由图4 可知，助洗剂质量分数为2%时清洁率为92.16%，继续提高助洗剂用量，清洁率变化不大。随着助洗剂用量的增加，耐洗性能也相应提高，说明增加助洗剂的用量，会弥补表面活性剂清洗过程中的损耗。最终将助洗剂的质量分数确定为2%。

通过实验确定了几种原料的用量：表面活性剂FMEE 质量分数为2%、助洗剂柠檬酸钠质量分数为1%、EDDHA-Na 质量分数为1%，3 种原料的用量比例为2∶1∶1。为了方便清洗剂的使用，简化工作液配制程序,将FMEE、柠檬酸钠、EDDHA-Na3 种原料按照2∶1∶1 的比例复配得到低泡沫无印渍硬表面清洗剂，由于体系中盐类助剂占比例较大，为了保持体系稳定且久置不分层，加入耦合剂M400 与杀菌剂，得到外观均匀的成品。清洗剂配方见表2。