表面活性剂在金属清洗方面的应用.docx

表面活性剂在金属清洗方面的应用琦 1 苗华威 1 苗(1 中国地质大学材化学院湖北 武汉430074 ;2 威海市华威机械厂山东 威海264200)摘 要 综述了表面活性剂在金属清洗各种方法 (水基清洗 、化学酸洗 、碱洗 、有机溶剂清洗) 中所发挥的作用 ,及其作用机理 。分析了金属清洗工业的发展方向及所用的表面活性剂的研究方向 。关键词 表面活性剂中图分类号 :o647金属清洗 清洗助剂文献标识码 : a文章编号 :1002 - 9788 (2005) 07 - 195 - 031 . 引言金属清洗是机械加工生产中不可缺少的工序之一 ,因为在不同的金属加工工序中 ,金属零件及设备的表面可能黏附 各种类型的污垢 ,污垢的存在会影响下 - 工序的顺利进行和 产品的加工质量 。针对不同的污垢类型常选用化学酸洗 ( 主要除去金属氧化物) 、化学碱洗 (除去动植物油脂) 、有机溶剂清洗 (靠溶剂溶解污垢) 和水基清洗 ( 以表面活性剂为主要活 性组分) 。前几种清洗剂都存在不同的缺 陷 ,而且使 用范围 较窄 ,以表面活性剂为主体的水基清洗则克服了其他几种清洗剂的不足 ,成为金属清洗工业的主要发展方向 。水基金属清洗剂主要有以下优点 :清洗效率高 ,去污力强 。原一工厂用汽油清洗轴承上 的油污 ,5 个人一年仅清洗一万套 ,改用表面活性剂清洗 ,效率提高近千倍 。安全性能好 ,不污染环境 。溶剂清洗会因有机溶剂的 挥发 ,污染空气 . 易燃 、易爆 ,不安全 。化学清洗也有污染 ,对设备有腐蚀 ,对工人不安全 。而水基清洗剂属于安全无污染 的清洗过程 ,在微观和宏观方面都是安全的 。节约能源 ,洗涤成本低 。洗涤过程对被洗机件无损伤 ,洗后对机件不腐蚀 。2 . 水基清洗剂的去污过程水基清洗剂的去污作用是借助于表面活性剂的润湿 、渗透 、乳化 、分散 、增溶等性质来实现的 。其去污过程可以大致 分为以下几步 :洗涤剂溶液对被洗基质和污垢的润湿及对二者界面 之间的渗透 ;清洗剂中的表面活性剂使油性污垢乳化 、增溶 、分散 .使污垢与固体表面分离 ,并分散或乳化于洗涤介质中 ( 通常 是水) ;防止已被乳化的油性污垢和已被分散的固体污垢重 新再沉积于基质表面 。洗涤过程是一个可逆过程 ,分散和悬浮于介质中的污垢也有可能重新沉积于固体表面 ,这 - 过程 称为污垢再沉积作用 。在上述过程中施加 - 定的机械力 ,将大大提高清洗效果 。去污过程如图一所示 :图一 去污过程示意图整个洗涤过程是在清洗介质中进行的 ,在洗涤结束之后应安排漂洗和干燥过程 。因此整个去污过程可用下述三个方程 式表示 :基质 污垢 + 洗涤剂 溶剂 = 基质 + 洗涤剂 溶剂 +污垢 洗涤剂 溶剂基质 洗涤剂 溶剂 + 水 = 基质 水 + 洗涤剂 溶剂 水195学 术 沙 龙台声 新视角2005 7基质 水加热 基质 + 水3 . 水基金属清洗剂的组成水基金属清洗剂属于硬表面洗涤剂系列 ,主要由表面活性剂和无机助剂组成 。其基本组成见下表 :4 . 水基金属清洗剂的分类及应用目前水基金属清洗剂的分类呈现出多样化 ,在这里我们根据水基金属清洗剂的配方组成 ,大致将其分为以下几种 :单一清洗剂 由于工业污垢的多样性 ,一般的金属没 有用单一表面活性剂配制的清洗剂清洗的 。复合清洗剂 复合清洗剂是指由几种表面活性剂复合而成的金属清洗剂 。其复合的指导思想是表面活性剂复 配产生的协同效应能改善它的性能 ,并充分发挥其在清洗过 程中的润湿 、渗透 、乳化 、增溶等作用 ,满足除油污 、防腐蚀 、稳定性和抗硬水等要求 。根据表面活性剂的类别 ,通常有两种复配方式 :一种是阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂 复配 。阴离子单体能有效地消除或提高非离子单体溶液的浊点 。以适应加热清洗和高温存放的需要 ,这一类清洗剂无浊点或浊点高 ,可用于加温清洗 ; 另一种是非离子表面活性 剂复配 ,非离子单体之间复配可适当改变复合物的浊点 ,清 洗能力也有所增强 . 当清洗能力差的单体和清洗能力好的单体复配时 ,复配物的清洗能力通常接近清洗能力好的单体 ,一般不会降低清洗能力 ,这一类清洗剂常用于常温清洗 。以 下介绍几种复合清洗剂的配方 :配方 1 :液适用于黑色金属及铝合金的清洗 。含有助洗剂的复合清洗剂 由于复合金属清洗剂在 除污垢性能上还不够理想 ,为了适应更多金属材料和多种污垢的清洗 ,往往在复配的金属清洗剂中 , 添加多种助洗剂或其他添加剂 ,以期改善清洗剂的去污性 , 尤其是去除硬质污 垢的能力 。应用配方举例如下 :配方 1 :合成醇聚氧乙烯醚c10 - 16 脂肪酸单乙醇胺聚氧乙烯酯 三乙醇胺油酸 8 % - 10 %8 % - 10 %ed ta2 % - 3 %4 % - 6 %磷酸三丁脂6 % - 10 %8 % - 10 %四硼酸钠氯化镉3 % - 4 %水3 % - 4 %余量本产品为工序间洗涤剂和除去金属零件防护油的洗净剂 。配方 2 :664 清洗剂6503 清洗剂苯甲酸钠6 - 8 g/ l6 - 8 g/ l4 - 6 g/ l三聚磷酸钠焦磷酸钠nao h5 - 8g/ l4 - 7 g/ l10 . 5 - 11 . 5 g/ l该配方适用于精密金属零件的清洗含有两亲溶剂的金属清洗剂 这类金属清洗剂中除 含表面活性剂外 ,还添加具有两亲性质的有机溶剂 。因为这 类溶剂在水和油中都有一定的溶解作用 ,故称为两亲溶剂 。常用的有 :醇类 ,如乙醇 、正丁醇 、环己醇 ; 醚类 ,如乙二醇乙醚 、乙二醇单丁醚 、乙二醇苯醚等 。加入此类分子偶极较大 的溶剂 ,主要是为了提高除油的能力 ,增大某种添加剂或清洗剂活性物在水中的溶解度 。常用配方举例如下 :配方 1 :聚氧乙烯脂肪醇醚(匀染剂 102)聚氧乙烯辛基酚醚( tx - 10)24 %十二烷基二乙醇酰胺 (6501)水24 %12 %40 %这是多 种 非 离 子 表 面 活 性 剂 的 复 合 物 。具 有 扩 散 、乳化 、渗透 、耐酸 、耐碱 、抗硬水等性能 。还具有良好的发泡力 ,对轻垢 、重垢都有较佳的携污力 。 配方 2 :壬基酚聚氧乙烯醚 ( 20)油酸三乙醇胺硼酸三乙醇胺8 %8 %8 %8 %乙二醇单丁醚硅铜消泡剂水8 %0 . 2 %59 . 8 %664 清洗剂脂肪醇聚氧乙烯醚辛基酚聚氧乙烯醚6 - 9 g/ l2 % ( 质量)6 % ( 质量)三乙醇胺油酸皂十二烷基二乙醇酰胺水50 %(质量)12 %(质量)20 %(质量)该配方为多用途金属清洗剂 . 使用时可稀释成 5 %的溶液 ,用以清洗钢板 。在 55 、相 对湿度 100 %条件下 , 经 24h 钢板该配方具有润湿 、乳化 、防锈等功能 ,使用时配成 2 %溶196组成主要成分表面活性剂阴离子型油酸钠 、油酸三乙醇胺 、硬脂酸钠 、十二烷基硫酸钠 、磺化蓖麻油 、烷基醚硫酸脂钠 、十二烷基苯磺酸钠 、烷基苯磺酸铵 、甲氧基脂肪酰胺基苯磺酸钠 、 十二烷基醇酰胺磷酸脂 、n . n - 油酰甲基牛磺酸钠等非离子型脂肪醇聚氧乙烯醚 、烷基酚聚氧乙烯醚 、月桂基二乙醇酰胺等助洗剂无机类二聚磷酸钠 ( s t p p) 、磷酸氢二钠 、六偏磷酸钠 、硅酸钠 、碳酸钠 、偏硅酸钠有机类次氨基三乙酸钠 ( n ta) ,二胺四乙酸钠等缓蚀剂羧酸盐类油酸二乙醇胺 、油酸二乙醇胺等碳酸盐类石油磺酸的钠盐 、钙盐 、镁盐 、铝盐和铵盐等有机胺类杂环 化合物有机胺盐 、酰胺等 ,如油酸肌氨酸盐 、苯并三氨唑 、2 - 巯基苯并噻唑 ,咪唑啉系化合物 、氯化烷基吡啶铵盐等其他缓蚀剂亚硝酸盐 、硝酸钠 、磷酸盐类 、硅酸钠 、苯甲酸钠 、铬酸盐等助溶剂甲醇 、乙醇 、丁醇 、尿素 、烷基苯磺酸钠等消泡剂硅油 、spa n20 , sp an80抗再沉积剂羧甲基纤维素钠 、聚乙稀吡咯烷酮 、三乙醇胺 、烷基醇酰胺等乳化剂单硬脂酸甘油脂 、spa n 系列 、脂肪醇聚氧乙烯醚等台声 新视角2005 7学术沙龙无腐蚀 。配方 2 :壬基酚聚氧乙烯醚 脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠 精制硅藻土异丙醇活性剂分子在溶液表面定向排列 , 形成单分子表面膜 ,降低了界面上的蒸气分压 ,抑制了酸雾的产生 。常用的抑制剂有 十二烷基硫酸钠 、o p 乳化剂和尿素等 。目前国内外研制生产的酸洗缓蚀剂品种较多 ,有适用于盐酸的 、硫酸的 ,也有通用的 。这些产品通常由硫脲及衍生物 、烷基酚聚氧乙烯醚 、 咪唑啉等多种表面活性剂复配而成 . 如某型号的复配型缓蚀剂为土黄色液体 ,可溶于酸 ,溶于水 ,具有芳香味苦 ,毒性小 。可适用于钢铁 、铜 、铝等多种材料以及盐酸 、硫酸 、氢氟酸及 各种有机酸的酸洗 ,其缓蚀 、抑雾效果明显 ,能防氢脆 ,提高 材料酸洗后的机械强度 . 而且使金属表面光滑平整 。第二 ,在碱洗过程中 。一方面表面活性剂的主要作用就是降低表面张力 、乳化 、分散污垢 ,从而显著提高清洗效率 。 另一方面 ,大量的无机盐组分能降低表面活性剂的临界胶束浓度 (cmc) ,从而提高其表面活性 。非离子表面活性剂 ( 如烷基酚聚氧乙烯醚 、聚醚等) 具有良好的润湿和渗透能力 ,加入 少量非离子表面活性剂可提高碱性成分对油性污垢 、水垢和锈垢的润湿和渗透能力 。第三 ,在有机溶剂清洗过程中 。主要使用的表面活性剂 有酯 、醚和胺的环氧乙烷加成物或它们的混合物 ,也可采用 非离子和阴离子表面活性剂的复配物 。表面活性剂的选择由溶剂的类型和拟配制的清洗剂乳化液的类型来决定 。另外 ,在溶剂基清洗剂中还应加入某些助溶剂 ,以提高溶剂的 溶解量 (如高级醇 、乙二醇 、乙二醇衍生物等) 。6 . 金属清洗用表面活性剂的发展趋势金属加工在 给 人 们 生 活 带 来 巨 大 方 便 的 同 时 , 工 业 废水 、废气 、废渣 ,也给环境造成了严重的影响 。随着人们对环 境的关注 ,清洗用表面活性剂也向绿色化方向发展 ,即采用环境友好 ,可生物降解的 ,污染小甚至无污染的原材料制备表面活性剂 。环保型表面活性剂必将在将来的金属清洗加 工中 ,发挥越来越重要的作用 。15 . 0g15 . 0g34 . 0g3 . 4g防锈剂皂土对羟基安息香酸甲酯水10 . 0g1 . 0g0 . 2g121 . 4g用于除去银 器 表 面 的 积 垢 和 斑 点 。去 污 迅 速 , 对 银 器 腐 蚀小 ,银器洗后表面产生银白光泽 。乳化清洗剂 有机溶剂可以除去它能溶解的油脂 . 在 洗涤剂中它是 一 种 活 性 组 分 , 有 时 为 了 进 - 步 提 高 清 洗 效率 ,在清洗剂组成中加入有机溶剂和表面活件剂两种活性组分 。这不仅可以大大地改善溶液的除油能力 ,而且可以弥补 它们单一使用时的若干不足 。有机溶剂和表面活性剂溶液并用的清洗过程 ,称为乳化清洗或两相清洗 。配方 1 :烷基酚聚氧乙烯醚 ( 8)烷基酚聚氧乙烯醚 ( 6)异构烷烃右旋宁烯15 %15 %25 %10 %丁氧基丙醇三乙醇胺水5 %0 . 1 %余量该配方为有色金属清洗剂 。配方 2 :白油失水山犁醇单月桂酸酯二壬基磺酸钡2 . 10 . 30 . 6三氟氯甲烷1 ,1 ,2 ,2 - 四氟二氯乙烷1978该配方为不锈钢清洁剂 。适用于银行 、机场等点钞机 、打印机不锈钢键盘及其他不锈钢器件的清洗 。低泡清洗剂 工业采用的水剂清洗 ,一部分是以压力 冲洗工艺实现的 ,清洗剂的发泡性往往造成溢流 。在强力搅 拌下 ,清洗液所占体积将增大 ,造成了金属零件清洗上的困难 。低泡型清洗剂即可解决这一问题 。要达到低泡沫的要求 ,可有两种解决方法 ,一种是在原清洗剂中添加消泡剂 ,另 一种是采用低泡表面活性剂 ,如采用聚醚型表面活性剂 。常用的消泡剂有 7010 丙二醇聚氧丙烯聚氧乙烯醚 、gp e 丙三醇聚氧丙烯聚氧乙烯醚等多羟基聚醚型表面活性剂 。值得 注意的是单纯聚醚型清洗剂的清洗能力不如一般的清洗剂 。而加有消泡剂的清洗剂往往又存在着消泡能力随时间降低的问题 。低泡清洗剂配方举例如下 :配方 1 :参考文献 : 1 刘程 ,江小梅等, 表面活性剂应用大全 m ,北京 : 北京工 业大学出版社 ,1992 . 2 伍崇荫 ,徐文浩 ,王兰光等 , 金属水剂清洗剂 m , 北京 :新时代出版社 ,1990 . 3 胡征宇 ,陆用海 m , 日用化学工业,1992 . 4 张天胜 , 表面活性剂应用技术 m , 北京 : 化学工业出版 社 ,2001 . 5 章永年 ,洪珍玉 , 工业及公共设施清洗剂 m 北京 : 中国 轻工业出版社 ,2000 . 6 徐佐仁 , 金属表面处理 m 北京 :化学工业出版社 ,1994 . 7 陈旭俊 , 工业清洗剂及清洗技术 m , 北京 : 化学工业出 版社 ,2002 . 8 李东光 , 实用洗涤剂生产技术手册 m 北京 : 化学工业出 版社 ,2001 . 9 刘程 ,张万福 , 表面活性剂应用手册 m 北京 : 化学工业 出版社 ,1995 . 10 王文忠 , 电镀与环保j ,1999 ,19 ( 6) :30 - 32 .聚醚 2020聚氧乙烯烷基酚醚 ( o p - 10)聚氧乙烯烷基酚醚 ( o p - 7)润湿剂 j fc ( 脂肪醇聚氧乙烯醚)10