金属油污清洗剂作用机理分析

Posted 2023-01-13 油污

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如何去除残留在机件等金属表面的油污一直是国内金属加工与处理行业技术人员和科研人员关注的焦点问题之一。传统的高温碱法腐蚀性强且污染严重，而作为替代产品的有机溶剂法成本高，不宜推广使用。近年来，表面活性剂对固态或液态油污显著的去除能力越来越引人注目，加之安全性高、污染小的特点，其在金属油污清洗领域的应用研究日趋活跃。利用皖西学院化学系应用化学研究所现有条件，结合地方金属热处理工艺的实际要求，研制出一种水基金属油污清洗剂GJ-1，具有清洗力强、腐蚀小、配制简便、操作安全、能耗低以及原材料价廉易得等特点，各项技术指标均符合行业标准。从清洗剂GJ-1配方组成出发，分析其作用机理，对改进配方、提高清洗技术和金属热处理效果，起到了重要作用。
1 实验
1.1 清洗剂的配制依据金属油污清洗剂GJ-1配方要求，分别将一定质量分数的非离子组分脂肪醇聚氧乙烯醚和OP-10、阴离子组分AES加热溶解于去离子水中；然后与双生表面活性剂复配，添加助剂并调配均匀，冷却得浓缩液；将浓缩液稀释为活性物含量占质量分数3%的工作液。
1.2 去油率的测定对涂有相同油污的金属试片，使用等量的3%工作液在60±1℃下清洗18min；称量试片前后质量变化，按文献2方法计算去油率。
1.3 腐蚀率的测定对相同的铸铁试片，使用等量的3%工作液在80±2℃下清洗2h；称量试片前后质量变化，按文献2方法计算腐蚀率。
2 清洗剂作用机理
2.1 非离子表面活性剂无机碱去除油脂污垢是一个皂化反应过程，而GJ-1配方中的主要活性组分非离子表面活性剂的作用则涉及润湿、起泡、增溶和乳化等多个过程。从分子结构上看，非离子表面活性剂分子中既含有亲水基团，又含有亲油基团，呈“两亲"结构特征。非离子表面活性剂非极性基团的憎水性质使之易于吸附在污物和金属表面。从Gibbs自由能的变化上看，该过程中油污-水和金属-水的界面自由能下降，油污与金属界面的粘附功减小、结合减弱。当非离子表面活性剂的浓度高于临界胶团浓度时，水溶液体相内的表面活性剂分子将以憎水基团向内相互靠拢、亲水基团向外伸展的方式聚集在一起形成胶团，在油污周围和金属表面形成吸附膜，使油污从金属表面脱离。相对无机碱除油来说，非离子表面活性剂具有低得多的腐蚀性。在对铸铁试片的腐蚀性测定试验中，无机碱的平均腐蚀率为0.0152%，而非离子表面活性剂的平均腐蚀率只有0.0024%。无机碱液在除油的同时也通过化学反应腐蚀了一部分金属，以胶团加溶油污方式作用的非离子表面活性剂腐蚀性则明显降低。
2.2 阴离子表面活性剂阴离子表面活性剂是配方中的重要辅助活性组分。它能与非离子表面活性剂复配而产生协同效应，提高活性物整体去污能力。在同一温度及碳钢试片下脂肪醇聚氧乙烯醚与AES复配物达到95%去油率清洗时间需16min，脂肪醇聚氧乙烯醚单组分需18min，AES单组分需19min。实验表明，在同一条件下，阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂的复配物的清洗力高于各单一组分，反映出复配体系各活性物之间较强的相互作用。一般地说，非离子表面活性剂的效率较高，形成胶团也较容易，而离子型表面活性剂由于亲水基团在水中电离而产生静电斥力，效率往往较低。另外，羧酸皂类阴离子表面活性剂虽已应用于金属清洗剂中，但在酸性溶液中会形成不溶性脂肪酸，在硬水中会与Ca2+、Mg2+等离子生成不溶性脂肪酸盐。因此，在非离子表面活性剂中添加适量阴离子表面活性剂，将改善复配物的活性并克服阴离子表面活性剂单独使用时的一些弱点。
2.3 助洗剂配方所选助洗剂主要是改善配方的清洗力和适当降低产品成本。前者表现为：对清洗液中的Ca2+、Mg2+螯合能力强，具有酸碱缓冲能力以及提高油污的分散力和抗再沉积力。性能检测试验中，系列试验配方在添加助洗剂后均获得更好的清洗效果。此外，注意到清洗剂的实际耗用量往往较大，单纯依赖表面活性剂会导致产品成本增高，选择适合的助洗剂替代部分表面活性剂是必要的。
3 结论从配方组成分析水基金属油污清洗剂GJ-1作用机理得出：非离子表面活性剂是配方的主剂，依靠分子中的亲水基团与亲油基团的特殊性质，使油污脱离开金属表面；阴离子表面活性剂是配方的辅剂，与非离子表面活性剂可产生较强的相互作用，增加体系表面活性；助洗剂进一步提高配方清洗性能，并有助于降低成本。