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        鋁合金除灰劑的配方研發(fā)與設(shè)計(jì)

        2023-05-09 06:05:20駿
        鋁加工 2023年2期
        關(guān)鍵詞:壬基乙二胺乙酸鈉

        潘 駿

        (上海喜赫精細(xì)化工有限公司,上海 201620)

        0 前言

        鋁合金密度約為2.7 g/cm3,僅為鋼鐵的1/3,具有優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性,能夠代替鋼鐵實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。目前鋁合金的應(yīng)用已經(jīng)滲透到了日常生活生產(chǎn)的各個(gè)方面,如手機(jī)外殼、家用電器、汽車制造、建筑門窗等,并且逐步擴(kuò)大到了精密儀器制造等重要部門[1]。

        鋁合金在加工過程需經(jīng)過清洗、堿蝕等環(huán)節(jié),處理后往往會(huì)出現(xiàn)一層掛灰,不僅影響鋁合金的外觀,還嚴(yán)重影響鋁合金的鈍化、電鍍、涂層等后續(xù)加工[2]。通過顯微鏡觀察,這層掛灰顆粒直徑很小僅為幾個(gè)納米,因此表面積大,與金屬表面的附著力極強(qiáng),難以清洗。目前有效的去除掛灰的方法是酸洗和氧化清洗。酸洗一般用硝酸、硫酸等強(qiáng)無機(jī)酸,對(duì)于硅鋁合金也會(huì)用到氫氟酸。這類酸洗除灰效果較為理想,問題是使用各種無機(jī)酸時(shí)會(huì)導(dǎo)致大量的酸霧,嚴(yán)重影響車間的生產(chǎn)環(huán)境,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量難以處理的酸性廢水。另一種氧化劑除灰工藝一般常用雙氧水作為氧化劑,可以取得一定的除掛灰的效果,但存在的問題是除灰速率慢,并且雙氧水對(duì)設(shè)備和人體皮膚的腐蝕和損傷也比較大。

        為了實(shí)現(xiàn)非強(qiáng)酸與非氧化體系的除灰,首先需要清洗劑有快速的脫脂能力,能夠?qū)旎疫€未在金屬表面形成之前盡可能地清洗掉。PO 嵌段脂肪酸甲酯乙氧基化物FMEE泡沫低,分子鏈中有酯基和甲基兩種親油性基團(tuán),可以與礦物油形成多點(diǎn)結(jié)合,對(duì)鋁合金表面的油污清洗速度快[3];其磺酸鹽FMES 的分散力也很優(yōu)異。這兩種表面活性劑對(duì)掛灰都有明顯的捕捉與剝離效果[4]。為了進(jìn)一步提高PO 封端脂肪酸甲酯乙氧基化物FMEE 及其磺酸鹽FMES 的除油和清洗掛灰能力,通過復(fù)配滲透劑伯烷基磺酸鈉PAS-80、螯合劑乙二胺二鄰苯基乙酸鈉EDDHA-Na、溶劑乙二醇單丁醚,以及其它助洗劑復(fù)配制得一種適用于鋁合金表面的除油與除灰二合一清洗劑。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 主要試劑與儀器

        試劑與材料:PO 嵌段脂肪酸甲酯乙氧基化物FMEE 及其磺酸鹽FMES、乙二胺二鄰苯基乙酸鈉EDDHA-Na、伯烷基磺酸鈉PAS-80,工業(yè)級(jí);壬基酚聚醚磷酸酯TXP、植酸,工業(yè)級(jí);拉伸油、潤(rùn)滑油;硫脲,乙二醇單丁醚、純堿,分析純;鋁箔片、鋁粉。

        儀器:SITA CleanoSpector表面潔度儀;AB 104電子天平;Colour i6 色差儀;SKP-2 型超聲波擺洗機(jī)。

        1.2 油污試片的制備與測(cè)試方法

        1.2.1 除油率

        將工業(yè)凡士林、拉伸油、潤(rùn)滑油和少量鋁粉混合攪拌均勻。將準(zhǔn)備好的干凈鋁試片準(zhǔn)確稱重m0,浸入混合油污中靜置10 min,取出后垂直懸掛于空氣中老化24 h 并準(zhǔn)確稱重m1。將鋁試片置入擺洗機(jī),清洗溫度50 ℃,清洗2 min。除油后的試片于80 ℃下烘干,室溫保持24 h 后稱重,質(zhì)量為m2。除油率的計(jì)算公式:除油率=[1-(m2-m0)/(m1-m0)]×100%。

        1.2.2 除灰率

        將上述制得油污鋁試片放入馬弗爐800 ℃燒制30 min,待表面油污完全碳化后取出冷卻,沸水中煮2 min 除去試片表層的黑灰。將處理后的鋁試片置入擺洗機(jī),清洗溫度50 ℃,清洗2 min,清洗后的試片于80 ℃下烘干,室溫保持24 h。測(cè)試除灰前的鋁片亮度L★0和除灰后的鋁片亮度L★1,除灰率的 計(jì) 算 公 式:除 灰 率=[(L★1-L★0)/(L★0)] ×100%。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 正交試驗(yàn)因素水平的確定

        PO 封端FMEE 具有除礦物油性能好、泡沫低、易漂洗等特點(diǎn),分子鏈結(jié)構(gòu)中有末端甲基和引入的環(huán)氧丙烷甲基[5],多個(gè)極性甲基基團(tuán)可同步吸附于油污分子表面,將油劑快速地分散于工作液中,可以預(yù)防掛灰的生成。磺化鹽FMES分散性能優(yōu)異,分子結(jié)構(gòu)中帶負(fù)電荷的-SO3-基團(tuán)易于吸附鋁材表面,對(duì)掛灰產(chǎn)生明顯的排斥和剝離效果。伯烷基磺酸鈉PAS-80 滲透性能優(yōu)異,能幫助工作液滲透入鋁材表面和掛灰的結(jié)合處,減弱掛灰的附著力[6]。乙二胺二鄰苯基乙酸鈉EDDHA-Na 對(duì)鋁、鋅、銅等金屬離子螯合作用明顯,可以破壞鋁合金表面的金屬離子沉積,同時(shí)松動(dòng)金屬離子所吸附的掛灰,對(duì)掛灰有優(yōu)異的清洗能力[7]。乙二醇單丁醚主要起到的作用是降低鋁合金的表面張力,提高硬表面的親水性,對(duì)憎水性的掛灰形成一層拒染膜,有效地阻止掛灰在鋁材表面的吸附與生長(zhǎng)。以PO封端FMEE 及其磺酸鹽FMES、伯烷基磺酸鈉PAS-80、乙二胺二鄰苯基乙酸鈉EDDHA-Na、乙二醇單丁醚為因素確定了正交試驗(yàn)因素水平,如表1 所示,試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與極差分析見表2和表3。

        表1 正交試驗(yàn)因素水平表

        表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        表3 正交試驗(yàn)極差分析

        2.2 各因素對(duì)除油率的影響

        由表3 可知,對(duì)除油率的影響因素排序?yàn)镻O嵌段FMEE>FMES>伯烷基磺酸鈉>乙二醇單丁醚>乙二胺二鄰苯基乙酸鈉。鋁材表面油污主體成分是長(zhǎng)碳鏈礦物油,PO 嵌段FMEE 為十六碳長(zhǎng)碳鏈結(jié)構(gòu),與礦物油有相似的碳烴結(jié)構(gòu)。根據(jù)相似相溶原理,F(xiàn)MEE對(duì)礦物油有優(yōu)異的增溶作用,能夠?qū)⒌V物油乳化為水包油微乳液,使油污乳化均勻地分散在脫脂液中,所以FMEE 對(duì)礦物油的清洗影響最大。脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸鹽FMES屬于陰離子型表面活性劑,帶負(fù)電荷親水基-SO-3,可以與帶負(fù)電荷的油污產(chǎn)生靜電排斥作用,與帶正電荷的油污產(chǎn)生靜電吸引作用,兩種靜電作用都可將油污松動(dòng)并加速剝離脫落,所以FMES對(duì)除油的影響也比較大[8]。伯烷基磺酸鈉PAS-80滲透力出眾,對(duì)鋁材表面油污有卷離作用,能協(xié)助工作液沿油脂邊緣滲透入油污與鋁材的接觸面,提高脫脂工作液的脫脂效率。乙二醇單丁醚對(duì)油脂有較強(qiáng)的溶解力,特別是低溫條件下對(duì)油脂有明顯的去除作用,相對(duì)于表面活性劑,溶劑的除油速率較慢,因此對(duì)除油率的影響較小。乙二胺二鄰苯基乙酸鈉是金屬螯合劑,對(duì)脫脂沒有直接影響。在工廠脫脂工藝中,由于脫脂槽內(nèi)工作液更換頻率較低,有些工廠甚至半年更換一次工作液,由于工作液中存在鋁離子污染現(xiàn)象[9],使得工作液脫脂效率大打折扣。乙二胺二鄰苯基乙酸鈉可以螯合金屬鋁離子,延長(zhǎng)脫脂工作液的耐用性。

        2.3 各因素對(duì)去除掛灰的影響

        鋁材表面的掛灰一般是在高溫或強(qiáng)堿加工條件下形成的,主要成分為直徑極小的碳粒、硅粒。掛灰具有強(qiáng)烈的疏水和疏油性能,無論是親油性或親水性清洗劑都很難徹底將掛灰清洗干凈[10]。通過表3可知,對(duì)清洗掛灰的影響因素排序?yàn)橐叶范彵交宜徕c>乙二醇單丁醚>PO 嵌段FMEE>FMES>伯烷基磺酸鈉。乙二胺二鄰苯基乙酸鈉含有螯合基團(tuán)-COO-,與掛灰以范德華力結(jié)合形成配位體,多個(gè)配位體能聚合形成牢固的八面體,穩(wěn)定地分散于工作液中,并且乙二胺二鄰苯基乙酸鈉對(duì)納米級(jí)顆粒有很好的分散力,所以對(duì)掛灰的清洗影響最明顯。乙二醇單丁醚可以降低掛灰顆粒的表面張力,將掛灰由拒水性轉(zhuǎn)換為親水性,從而易于脫落進(jìn)入工作液,所以乙二醇單丁醚對(duì)掛灰清洗影響也較大。表面活性劑對(duì)掛灰清洗影響不明顯,乳化力好的PO 嵌段FMEE、分散性能優(yōu)異的FMES以及滲透力出眾的伯烷基磺酸鈉PAS-80 等三種不同類型的表面活性劑,對(duì)掛灰的清洗效果均不理想。

        通過正交實(shí)驗(yàn)分析,根據(jù)影響因素的排序并參考表2中除油率最高的16號(hào)實(shí)驗(yàn)和除灰率最好的6號(hào)實(shí)驗(yàn),得到最優(yōu)化的用量為:PO 嵌段FMEE 用量6 g/L,F(xiàn)MES用量6 g/L,伯烷基磺酸鈉PAS-80用量為2 g/L,無磷乙二胺二鄰苯基乙酸鈉用量7 g/L,乙二醇單丁醚用量5 g/L。為了進(jìn)一步提高該清洗體系的除灰性能,復(fù)配壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯TXP、硫脲和植酸等助洗劑,以提高其清洗性能。

        2.4 磷酸酯用量對(duì)除灰的影響

        壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯TXP是由磷酸單酯雙酯和三酯組成的混合物,具有很好的去污性,并有優(yōu)良的抗靜電性,可以消除掛灰與金屬表面的靜電荷,減弱掛灰與金屬表面的電荷吸引力。在上述確定的表面活性劑的用量基礎(chǔ)上,添加壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯TXP,并分析TXP 的用量對(duì)除灰的影響。

        通過圖1 可知,壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯TXP有一定的助洗除灰效果。隨著壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯TXP用量的提高,除灰率相應(yīng)提高。當(dāng)壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯TXP 用量超過4 g/L 后,除灰率穩(wěn)定在32%左右,幾乎沒有提升。因此,通過壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯TXP中和掛灰所帶的電荷有助于清洗劑的除灰,最佳用量為3.5~4 g/L。

        圖1 TXP用量對(duì)除灰率的影響

        2.5 硫脲對(duì)除灰的影響

        硫脲含有可以與金屬發(fā)生吸附反應(yīng)的活性基團(tuán),可以密集地排列在金屬表面,在鋁合金表面形成一層致密的保護(hù)膜,能起到明顯的緩蝕作用。這層硫脲緩蝕膜也有助于防止掛灰的吸附與生長(zhǎng)。在所確定的表面活性劑的用量基礎(chǔ)上添加硫脲,并分析硫脲的用量對(duì)除灰的影響。

        通過圖2 可知,硫脲用量為0~3 g/L時(shí),除灰率隨硫脲用量增加相應(yīng)提高;當(dāng)硫脲用量超過3 g/L后,除灰率變化不大。由此可知,硫脲的最佳用量為3 g/L。過多的添加硫脲,不僅不會(huì)提高清潔率,還會(huì)導(dǎo)致清洗劑的成分相互不兼容。

        圖2 硫脲用量對(duì)除灰率的影響

        2.6 植酸用量對(duì)除灰的影響

        植酸又稱肌醇六磷酸酯,是一種環(huán)狀多元醇磷酸酯,對(duì)Al3+有特別強(qiáng)的螯合能力。植酸中的磷酸根基團(tuán)和羥基可與Al3+結(jié)合生成植酸鋁形成穩(wěn)定絡(luò)合物,在鋁材表面逐漸沉積成一層致密的保護(hù)膜,在保護(hù)金屬免受空氣氧化腐蝕的同時(shí)可顯著減少掛灰的生成。在所確定的表面活性劑的用量基礎(chǔ)上添加植酸,并分析植酸的用量對(duì)除灰的影響。

        通過圖3 可知,植酸用量為0~6 g/L時(shí),除灰率隨植酸用量增加相應(yīng)提高;當(dāng)植酸用量超過6 g/L后,除灰率變化不大。由此可知,植酸的最佳用量為6 g/L,此時(shí)的除灰效果最佳。最終通過單因素實(shí)驗(yàn)確定了最佳的除油與除灰的清洗劑各組分的用量為:PO 嵌段FMEE 用量6g/L,F(xiàn)MES 用量6 g/L,伯烷基磺酸鈉PAS-80 用量為2 g/L,無磷乙二胺二鄰苯基乙酸鈉用量7g/L,乙二醇單丁醚用量5 g/L,壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯用量4 g/L,硫脲的用量3 g/L,植酸的用量6 g/L。根據(jù)用量比例復(fù)配除油除灰二合一清洗劑的配方如表4。

        圖3 植酸植用酸量用對(duì)量除/灰(g率·L的-1)影響

        表4 除油除灰清洗劑的配方

        3 結(jié)論

        (1)在鋁片脫脂與除灰工藝中PO 封端FMEE和磺酸鹽FMES 對(duì)除油的影響效果最明顯,螯合劑乙二胺二鄰苯基乙酸鈉和溶劑乙二醇單丁醚對(duì)除掛灰的影響效果最明顯,表面活性劑對(duì)除灰作用不大。

        (2)在清洗工藝中添加壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯TXP、硫脲、植酸都有助于除灰率的提升。最終確定了除油除灰二合一清洗劑的配方為:PO 嵌段脂肪酸甲酯乙氧基化物FMEE 6%,脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸鹽FMES 6%,伯烷基磺酸鈉PAS-80 2%,乙二胺二鄰苯基乙酸鈉EDDHA-Na 7%,乙二醇單丁醚5%,壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯TXP 4%,硫脲3%,植酸6%,水61%。

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