2006年11月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China ) November 2006
研究论文
精密金属零件用非ODS 水基清洗剂的复配
刘方方,李 伟
(河北科技大学化学与制药工程学院,河北石家庄050018)
摘要:通过乳化实验法测得了阳极帽冲制所用油的HLB 值为1416,依据此值和金属表面油污的性质,从尽可能
多的常用表面活性剂中进行筛选,以其乳化所用油产生的乳化效率高低来进行判定,得到与冲压油乳化效果最佳的4种表面活性剂和使用最佳的浓度范围.选定表面活性剂的3个浓度,按照4因素3水平选用L 9(34)正交试验表,将各表面活性剂复配成相应的清洗剂进行清洗阳极帽的正交试验,应用综合平衡法评价试验的清洗效果来确定最优复配方案.最后,根据表面活性剂组成混合物的HLB 值等于乳化此种油所需的HLB 值时乳化效果最佳原理,验证了试验结果的符合性.关键词:清洗剂;非ODS ;脱脂;复配中图分类号:TQ 42319 文献标识码:A 文章编号:0438-1157(2006)11-2785-05
Make 2up of non 2ozone depleting substance liquid
detergent for precision metal parts
LI U Fangfang ,LI Wei
(School of Chemical and Pharmaceutical Engineering ,Hebei Universit y of
S cience and Technolog y ,S hi j iaz huang 050018,Hebei ,China )
Abstract :Emulsification test s show t hat t he HLB value of p ress oil for anode button is 14161Based on t he HLB value and t he nat ure of greasy dirt on metal surface ,four surfactant s wit h t he best emulsification effectiveness and t he most effective concentrations were decided after selecting from as many commonly used surfactant s as possible 1First ,four surfactant s were identified.Second ,t hese surfactant s of t hree different concentrations were mixed according to L 9(34)ort hogonal test table to form corresponding detergent s and test s were made wit h t hese detergent s on anode button ,t hen t he best make 2up of detergent was decided by t he cleaning effectiveness t hat was evaluated wit h t he overall balance met hod 1Finally ,t he test result s were verified by t he p rinciple t hat emulsification effectiveness is t he best when t he HLB value of t he mixed surfactant s equals t he HLB value needed for emulsified oil.Key words :detergent ;non 2ODS ;degrease ;mixt ure make 2up
2005-09-28收到初稿,2006-03-27收到修改稿.
联系人及第一作者:刘方方(1960—
),男,教授.
引 言
目前在我国传统电子清洗行业中广泛使用破坏臭氧层物质(ozo ne depleting substance ,ODS ),用的较多的是CFC 2113、1,1,12三氯乙烷和四氯化
碳.这些物质挥发到大气中与臭氧层发生反应,使 Received date :2005-09-28.
Corresponding
author :Prof.L IU Fangfang.E -mail :
fangfangliu @hebust 1edu 1cn
其产生空洞.紫外线从臭氧空洞直接照射到地球表面,不仅阻碍动植物生长,还会使人类患皮肤癌的概率大大增加.我国于1991年成立了国家保护臭氧层领导小组,编制实施并修订了《中国逐步淘
本研究针对显像管/显示器(CP T/CR T)用阳极帽脱脂工序使用的1,1,12三氯乙烷,研制一种新型水基清洗剂作为替代品.虽然目前国内外替代ODS清洗剂的种类较多,但尚未发现一种替代清洗剂适用于阳极帽的脱脂,这与阳极帽特殊的结构和生产工艺有关,其清洗问题的解决能大大促进其他同类产品淘汰ODS的进度.目前发达国家没有此类清洗剂的研究,国内的研究也只处于起步阶段.因此,研制一种去污力强、用于精密金属零件的高效替代清洗剂具有很好的应用前景.
本实验选用的研究方法是通过乳化法测得阳极帽所用油的HLB值,由此值寻找合适的表面活性剂进行复配,得到较好的复配物,以此为基础,采用正交试验法建立试验方案,评价试验结果,最终确定最优复配方案.最后,用表面活性剂组成混合物的HLB值等于乳化此种油所需的HLB值时乳化效果最佳原理,来验证试验结果的符合性.此试验方案所使用的方法尚未见报道.
1 试 验
111 主要原料
失水山梨醇单油酸酯(SPAN80),化学纯;聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯(TWEEN80),化学纯;脂肪醇聚氧乙烯醚(A EO215,以下用代号A),工业品;聚氧乙烯烷基醇酰胺[C11H23CoN(C2H4O H)2・HN(C2H4O H)2,以下用代号B],工业品;烷基酚聚氧乙烯醚(A PEO,以下用代号C),工业品;脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(A ES,以下用代号D),工业品;硅酸钠(以下用代号E),工业品;三乙醇胺(以下用代号F),化学纯.
112 主要仪器设备
KQ2100E型超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;CS101型电热鼓风干燥箱,重庆试验设备厂;JJ100型精密电子天平,常熟双杰测试仪器厂;界面张力仪J ZH Y02180,承德试验机有限责任公司制.
113 试验实施方案
首先采用乳化试验法[2]测试乳化此种油所需的HLB值,依据金属表面油污的性质和乳化所需的HLB值,从尽可能多的常用表面活性剂中筛选适宜的表面活性剂和使用的最佳浓度范围,以其乳化效率的高低来进行判定[3].根据选定表面活性剂的3个浓度,按照4因素3水平选用L9(34)正交试验表,将各表面活性剂复配成相应的清洗剂进行清洗阳极帽的模拟试验,根据试验结果优化出最佳组分.最后,根据表面活性剂组成混合物的HLB值等于乳化此种油所需的HLB值时乳化效果最佳原理[4],验证试验结果的符合性.
其中乳化试验法是用两种已知HLB值的乳化剂失水山梨醇单油酸酯(代号a)和聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯(代号b)进行混合,其混合后的HLB值可由式(1)求得[5]
HLB0=(W a×HLB a+W b×HLB b)/(W a+W b)(1)式中 W a为乳化剂a的质量;W b为乳化剂b的质量;HLB a为乳化剂a的HLB值;HLB b为乳化剂b的HLB值;HLB0为混合乳化剂的HLB值.试验步骤是在200ml广口瓶中加入10g调配好HLB 值的乳化剂和95g阳极帽用油,充分混合,加入95ml水,均匀搅拌3min后,倒入量筒中静止分层,上层是油相,下层为乳化液,在30min时,测量下层乳化液占液体总体积的百分数,即为此种混合乳化剂的乳化效率(x),做乳化效率与HLB 值的钟形曲线,由最高点即可求取指定油体系的最佳HLB值.
2 结果与讨论
211 阳极帽用油的H LB值的测定结果与讨论根据分析检测[6],所用油的主要成分是以C18～C24烷烃为主要组分的高黏度机械油和特种动物油脂,乳化这些组分所需的HLB值在1210～1610范围内[7],用失水山梨醇单油酸酯和聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯配制出HLB值分别为1210、1310、1315、1410、1415、1510、1610的乳化剂.测得HLB值为1415和1510的乳化剂的乳化效率最高.由此可以判断工件用油的HLB值在1415～1510之间.其后又做HLB值为1412、1414、1416、1418的乳化剂,其各种HLB值的乳化剂的乳化效率与HLB值得关系如图1所示.
图中乳化效率的最高峰处是乳化工件所用油的最佳HLB值为1416.
・
6
8
7
2
・化 工 学 报 第57卷 Fig11 Relation between HLB and efficiency
of emulsification agent
212 适合表面活性剂的筛选
阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂具有良好的乳化能力和洗净作用,比较适用于水基清洗使用[8].因此依据金属表面油污的性质和HLB值,采用单一表面活性剂与油进行乳化试验,比较乳化结果,从中筛选出4种合适的乳化剂为脂肪醇聚氧乙烯醚(A)、聚氧乙烯烷基醇酰胺(B)、烷基酚聚氧乙烯醚(C)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(D),组成清洗剂的主要成分.实验中也确定出在400 ml溶液中各表面活性剂质量最佳使用范围:脂肪醇聚氧乙烯醚1210～1810g;聚氧乙烯烷基醇酰胺810～1410g;烷基酚聚氧乙烯醚410～1010g;脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠110～310g.
213 正交试验的设计
在选定的表面活性剂的最佳使用范围中分别取3个水平,选用4因素3水平的L9(34)正交试验表[9],再加入洗涤助剂硅酸钠E和增溶剂三乙醇胺F,复配成清洗剂来进行清洗试验(见表1).将各组清洗剂加水溶解制成400ml的溶液,置于超声波清洗器中,每次用15min超声清洗、漂洗阳极帽30只,将洗好的产品放置在120℃的烘箱中烘干.
T able1 R egular intersect method table
No.A/g B/g C/g D/g
11210810410110
21210111071020
3121014101010310
41510810710310
5151011101010110
615101*********
718108*********
818101*********
918101410710110
将清洗后的工件按清洗剂清洗次数和工件上残留斑数两个指标来综合评价清洗剂的去污效果.清洗次数是指用一定量的清洗剂每次清洗数量相同的工件最多能达到的组数,其中清洗后工件的质量必须达到生产要求,此指标是用来衡量清洗剂的缓冲能力,清洗次数越多,缓冲能力越大;工件上残留斑数是指工件经上述工序清洗干燥后在其表面残留斑污的工件个数,此指标是用来衡量清洗剂的洗涤性能,产生的斑数越少,洗涤性能越好.
214 正交试验结果分析
下面分别按各清洗剂溶液的清洗次数和工件上残留斑数两个指标来对清洗剂的性能进行分析.
21411 清洗次数的对比 各溶液清洗次数比较如图2所示
.
Fig12 Contrast of solution washing numbers
由图2可以看出:3#、5#和7#溶液清洗次数较多,全部在15次以上;6#溶液的清洗次数最少,仅4次;其余溶液的清洗次数均在10次左右.
按照正交试验中的综合平衡法,根据制定的打分标准,计算4个因素的3个水平的数据(按浓度从小到大的次序,均值)K1、K2、K3,以及每个因素的极差R,见表2.
T able2 Average value and extremity
m argin of experiment
Factor K1K2K3R
A911619814212
B913814617216
C5136171214711
D810812812012
根据极差大小排出的4个因素分别对清洗次数影响重要性的大小顺序如下.
清洗次数:烷基酚聚氧乙烯醚>聚氧乙烯烷基醇酰胺>脂肪醇聚氧乙烯醚>脂肪醇聚氧乙烯
・
7
8
7
2
・
第11期 刘方方等:精密金属零件用非ODS水基清洗剂的复配
醚硫酸钠.
烷基酚聚氧乙烯醚的含量对清洗次数指标的影
响最为显著,随其用量的增加清洗次数指标逐渐升高;聚氧乙烯烷基醇酰胺及脂肪醇聚氧乙烯醚两因素对清洗次数指标的影响近似相等,但清洗次数升高随着聚氧乙烯烷基醇酰胺用量的增加逐渐减少,当脂肪醇聚氧乙烯醚用量为1510g 时,清洗次数最少(为清洗次数最低谷),当其用量增加或减少时,清洗次数均增加;脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠的含量对清洗次数指标的影响最小,清洗次数的变化几乎不受它的影响.
21412 工件上残留斑数的对比 各溶液清洗后工
件上残留斑数情况如图3所示
.
Fig 13 Contrast of solution washing spots
由图3可以看出:1#、3#和9#溶液清洗后,残留的斑数较少;经6#溶液清洗后,残留的斑数数量最多;经其他溶液清洗后,斑数基本在15个左右.
按照综合平衡法,根据制定的打分标准,计算出各因素水平的数据K 1、K 2、K 3(均值),以及每列的极差R ,见表3.
T able 3 Average value and extremity
m argin of experiment
Factor K 1
K 2
K 3
R
A 161511191612416
B 161013191416211
C 121515131618413D
1717
1213
1416
514
根据极差大小排出的4个因素分别对残留斑数
影响重要性的大小顺序如下:脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠>脂肪醇聚氧乙烯醚>烷基酚聚氧乙烯醚>聚氧乙烯烷基醇酰胺.
由图3和表3可以看出:影响残留斑数的因素
中,脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠是最主要的影响因素,当其用量在110～210g 之间增加时,斑数随
其用量的增加而增加,当用量在210～310g 之间增加时,斑数随其用量的增加而减少;其次是脂肪醇聚氧乙烯醚,斑数变化趋势与前一因素对斑数的影响相同,均是在第2水平时,此指标最差;再次为烷基酚聚氧乙烯醚,当其用量逐渐增加时斑数也随之降低;对该指标影响最小的是聚氧乙烯烷基醇酰胺,其指标变化趋势与前两者相同,在第2水平处指标最差,而在第1、第3水平时,该指标较好.
下面进行综合平衡各因素以确定最优方案.脂肪醇聚氧乙烯醚:对于清洗次数,取水平1较好;对于残留斑数,它是次要因素,取水平1、3一样好.综合考虑,脂肪醇聚氧乙烯醚可取水平1.
聚氧乙烯烷基醇酰胺:对于清洗次数,水平1和2相差不大;对于残留斑数的影响处于最次要因素.综合比较,聚氧乙烯烷基醇酰胺取水平2较好.
烷基酚聚氧乙烯醚:对于清洗次数,水平3最好;对于残留斑数,水平2和3相近.综合考虑,烷基酚聚氧乙烯醚取水平3.
脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠:对清洗次数来说,它是最次要的影响因素;对于残留斑数的影响是最主要的.因此选取水平3.
依据上述综合平衡的结果,得到的最优方案为:脂肪醇聚氧乙烯醚(A )1210g ;聚氧乙烯烷基醇酰胺(B )1110g ;烷基酚聚氧乙烯醚(C )1010g ;脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(D )310g.
21413 最佳试验方案的验证 首先,根据表面活
性剂组成混合物的HLB 值等于乳化此种油所需的HLB 值时乳化效果最佳原理,来验证试验结果的符合性.各表面活性剂的HLB 值列于表4.
T able 4 H LB values of surfactants
A B C D 1415[10]
1210[11]
1010[10]
3914
其中D 的HLB 值用下式计算得到[12]
HLB =7+∑(亲水的基团数)-∑(亲油的基团数)
=7+40-716=3914
混合表面活性剂的HLB 值的计算如下[13]
・8872・化 工 学 报 第57卷
HLB =(W A ×HLB A +W B ×HLB B +W C ×HLB C +
W D ×HLB D )/(W A +W B +W C +W D )
=(12g ×1415+11g ×1210+10g ×1010+
3g ×3914)/(12g +11g +10g +3g )=1416
经计算可得,最优方案混合表面活性剂的HLB 的值为1416,与乳化工件所用油的HLB 完全一致.此外,通过优化配方的清洗试验来验证此方案,结果为清洗次数19次、残留斑8个,两个实验指标均比前面9组实验优越,也充分证实了对试验结果分析的正确性.
3 结 论
通过用乳化法测得阳极帽用油的HLB 值为1416;根据常见的阴离子型与非离子型表面活性剂
的特点,从中选择了具有较好的洗涤效果和乳化效果的表面活性剂进行复配,选用L 9(34)正交试验表安排试验,分析每个因素对清洗次数和残留斑数效果的影响,在对试验结果进行分析的基础上,对配方进行最终优化.试验结果证明了试验和分析的正确性.优化后的复配方案对阳极帽表面上的油污,有较好的去除效果,能满足生产的要求.References
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9872・ 第11期 刘方方等:精密金属零件用非ODS 水基清洗剂的复配下载本文
