王雪，褚运伟，蒋贵福

（1. 鞍钢栗田（鞍山）水处理有限公司， 辽宁 鞍山 114000； 2. 鞍山安和工业配套服务有限公司， 辽宁 鞍山 114000）

冷轧带钢的脱脂是利用脱脂剂中的有效组分降低溶剂的表面张力，改变物系的界面状态，使带钢表面污染物的粘附性降低，并通过皂化、分散、乳化作用，将油脂转化为高级脂肪酸的钠/钾盐和甘油或曾乳化状态，从而在基材表面脱落，与此同时利用脱脂剂中表面活性剂的润湿、渗透、卷离、增溶、分散和絮凝、乳化和破乳、稳泡和消泡、洗涤和去污等作用与油脂中的金属离子形成易溶于水的物质，辅以无机助剂增加清洗能力、有机助剂配位体及螯合剂调节净洗性能，将钢板表面的轧制油、乳化液和残留铁粉混合附着物去除。

随着市场竞争的日趋激烈，先进的技术更新和生产工艺的升级，用户对产品的内在性能和表面质量、轧制板面的清洁度有了更高的要求。传统的大部分碱性脱脂剂高磷、高氮、高污染、不易生物降解、高温脱脂剂逐步被限用或禁用，环保、易生物降解、低温、高效、低能耗 、对健康无危害、低COD/BOD 排放的无磷环保型脱脂剂已成为必然趋势。

在制备脱脂剂的过程中，选用苛性钠、苏打为碱剂，D-葡萄糖酸钠和枸橼酸钠为螯合剂，腰果酚聚氧乙烯醚及烷基葡萄糖苷为表面活性剂，研究无磷脱脂剂的脱脂能力及其组分之间的协同效果。

1 药剂性能研究

1.1 药品及设备仪器

苛性钠/钾、苏打、硅酸钠、枸橼酸钠、D-葡萄糖酸钠、腰果酚聚氧乙烯醚、烷基葡萄糖苷、十二烷基苯磺酸钠、聚山梨醇酯20、十二烷基酚聚氧乙烯醚（药剂均为分析纯试剂）。MKY-RHBX-Ⅱ型硬表面摆洗机；自动表面张力仪Sigma 702；自动运动黏度仪SVM 2001。

1.2 选用标准及测定方法

1.2.1 净洗力

参照机械行业标准JB/T 4323.2—1999《水基金属清洗剂试验方法测定》的试验方法检验脱脂能力。试片型号：45#，尺寸：10 mm×10 mm×5 mm。利用溶剂及乙醇的多次擦拭和热风吹干达到可试用的标准，并用精密天平称重，精确至0.1 mg，此重量为P1表示。

将记录过的试片用挂钩挂好（各试片不可相互接触），浸入到温度约80 ℃的人工油污（N32HL液压油2 份，工业白凡士林1 份，石油磺酸钡1 份）中，在室温下浸涂5 min，油污浸涂量约为110～120 mg，恒温一段时间，取出并沥干，刮去多余油污，此重量用P2表示。P2-P1为试片的油污浸涂量。

将浸油并称重后的试片用原挂钩固定在MKY-RHBX-Ⅱ上，并浸入到盛有500 mL 常温脱脂剂工作液的摆洗槽内，静浸3 min，摆洗3 min，提出试片，用除盐水将脱脂后的试片再次清洗并烘干，冷却到室温后进行称重，此重量以P3表示。P2-P3为被清洗掉油污重量。

清洗能力（即脱脂率）以洗油率h表示，并按下列公式计算：

1.2.2 表面活性与临界胶束浓度

由于两相接触面上的分子与其体相内部的分子所处的状态不同，液体总是有自动收缩而减少表面积的能力，从而降低表面自由能的趋势。试验将铂金片悬与不同配置浓度下表面活性剂的液面之上，使其刚好与液面接触，利用Sigma 702 测定液面的表面张力，记做γ，在临界胶束浓度附近，表面活性剂溶液的表面张力会发生明显的变化，根据这一特征，表面活性剂水溶液的γ值随着溶液浓度的增加急剧下降，到达一定的浓度，突变的值即为临界胶束浓度（CMC），以表面张力γ对浓度的对数lgc作图可得到γ-lgc曲线。

2 组分数据分析及结论

2.1 碱性物质的影响

2.1.1 苛性钠/钾

相对廉价且常见的碱剂，其溶与水中迅速释放热量并直接电离，与动、植物油脂或矿物油脂发生皂化反应，生成水溶性高级脂肪酸的钠/钾盐和甘油，吸湿性极强，但对油脂的润湿性和分散性不好，乳化性较差，反应过于激烈，有强腐蚀性，不单一使用，需添加其他助剂提高清洗效果。

当pH 值≤10.5 时，碱性浓度过低，硬脂酸钠/钾盐会发生水解，脱脂效果随即降低；而碱性浓度过高，硬脂酸钠/钾盐溶解度也相应降低，水洗性能变差，脱脂后不易清洗。两性金属铝、锌、锡及铅合金不宜用其进行脱脂，如必要使用时，铜及其他合金脱脂液中苛性钠/钾成分不宜过高。

图1 苛性钠/钾的脱脂率及趋势线

2.1.2 苏打

价格低廉，碱性较弱，对油脂有较好的润湿性，其与水发生水解反应生成苛性钠和小苏打，起到补充所消耗的苛性钠的作用，因此苏打同样具有一定的皂化能力，但其皂化能力受pH 限制（pH≤8.5时，皂化反应不能进行；pH≥10.2 时，皂化物水解）。在铝、锌、锡、铅等两性金属及合金的脱脂液中，苏打是主要成分，而且它不损害基体金属，对于非铁金属的清洗是安全的。

图2 苏打的脱脂率及趋势线

2.1.3 硅酸钠

弱碱性，对油脂的乳化作用较强，与Mg2+离子的配位能力强，其水解生成游离碱和硅酸，游离碱润湿并渗入油脂及其他污物层中，产生的胶态硅酸起到吸附作用并使油脂和其他污物悬浮，通过渗透和膨胀作用而除去不能发生皂化反应的矿物油。硅酸钠的分子能在基材表面形成薄膜，可以保护铝、锌、铜镀层表面免受强碱的电化学腐蚀，但温度达到55 ℃以上，易造成磷化层不均发花的现象，影响后续工序。

图3 硅酸钠的脱脂率及趋势线

2.2 有机螯合剂的影响

通过有机螯合剂分子与金属离子的强结合作用，将金属离子包合到螯合剂内部，变成稳定的，分子量更大的化合物，其过程是在水中离解，成为表面带负电荷的阴离子与溶液中的金属离子络合，形成稳定的络合物，其电离后产生的离子具有很强的吸附能力，使粒子表面带相同电荷，因而使粒子间相互静电排斥，避免了颗粒碰撞所产生的积聚，使有机污染物及其颗粒迅速进入脱脂液中。其无磷绿色有机金属螯合剂具有先天的环保优势，是脱脂剂最有效、最核心的助洗剂品种。

虽然EDTA·2Na、NTA、枸橼酸钠和D-葡萄糖酸钠均有良好的洗涤效果，但EDTA·2Na 较难被微生物降解，而NTA 虽然易被生物降解，但是其含有氨氮，会使水体富营养化，而枸橼酸钠和D-葡萄糖酸钠则易生物降解，属于环境友好型药剂。

2.2.1 枸橼酸钠

弱酸强碱盐，具有优良的缓凝性能和稳定性能，其水溶性好，易发生生物降解，分散及抗再沉积能力强，具有良好的pH 调节及缓冲性能，特别是针对Ca2+、Mg2+、Fe2+等金属离子，有较好的络合能力。作为助洗剂，可以改善洗涤产品的性能，提高了表面活性剂的净洗能力，可在pH 变化区间较大的环境下形成pH 缓冲区域，对金属基材起到一定的保护作用。

图4 枸橼酸钠的脱脂率

2.2.2 D-葡萄糖酸钠

D 构型一般特指的是天然型葡萄糖酸钠，其水溶液中对Ca2+、Cu2+、Fe2+等离子具有极好的配位能力，并对这些离子的许多盐类有很好的去污作用和缓蚀功能。在清洗药剂中加入葡萄糖酸钠可以加强清洗效果，使镀层与钢铁表面结合得更加牢固。

图5 D-葡萄糖酸钠的脱脂率

2.3 表面活性剂的影响

表面活性剂之所以能够在极低的浓度下显著降低溶液的表面张力与其分子的结构特点密不可分。亲水、疏油的极性基团构成表面活性剂分子的两端，形成完全不对称的结构体系，双亲性质，也同样决定了它容易富集于表面并形成定向排列。当表面活性剂在溶液中的浓度达到临界胶束浓度（cmc）以后，在溶液内部由分子或离子分散状态聚集成胶束，改变物系的界面状态，于此产生了润湿、乳化、分散、起泡和增溶等作用。

2.3.1 腰果酚聚氧乙烯醚（PGF-6）

由天然腰果壳油通过高分子蒸馏提取高纯度腰果酚，其属于生物多烯酚成分，可生物降解性，经生物降解后的产物不产生环境内分泌干扰素辛基苯酚（OP）和壬基苯酚（NP），可完全替代烷基酚聚氧乙烯醚及其衍生物等可影响人体正常激素分泌所导致生殖器官异常的情况，不会造成生态危害，是一种天然、可绿色降解及环境友好的非离子表面活性剂。

试验拿EO单元数为6，羟值为94～104 mgKOH/g的BGF 为例，常温下测得表面张力γ对溶液浓度的对数lgc作图得到γ-lgc曲线。

2.3.2 腰果酚聚氧乙烯醚（PGF-6）

烷基碳原子数＞8 的糖苷均具有优良的表面性，烷基糖苷的表面张力随温度的升高而降低，其APG 的表面张力和浓度的关系，温度关系如图7 所示。

图7 APG 的γ-lgc曲线

2.3.3 非离子-非离子表面活性剂的复配

复配的目的是产生加和增效作用，也可以叫做协同效应，其最基本性质是表面活性剂的表面吸附及胶束的形成。加和增效的产生首先会改变体系的表面张力和临界胶束浓度，当表面活性剂产生复配效应时，其混合体系的临界胶束浓度（cmcM）并不等于二者临界胶束浓度（cmc1和cmc2）的平均值，即：

2.3.3 非离子-非离子表面活性剂的复配

复配的目的是产生加和增效作用，也可以叫做协同效应，其最基本性质是表面活性剂的表面吸附及胶束的形成。加和增效的产生首先会改变体系的表面张力和临界胶束浓度，当表面活性剂产生复配效应时，其混合体系的临界胶束浓度（cmcM）并不等于二者临界胶束浓度（cmc1和cmc2）的平均值，即：

在实验里选择比较常见的阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10）和聚山梨醇酯20（Tween20）与腰果酚聚氧乙烯醚（BGF）和烷基葡萄糖苷（APG）复配，以阴离子-非离子复配体系和非离子-非离子复配体系，在35 ℃下分别测试表面活性剂SDBS、OP-10、Tween20、BGF、APG 与PGF、APG 混合后的表面张力，绘制表面活性剂的投加量与表面张力的曲线 ，结果见图8 和图9，试验结果显示非离子-非离子复配体系的表面张力在两者混合后降低。

图8 BGF 与其他表面活性剂复配的表面张力

图9 APG 与其他表面活性剂复配的表面张力

2.3.3 非离子-非离子表面活性剂的抗硬水性能

配置三种不同浓度的钙硬度标准溶液，测试复配体系不同的表面张力变化情况。其结果显示随着水硬度的增加，复配体系的表面张力变化幅度并不显著，说明混合胶束正常形成而不受硬度影响。

图10 非离子-非离子表面活性剂复配体系抗硬水能力

2.3.4 安全性LD50

测试在规定时间内，通过指定感染途径，使一定体重或年龄的某种动物半数死亡所需最小细菌数或毒素量。按大鼠口服LD50（mg·kg-1，mg 为受试物的量，kg 为大鼠体重）。

由表1 显示，PGF 和APG 相对其他常用表面活性剂对人体更安全。

表1 不同表面活性剂的LD50 量

3 结论

3.1 试验所得无磷环保脱脂剂配方组分：

苛性钠/（g·L-1） 12

苏打/（g·L-1） 6

硅酸钠/（g·L-1） 8

枸橼酸钠/（g·L-1） 8

葡萄糖酸钠/（g·L-1） 4

腰果酚聚氧乙烯醚/（g·L-1） 6

烷基葡萄糖苷/（g·L-1） 4

实验所得无磷环保脱脂在常温下脱脂率达到99%，且拥有安全、易生物降解、绿色天然的性质，其表面张力低、分散油污性能好、去污洗涤能力优异及低泡等特点，其组分之间配伍性好，有良好的协同增效作用，具有较高的经济效益和社会效益。