脂肪酸甲酯乙氧基化物在帶鋼弱堿脫脂中的應用

鄭 巖

(上海喜赫精細化工有限公司，上海 201620)

鋼材在冷軋過程中需要使用軋制油、冷卻液來潤滑和冷卻帶鋼。軋制后的帶鋼表面會殘留大量的油污并附帶鐵粉等污垢。帶鋼表面清洗不徹底，會導致帶鋼發黑、表面出現條狀油泥[1]。表面殘留鐵粉會在退火爐輥產生結瘤硬點和污染退火爐。因此帶鋼在進行退火前都要進行清洗脫脂，以除去黏附在鋼板表面的各種污垢。目前帶鋼清洗主要是堿性清洗工藝，但大量使用堿劑會產生堿霧以及難以處理的堿性廢水[2]。

在脫脂過程中加入表面活性劑作為脫脂劑，不僅能夠大幅度降低堿的用量也能加快脫脂速度，提高生產線帶鋼生產效率。PO封端FMEE具有類似油脂的脂肪酸結構，對礦物油有良好的乳化作用，適用于低溫條件下對礦物油的清洗。FMEE同時具有優異的分散作用，可以將油污膨脹松動有利于刷輥刷洗帶鋼，并將清洗下來的油脂均勻地分散到脫脂槽中，不會對鋼板表面造成二次沾污[3]。將PO嵌段FMEE作為脫脂劑的主體成分，復配陰離子型滲透劑伯烷基磺酸鈉(PAS-80)，烷基醇酰胺(6501)，鐵粉捕捉劑乙二胺二鄰苯基乙酸鈉(EDDHA-Na)，并通過正交實驗確定四種原料的最佳配比。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

PO封端FMEE、烷基醇胺(6501，1∶1.5型)、無磷乙二胺二鄰苯基乙酸鈉(EDDHA-Na)、伯烷基磺酸鈉(PAS)，均為工業級，上海喜赫精細化工有限公司；冷卻乳化液，工業級，上海化之素精細化工有限公司；潤滑油，工業級，南京瑪雅油脂有限公司；99%粒堿，工業級，無錫里昂實業有限公司；水玻璃、三聚磷酸鈉、純堿，分析級，杭州創科高新科技有限公司；不銹鋼試片 13.5 cm×13.5 cm×0.55 cm、粒徑50目鐵粉，廈門金科金屬材料有限公司。

SITA CleanoSpector表面潔度儀，上海維斯實業有限公司；MP-2型分析電子天平，湖州艾特精密儀器有限公司；NR20XE型電腦色差測試儀，濟南中科高新有限公司；FWA-2小型旋轉噴淋清洗機，大連飛騰儀器儀表制造有限公司。

1.2 油污試片的制備與測試方法

1.2.1 模擬不銹鋼油污的配制

將10份工業冷卻液、40份潤滑油和2份鐵粉，加熱到 60 ℃ 并充分混合攪拌均勻，備用。將準備好的不銹鋼試片在石油醚中浸泡并洗凈烘干，準確稱其質量并記為m0，再浸入上述人造混合油污中靜置 8 min，取出后垂直懸掛于空氣中老化 72 h 并準確稱其質量記為m1。

1.2.2 除油率

除油后的不銹鋼試片 90 ℃ 烘干后稱其質量并記為m2。除油率(η)的計算公式為：

η=[1-(m2-m0)/(m1-m0)]×100%。

1.2.3 油污防沾

將尺寸 13.5 cm×13.5 cm×0. 55 cm 不銹鋼片用石油醚徹底除凈并吹干，用分析天平稱其質量記為m3，將稱重后的試片放至油污工作液中靜止 15 min，取出瀝干于 85 ℃ 的烘箱恒溫 6 h，稱其質量記為m4，油污反沾量(s)計算公式為：

s=m4-m3

1.3 除油工藝

將不銹鋼試片平垂直懸掛于小型噴淋試驗機噴洗區，噴淋工作液溫度 50 ℃，壓力設置為 0.2 MPa，前后噴淋 90 s，取出不銹鋼片，在冷水中擺動20次用暖風機吹干。

1.4 油污防沾工藝

將不同用量脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)、乙二胺二鄰苯基乙酸鈉(EDDHA-Na)、烷醇酰胺(6501)、伯烷基磺酸鈉(PAS-80)與 0.5 g 自制不銹鋼油污乳化均勻配制成油污液，將不銹鋼試片懸掛浸入工作液中，靜置 15 min 后取出瀝干于 85 ℃ 的烘箱恒溫 6 h 并稱重。

1.5 鐵粉分散力

稱取 0.1 g 鐵粉，加入到 250 mL 的燒杯中，加入無水乙醇至 150 mL 刻度線，添加不同用量脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)、乙二胺二鄰苯基乙酸鈉、6501、伯烷基磺酸鈉，超聲波分散 5 min，取出上層液體，采用紫外分光光度計測量其吸光度。吸光度越高，表明待測液鐵粉含量越高，溶液分散性越好。

2 實驗內容

2.1 正交試驗因素水平的確定

PO封端FMEE具有低溫清洗拉伸油效果好，泡沫低,易漂洗的特點，分子鏈結構中有末端甲酯基和環氧丙烷甲基，多個極性親油基團可同時插入于油脂分子表面，將油脂更穩定的分散于工作液中。伯烷基磺酸鈉(PAS-80)在鋼板表面的潤濕性能好，具有超級快速鋪展能力，能沿鋼板表面的油污邊緣滲透入油污和金屬表面的結合處，弱化兩者之間的附著力。伯烷基磺酸鈉是陰離子型表面活性劑，可以同時吸附于油污和金屬表面，利用同性電荷斥力易于將油污剝離金屬表面[4]。乙二胺二鄰苯基乙酸鈉(EDDHA-Na)是性能優異的無磷、環保型重金屬離子捕捉劑，對Fe3+螯合效果明顯，在弱堿條件下對Fe3+螯合值高達 120 mg/g，可以與Fe3+形成穩定的二元環配位體，并利用-COO-的親水性將金屬表面Fe3+增溶至水溶液中[5]。烷基醇酰胺(6501)對鋼鐵有很好的防銹與緩蝕作用，同時也具有懸浮分散的作用[6]。以FMEE作為鋼材脫脂劑主體成分，乙二胺二鄰苯基乙酸鈉(EDDHA-Na)、6501、伯烷基磺酸鈉為輔，設計了正交試驗，測試結果見表2、表 3。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交實驗結果

表3 正交試驗極差分析

2.2 各因素對除油率的影響

由表3可知，各因素對除油率的影響排序為：FMEE>伯烷基磺酸鈉>6501>乙二胺二鄰苯基乙酸鈉。帶鋼表面的潤滑劑、冷卻液、軋制油其主體成分是長碳鏈烷烴的礦物油。PO封端FMEE具有C16的長碳鏈結構，與礦物油有相似的碳架結構，根據相似相溶基理，FMEE對礦物油有優異的增溶作用，在低溫條件下容易清洗礦物油，所以FMEE對礦物油的清洗影響最大。伯烷基磺酸鈉是陰離子表面活性劑，表面張力低，在硬表面的接觸角小，有利于脫脂工作液進入油脂與金屬表面的結合處，從內部溶脹油污。6501在鋼材表面容易生成一層酰胺高分子膜，能起到很好的防銹與緩蝕作用；在清洗方面，6501的除油脫脂力比較溫和。乙二胺二鄰苯基乙酸鈉是螯合劑，對工作液的Ca2+、Mg2+、Fe3+螯合作用明顯，能防止生成不溶性的金屬鹽沉淀，對脫脂沒有直接影響[7]。

2.3 各因素對去油污防沾污的影響

在脫脂過程中，脫脂槽中的工作液洗滌效力逐漸下降，工作液中的油污容易破乳重新聚集，導致在擠干輥和尼龍刷輥處產生油污反沾現象，在帶鋼表面形成條狀油泥，并且工作液中聚集的油脂也會反沾脫脂槽的四周，日積月累形成嚴重的老垢，對脫脂槽的清洗造成困難。通過表3可知，FMEE和6501對預防油污沾污影響比較大，FMEE分子結構中含有多個甲基作為親油性基團，與油脂形成多結合點的穩定結構，將油脂穩定的分散在工作液中[8]，烷基醇酰胺(6501)，能將油脂乳化為親水小顆粒，不再沾污帶鋼表面。陰離子型表面活性劑伯烷基磺酸鈉和螯合劑乙二胺二鄰苯基乙酸鈉對油污防沾污效果影響較小。

2.4 各因素對去鐵粉分散力的影響

帶鋼在軋制過程中，因拉伸或摩擦會產生大量的鐵粉，與油泥混合粘附于鋼材表面。脫脂過程中若不能徹底清除鐵粉，帶鋼進入退火爐會產生大量鐵灰，粘附在退火爐導輥并在爐輥碳套表面因積聚鐵灰出現結瘤硬點，在退火爐700～100 ℃ 的高溫條件下會劃傷帶鋼，甚至在鋼帶上壓出凹坑。軋制過程中產生的鐵灰也會吸附于爐壁四周，導致爐內出現溫差，影響帶鋼的退火質量。脫脂工作液對鐵粉的螯合與分散力對清洗鐵粉至關重要。通過表3對鐵粉分散力的影響因素排序為：乙二胺二鄰苯基乙酸鈉>伯烷基磺酸鈉>FMEE>6501。乙二胺二鄰苯基乙酸鈉分子結構中含有2個配位體-COO-Na，可以與鐵離子形的穩定的二元或四元環絡合體，有效的將鋼材表面的鐵粉或者氧化鐵皮剝離至工作液中，對鐵粉的清洗影響最大。伯烷基磺酸鈉為陰離子型表面活性劑，帶負電荷，可以中和鐵離子所帶正電荷，減少鐵離子的極性，將鐵粉由拒水轉變為親水，從而更容易被清洗[9]。FMEE和6501對鐵粉的清洗效果影響較小。

通過正交實驗分析，PO封端FMEE對脫脂劑清洗礦物油影響最明顯，FMEE和6501對防止油污沾污的影響最大，乙二胺二鄰苯基乙酸鈉對帶鋼表面鐵粉的去除影響最明顯，因此將FMEE作為脫脂工作液的主體成分。烷基醇酰胺(6501)能在金屬表面形成一層分子薄膜，這層膜能很好地保護金屬，具有防銹作用[10]；另一方面6501的除油效果不如FMEE，泡沫也較多，過多的添加6501會導致泡沫豐富，漂洗困難。伯烷基磺酸鈉對脫脂液的潤濕與鋪展影響較大，有助于脫脂工作液滲透入油膜覆蓋的工件表面，縮短除油時間，提高脫脂效率，降低非離子化學藥品的消耗量。綜合考慮4種原料的特點與性能，參考正交實驗結果，將PO嵌段FMEE、伯烷基磺酸鈉、6501、乙二胺二鄰苯基乙酸鈉4種原料按照質量比3∶2∶1∶1復配制得脫脂劑，并應用于帶鋼噴淋脫脂工藝。比較了氫氧化鈉、三聚磷酸鈉、硅酸鈉、純堿4種堿劑對脫脂效果的影響，結果見表4。

表4 脫脂效果比較

通過表4分析可知，以硅酸鈉和三聚磷酸鈉作為堿劑，脫脂劑用量較少就能獲得較高的除油率。隨著脫脂劑用量增加，除油率提高緩慢。當脫脂劑用量 50 g/L 時，硅酸鈉和三聚磷酸鈉脫脂工藝除油率分別是92%和93%。以氫氧化鈉和純堿作為堿劑，脫脂劑用量 30 g/L 的除油率較差;隨著脫脂劑用量增加，除油率會大幅度提高;在脫脂劑用量 40 g/L 和 50 g/L 的除油率都高于95%。這說明硅酸鈉和三聚磷酸鈉本身具有類似于表面活性劑的乳化作用，與表面活性劑的協同作用不明顯，氫氧化鈉和純堿本身沒有乳化力，主要起到皂化作用，與表面活性劑的乳化作用具有明顯互補性，隨著脫脂劑用量增加除油率提高幅度比較明顯。

通過對1#和4#工藝不同脫脂劑用量的效果對比，脫脂劑用量 50 g/L 的純堿工藝除油率好于脫脂劑用量 40 g/L 的氫氧化鈉工藝用量，接近于脫脂劑用量 50 g/L 的氫氧化鈉工藝。說明自配脫脂劑可以彌補純堿堿性較弱的缺陷，利用自配脫脂劑和純堿的組合，可以替代強堿氫氧化鈉，實現弱堿性條件下的脫脂。

3 結論

1)在帶鋼脫脂工藝中PO封端FMEE和伯烷基磺酸鈉對除油效果影響最明顯，PO封端FMEE和烷基醇酰胺(6501)對油污防沾的效果影響最明顯，螯合劑乙二胺二鄰苯基乙酸鈉對鐵粉的分散效果影響最明顯。綜合考慮各原料的性能特點，將喜赫PO封端FMEE、伯烷基磺酸鈉、6501、乙二胺二鄰苯基乙酸鈉四種原料按照質量比3∶2∶1∶1復配制得帶鋼脫脂劑。

2)自制脫脂劑與片堿或純堿的協同脫脂效果好于脫脂劑與三聚磷酸鈉和硅酸鈉的協同脫脂效果，以純堿為堿劑，適當提高脫脂劑的用量，可以達到氫氧化鈉做堿劑的效果，自配脫脂劑與純堿組成的弱堿脫脂體系，可以減少堿性廢水的生成與處理成本，符合節能減排的發展理念。