環(huán)保型水基清洗劑的研制及其應(yīng)用進展

崔興蘭 陳立輝

摘 要：水基清洗劑是以水為基體溶劑，與表面活性劑、助溶劑、添加劑等組合而成的一種清洗媒介，其借助于表面活性劑、乳化劑、滲透劑地潤濕、乳化、滲透、分散、增溶等作用來實現(xiàn)對污染物的清洗。其成本低廉、使用安全、綠色環(huán)保，有利于生態(tài)環(huán)境和人體健康，符合當(dāng)今清洗技術(shù)朝著環(huán)境友好和可循環(huán)利用方向發(fā)展的趨勢，在生產(chǎn)和生活中具有重要意義。本論述總結(jié)了近年來水基清洗劑在不同應(yīng)用鄰域的研制和應(yīng)用進展，并對其未來發(fā)展趨勢進行了展望，為新型環(huán)保型水基清洗劑的設(shè)計和開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)保；水基清洗劑；表面活性劑

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隨著科技發(fā)展，各行各業(yè)都在追求品質(zhì)提升，都在向高精尖方向不斷發(fā)展，水基清洗劑作為一種清潔用品成為各行各業(yè)發(fā)展過程中必不可少的部分。生產(chǎn)生活中常用的清洗劑有以下三種：溶劑型、復(fù)合型和水基型清洗劑[1]。溶劑型清洗劑以有機溶劑為主要成分，清洗能力強，但大多易燃、易揮發(fā)，對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害[2]。復(fù)合型清洗劑（又稱半水基清洗劑）由有機溶劑和表面活性劑復(fù)配而成，由于其組成成分中含有有機溶劑，存在污染環(huán)境問題。水基清洗劑主要以水為主體，通過復(fù)配無機鹽助洗劑、表面活性劑、其他助劑（pH 調(diào)節(jié)劑、緩蝕劑、抗氧化劑、光亮劑和消泡劑等）從而起到除油、除灰的作用，安全可靠，綠色環(huán)保，應(yīng)用鄰域廣泛[3]。

水基清洗劑中各個成分發(fā)揮著不同作用。表面活性劑是水基清洗劑的核心組成成分，活性劑兩端為憎水基團和親水基團，可通過吸附和乳化作用來分散和去除油脂和污漬，容易被水沖洗掉，根據(jù)功能分為非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑[4]。pH 調(diào)節(jié)劑：可調(diào)整清洗劑的酸堿性，有效去除清洗件表面殘留的酸（堿）性污染物[5]。水溶性有機溶劑：幫助清洗難以清洗的污垢，如油漆、涂料和膠水等，常見的水溶性有機溶劑有乙二醇和異丙醇等。穩(wěn)定劑：用來保持清洗劑的穩(wěn)定性和保質(zhì)期，防止清洗劑在存儲和使用過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。緩蝕劑和抗氧化劑等：保持清洗件在放置一段時間后表面不會發(fā)生腐蝕、不被氧化。以上成分通常根據(jù)具體清洗要求和應(yīng)用鄰域進行一定比例的調(diào)配，使水基清洗劑展現(xiàn)出最佳清洗效果。

1水基清洗劑的清洗機理

水基清洗劑的去污實質(zhì)就是污物經(jīng)表面活性劑、乳化劑和滲透劑的潤濕、滲透、乳化和增溶作用，降低其在物體表面的附著力[6-7]，再借助物理清洗方法，如升溫、擦拭、噴淋沖洗、機械振動、超聲波清洗等，使物件表面的污垢迅速脫離，從而完成清洗過程[8]。其清洗作用主要分為三步：（1）清洗劑對污垢進行潤濕和滲透作用，使清洗劑與污垢結(jié)合；（2）清洗劑的核心成分表面活性劑開始產(chǎn)生乳化、分散以及增溶作用，使污垢脫離物件表面，然后分散到清洗介質(zhì)中；（3）清洗過程是一個可逆過程，被清洗下來的污漬還可以再次吸附到物件表面，所以通常為防止出現(xiàn)這種情況，會利用一定的機械手段，把清洗下來的污漬及時處理掉。

2水基清洗劑的分類

水基清洗劑因為需要應(yīng)用到不同行業(yè)、清洗不同材料，所以清洗劑組成成分不一樣，其分類也就多種多樣，水基清洗劑的分類主要有以下三種。

（1）根據(jù)其酸堿度不同，分為中性水基清洗劑（pH≈7）、酸性水基清洗劑（pH<7）、堿性水基清洗劑（pH>7）[9]。中性水基清洗劑主要依靠鰲合作用和溶解能力來完成清洗，使用安全、無腐蝕，但脫脂性能較差。堿性水基清洗劑主要成分是氫氧化鈉、碳酸鈉、硅酸鈉或磷酸鈉等無機堿和無機鹽，主要用于鑄鐵和鋼等表面防銹油、加工油地清洗，一般滲透性和乳化性較好，但需要漂洗且壽命較短。酸性水基清洗劑主要成分為硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸和磷酸等，主要用于各種物體表面銹垢地清洗，具有工藝穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點，但具有腐蝕性。

（2）根據(jù)清洗方式不同分為物理清洗和化學(xué)清洗[10]。物理清洗是利用機械摩擦、熱能、電流、超聲波、高壓沖擊、紫外線等外在能量進行去污清洗，不存在廢水處理，也不會對環(huán)境造成危害，但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物件存在清洗不均勻、不徹底等問題。化學(xué)清洗是利用化學(xué)品或其他溶劑與污染物的化學(xué)反應(yīng)達到去污目的的清洗方法，化學(xué)清洗由于液體具有流動性，可均勻地到達被清洗物體的每個角落，彌補了物理清洗不徹底的缺點。在實際應(yīng)用中，通常將二者結(jié)合使用，獲得更好的清洗效果。

（3）此外，水基清洗劑還可以從其泡沫量的多少來進行分類，可分為無泡型、低泡型、中泡型和高泡型，它們各自有各自的優(yōu)缺點和適用范圍。通常為了達到最佳清洗效果，根據(jù)清洗對象的不同，不同類型的水基清洗劑可輔以不同的清洗工藝，有機械攪拌清洗、浸泡清洗、噴淋清洗、超聲波清洗和電解清洗等。例如余文博課題組制備了一種適合于高壓噴淋的低泡型水基清洗劑[11]，用于金屬表面污垢地清洗；結(jié)果表明該清洗劑的清洗效果、泡沫量、防腐和防銹等各項性能指標(biāo)均優(yōu)于市售產(chǎn)品，是一種環(huán)保型的低泡高效水基金屬清洗劑。馬靜研發(fā)設(shè)計了一款大中型鋁鑄件超聲水基清洗工藝[12]，該清洗工藝大幅降低人員工作強度，縮短生產(chǎn)周期，其清洗質(zhì)量滿足了鋁合金鑄件復(fù)雜、多孔的表面清洗要求，清洗效果及清洗工藝流程設(shè)置合理，是工業(yè)清洗的發(fā)展方向。

3水基清洗劑的應(yīng)用

3.1金屬表面

高超[13]研發(fā)團隊以水、一元和二元等羧酸混合物、醇胺混合物、植酸、硅烷化合物，復(fù)配表面活性劑（脂肪醇 EO/PO 嵌段聚醚和烷基封端醇醚）制備了一種鍍鋅金屬用水基金屬清洗劑，并對清洗劑的凈洗力、防腐性、防銹性、消泡性等性能進行了研究，結(jié)果表明，該清洗劑對鋅、鋼鐵、鋁、銅等金屬無腐蝕，具有良好的防銹性，可提升鍍鋅層及其它金屬的耐蝕性，對多種不同油污均有良好的清洗能力，常溫及加溫條件下低泡或無泡，穩(wěn)定性良好，適用于多種金屬材質(zhì)，尤其是鍍鋅金屬，在機械加工及使用過程中的清洗，滿足噴淋、浸泡、超聲波等多種清洗方式要求。季偉課題組[14]以陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑復(fù)配為主成分，無機堿硅酸鈉、消泡劑聚二甲基硅氧烷、緩蝕劑鉬酸鈉、軟水劑乙二胺四乙酸二鈉作為助劑，制備了一種對鋁合金表面油污有較好清洗效果且綠色環(huán)保的水基清洗劑，并通過設(shè)計正交實驗，單因素實驗得到清洗劑最佳配方和最佳使用條件，最后比較了自制水基清洗劑和市售水基清洗劑對同種油污的清洗效果以及對鋁合金基體的腐蝕性，結(jié)果表明，自制清洗劑的清洗效果略好，但腐蝕性明顯降低。張巧云課題組[15]為解決大多數(shù)水基清洗劑除油不徹底和耐酸性差的問題，對市售5種非離子表面活性劑進行比較篩選，并與各種助劑復(fù)配，得到了一種性能優(yōu)良的水基清洗劑，該水基清洗劑外觀均勻無分層、除油效率高，易漂洗，無清洗劑殘留。

3.2廚房油污

隨著人們生活品質(zhì)的不斷提高，對廚房用清洗劑的要求也越來越高，要求綠色環(huán)保、溫和不刺激，去污效果好等。通過文獻閱讀調(diào)研，蔡衛(wèi)權(quán)課題組長期致力于研究一種環(huán)保高效的廚房用水基清洗劑。2015年，該課題組研發(fā)了一種配方簡單的高效稠油垢微堿性水基清洗劑[16]，通過優(yōu)化實驗條件及清潔效果測試，得到清洗劑配方為：8.0%烷基糖苷、3.5%脂肪醇聚氧乙烯醚、3.5%壬基酚聚氧乙烯醚和2.0%椰子油脂肪酸二乙醇酰胺，復(fù)配自來水。清洗劑的 pH 為7.5，接近中性，并且其原液、2倍稀釋液、4倍稀釋液清洗能力均優(yōu)于市售清洗劑，具有廣闊的應(yīng)用前景。2016年，基于綠色化學(xué)的要求，在前期研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化改進，制備了一種高效綠色多功能水基清洗劑[17]，主要成分為：烷基糖苷（APG0810）、脂肪酸甲酯乙氧基化物（FMEE ）和椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（6501），上述成分均可在環(huán)境中自然降解，配方環(huán)境友好、高溫和低溫穩(wěn)定性好，去污能力強。該清洗劑不但能夠清洗廚房稠油垢，還能用于金屬表面礦物油和拋光蠟清洗，應(yīng)用范圍較廣，為后續(xù)多功能水基清洗劑研究開發(fā)提供了思路和方向。

3.3電子行業(yè)

隨著電子信息行業(yè)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品向著高精密微型化方向發(fā)展，因此對電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的清洗提出更高要求。深圳市天得一環(huán)境科技有限公司新材料研發(fā)部杜植院科研團隊研發(fā)了一種用于液晶顯示器用環(huán)保型水基清洗劑[18]，清洗劑以陽離子表面活性劑 X、異構(gòu)脂肪醇聚氧乙烯醚 Y、直鏈脂肪醇聚氧乙烯醚、滲透劑 JFC、二乙二醇丁醚、異丙醇胺、ETDA 為主要原料，配方體系對 LCD 殘留液晶具有較好的清潔乳化作用，清洗去污率達99.0%以上，對 LCD 玻璃封框膠無腐蝕且揮發(fā)氣味小，對人體皮膚及身體無明顯刺激和損傷作用。劉青、馬楠[19]研發(fā)了一種水基 PCB 電路板清洗劑，其配方原料組成為：硼酸鈉2～3、焦磷酸鉀1～2、椰子油烷基醇酰胺磷酸酯3～4、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉4～5、檸檬酸2～3、乙醇30～40、助劑4～5、去離子水100～120。實驗結(jié)果表明該清洗劑對松香、焊錫、金屬離子、指紋等有快速清除能力，且不易造成短路，極大降低廢品率，進而降低了成本，印刷質(zhì)量亦更好。此外該清洗劑中的助劑能夠在電路板表面形成保護膜，隔絕空氣，防止大氣中水及其他分子腐蝕電路板，抗氧化，有利于進行下一步制作工藝。

3.4其他行業(yè)

劉騰[20]科研團隊研發(fā)了一種用于膠版印刷機油墨清洗用的水基清洗劑，配方以水和乙醇為溶劑，吐溫-80、十二烷基二甲基甜菜堿為表面活性劑，碳酸鈉為堿性助劑復(fù)配達到清洗目的，通過實驗設(shè)計得到最佳成分用量，在此條件下合成的產(chǎn)品為透明、無沉淀、無分層液體，清洗效果可達99.8%。黃選民、幸澤寬[21]研發(fā)了一款用于航空發(fā)動機零部件水基積炭清洗劑，該清洗劑適用于航空發(fā)動機所有類型積炭的清洗，對積炭具有高效和徹底的清洗能力，且適用于多種航空零部件清洗方式。賈金蘭課題組研究了一種水基壓敏膠清洗劑[22]，以 N-甲基吡咯烷酮和 N、N-二甲基甲酰胺為溶劑，AES 為表面活性劑，三者相互促進，可快速有效去除壓敏膠，具有清洗效率高、對基材無腐蝕、對人體安全且環(huán)境友好的特點。

4結(jié)論與展望

隨著經(jīng)濟社會的進步和對環(huán)保理念的堅守，綠色環(huán)保水基清洗劑仍然具有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。本論述對當(dāng)前水基清洗劑的發(fā)展和應(yīng)用進行了總結(jié)，對目前已經(jīng)開發(fā)出來的水基清洗劑進行了簡單歸類，從中可以看出，水基清洗劑制備方法簡單、性能優(yōu)異，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對水基清洗劑的要求也就越來越高，使其不斷向安全環(huán)保、低廉高效、工藝簡單并可循環(huán)利用的方向發(fā)展。

盡管水基清洗劑有以上優(yōu)勢，但仍然存在以下問題需要改進：（1）水基清洗劑廢水的處理，目前，大多數(shù)研究只注重于清潔能力，卻忽視了廢水處理的問題，雖然所用材料大多無毒或低毒，但長期大量積累后，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和人體健康，需要引起廣大研究者的重視，應(yīng)加強對廢水處理的研究，使其達到可排放標(biāo)準(zhǔn)或通過新型工藝使其可循環(huán)利用；（2）水基清洗劑在使用時通常需要加熱，隨著溫度升高水基清洗劑泡沫量也隨之增加，不利于噴淋等清洗工藝，而且會增加沖洗時的耗水量，沖洗不干凈時被洗物表面會有殘留，影響產(chǎn)品外觀和使用性能，尤其對高精尖產(chǎn)品的精密部件要求更高，因此對低溫低泡型水基清洗劑的開發(fā)研究具有重要意義。

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