几种脂肪醇乙氧基化物在动车...外表面清洗剂的应用性能研究_相若函.pdf

高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 2 期2 0 2 3 年 4 月Vol.2 No.2April 2 0 2 3几种脂肪醇乙氧基化物在动车组外表面清洗剂的应用性能研究相若函1，杜玮1，伊钟毓1，石振平1，白海波2，袁 磊1，史懿1，彭山青1（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081；2.中国铁路西安局集团有限公司 西安动车段，西安 710016）摘要：对几种脂肪醇乙氧基化物的基本特性（浊点、表面张力）和应用性能（乳化力、接触角、洗净力、泡沫性能、漂洗性及对油漆涂膜的影响性）进行了测定，结果表明：对于疏水基相同的脂肪醇乙氧基化物，随着环氧乙烷基团数（EO数）的增加，其浊点、表面张力、接触角及发泡力均增大，对乳化力和洗净力变化规律不明显；EO数过小的脂肪醇乙氧基化物水溶性差，表面活性低，不适合应用于动车组外表面清洗剂；相对直链醇醚（AEn），异构醇醚（E10n、E13n）的应用性能较好，其中短疏水基异构醇醚（E10n）在质量分数为 1%时可将水的表面张力降低为27.51 mN/m，湿润性强，对油漆涂膜的接触角可降为9.2，洗净力为97.5%，渗透能力强，泡沫稳定性差，展现出良好的性能，更适合应用于动车组外表面清洗剂产品中；几种脂肪醇乙氧基化物均满足标准Q/CR 4682015中对漂洗性及对油漆涂膜的影响性的要求，可应用于动车组外表面清洗剂产品。关键词：脂肪醇乙氧基化物；环氧乙烷基团数（EO数）；直链醇醚；异构醇醚；动车组外表面清洗剂中图分类号：TQ423.9 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.02.014动车组运行速度快、里程长，一天可能跨越多个温、湿度环境，外表面污染严重，需要使用特定清洗剂进行清洗。受车漆材料限制，动车组外表面清洗剂为水基型清洗剂，主要由表面活性剂、缓蚀剂及其他助剂构成，其中表面活性剂可降低溶液与空气的表面张力或溶液与油污的界面张力，具有湿润、渗透、乳化、增溶等物理化学作用，从而提高清洗剂对污垢的整体去除效果1。用于清洗的表面活性剂包括非离子、阴离子、阳离子和两性表面活性剂，出于性能和价格的考虑，一般选用阴离子和非离子型表面活性剂2。与阴离子表面活性剂相比，非离子表面活性剂亲水基较大，产生空间阻隔效应3，溶液临界胶束浓度低，更易形成胶团，表面活性高4，湿润、乳化和耐硬水能力强，泡沫较低。脂肪醇乙氧基化物是工业清洗领域常见的非离子表面活性剂，它的亲水链由含氧基团构成，这些含氧基团与水分子的氢键缔合。氢键的稳定性随着温度升高而降低，因此乙氧基化物的水溶性也随温度升高而降低5，导致水化作用减弱，最终导致溶液浑浊，表面活性降低，清洗效果变差，这限制了清洗剂的应用环境。针对几种脂肪醇乙氧基化物，对其基本特性和应用性能进行测定，探究不同的环氧乙烷基团数（EO数）对其应用性能的影响，对比直链与异构醇醚类乙氧基化物的性能差异，为脂肪醇乙氧基化物在动车组外表面清洗剂的开发及应用提供参考。1 试验部分 1.1试剂与仪器试剂：直链脂肪醇乙氧基化物（AEn，n=a，b，c），异构癸醇乙氧基化物（E10n，n=a，b），异构十三醇乙氧基化物（E13n，n=a，b，c，d），a、b、c、d为EO数的相对值，处于612之间，abcd，以上脂肪醇乙氧基化物含量均为99%，工业级；L-AN32#机械油，工业级；试验用水均为自制去离子水，试验用试样溶液均用去离子水配制。仪器：ME204电子天平，Mettler Toledo；K100 表面张力仪，德国KRSS公司；OCA20光学接触角测量仪，德国Dataphysics公司；RHBX摆洗机，中国日化所富聚日化公司；HH-M6水浴锅，江苏春兰科学仪器有限公司；VM300SA2行星式重力搅拌机，锦阳世诺科技有限公司；DHG-9070A电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；温度计（棒式），市售；JS-307秒表，深圳市君斯达实业有限公司。文章编号：2097-0846（2023）02007405收稿日期：20221206；修回日期：20230110第一作者：相若函（1997），男，助理工程师。E-mail：第 2 期相若函等：几种脂肪醇乙氧基化物在动车组外表面清洗剂的应用性能研究1.2性能测试1.2.1基本特性测试（1）表面张力用铂金板采用连续法测定质量分数为1%的试样溶液在25 条件下的表面张力（），测量前将试样稳定至少12 h，试样重复测量3次，结果取平均值。（2）浊点把质量分数为1%的试样溶液置于水浴锅上进行搅拌加热，直至溶液刚刚变为浑浊。然后自然降温，用温度计记录溶液由浑浊变澄清所对应的温度，即该测试样的浊点（CP），重复测量3次，结果取平均值。1.2.2应用性能测试（1）乳化力将40 mL质量分数为0.1%的试样溶液和等体积的L-AN32#机械油混合，置于重力搅拌机上以23 r/s的转速离心2 min，取出立即倒入100 mL具塞量筒中，随后立即开启秒表计时，记录试样分离出10 mL水相所用时间，测试环境为25。重复测量3次，结果取平均值。（2）接触角以去离子水为空白对照，用CCD摄像机记录质量分数为1%的试样溶液在聚氨酯漆膜试片上的动态接触过程，时间范围为0180 s，然后用图像分析软件测量接触角并绘制曲线，测试温度为25。（3）洗净力参照标准Q/CR 46820156中洗净力的测定方法:控制试样温度为（402），把覆盖人工油污的漆膜试片放于不同质量分数的试样溶液中静置 5 min，摆洗5 min，去离子水洗30 s，最后烘干，每组平行3个试片，结果取平均值。（4）泡沫性能将20 mL质量分数为0.1%的试样溶液置于100 mL具塞量筒内，塞紧盖子，保持相同力度上下振动10次，随后立即开启秒表计时，记录30 s时的泡沫体积记为V1（发泡力），5 min时的泡沫体积为V2，以V2/V1的值表示泡沫的稳定性，试样重复测量3次，结果取平均值。（5）漂洗性参照标准Q/CR 4682015中漂洗性的测定方法:控制温度为（402），把漆膜试片放于质量分数为1%的试样溶液中静置5 min，取出晾晒10 min，在去离子水中洗30 s，烘干后冷却，观察试样在试片表面的残留情况。（6）对油漆涂膜的影响性参照标准 Q/CR 4682015中对油漆涂膜的影响性的测定方法:控制温度为（402），把漆膜试片放于质量分数为1%的试样溶液中浸泡24 h，取出后用流动水冲净，擦干，立即观察漆膜有无失光、变色或起泡情况，并参照GB/T 67392006 色漆和清漆 铅笔法测定漆膜硬度 测量记录漆膜硬度变化。2 结果与讨论 2.1基本特性降低表面张力是表面活性剂的一般性质，一般认为，表面活性剂溶液的表面张力越低，湿润性越强；浊点是非离子表面活性剂的特性参数，亲水端为乙氧基化物的表面活性剂，其浊点跟非离子表面活性剂亲水链长度相关7，浊点客观反映出非离子表面活性剂在实际应用中的温度上限8。由表1可知，随着EO数的增加，疏水基相同的脂肪醇乙氧基化物的表面张力、浊点逐渐升高。EO数的增加导致乙氧基链与水之间的氢键作用增强，亲水性增加，浊点升高，表面活性降低9-10，符合非离子表面活性剂的一般特性。一些EO数小的脂肪醇乙氧基化物（E13a、E13b）在25 呈浑浊态，这是因为乙氧基链与水分子间氢键缔合作用较低，在水中吸附量少，故浊点较低，表面活性差，表面张力偏高。异构醇醚的表面张力均低于直链醇醚，支链结构有利于表面张力的降低。这些EO数小的异构醇醚因其浊点低而应用受限。2.2应用性能2.2.1乳化力乳化在热力学上是一种不稳定状态，乳化力表现为水相与油相形成的乳状液的稳定程度，乳化时间长短与乳化力成正比。试验结果如图1所示，不同结构的脂肪醇乙氧基化物对L-AN32#机械油的乳化力影响并无明显规律性，E13c的乳化性能最佳，E10a的乳化性能最差。表1几种脂肪醇乙氧基化物的基本特性表面活性剂AEaAEbAEcE10aE10bE13aE13bE13cE13d/(mNm-1)30.0132.3133.1627.5128.0528.2028.1427.9929.42CP/58.577.081.555.067.558.077.0注：“”表示在25 室温环境下浑浊。75高速铁路新材料第 2 卷2.2.2接触角表面活性剂在固体表面的吸附改变了固体表面的湿润性，接触角用以表示固体表面的润湿性能11，水溶液接触角越小，湿润能力越强。图2为几种脂肪醇乙氧基化物水溶液在漆膜上接触角随时间变化情况。水溶液的接触角小于90，说明漆膜为亲水性基底。图3为几种脂肪醇乙氧基化物接触漆膜的瞬时接触角和3 min时接触角。与空白对照相比，脂肪醇乙氧基化物的加入极大地降低了固液接触角，显著提升了水的湿润性能。接触角随时间变化表现为前期下降速率快，后期趋于稳定。从瞬时接触角可知，异构醇醚接触角普遍比直链醇醚接触角小，支链结构的醇醚有效碳链小，空间位阻小，更容易在漆膜表面紧密排列12。从3 min时接触角可知，脂肪醇乙氧基化物的结构对接触角的影响如下：直链醇醚接触角的大小顺序为 AEaAEbAEc，随着 EO数的增加，接触角变大，润湿能力变弱；异构醇醚接触角的大小顺序为E13cE10aE13dE13aE13bAEcAEa；异构醇醚洗净力的大小顺序为 E10aE10bE13dE13cE13bE13a。可以看出，直链醇醚中AEb的洗净力最高，AEa的洗净力远低于AEb；异构醇醚中E10n洗净力普遍高于E13n，这可能与疏水链的长短有关，疏水链越短，对油污的渗透性越强。2.2.4泡沫性能泡沫性能包括发泡力和泡沫稳定性。发泡力指泡沫形成的难易程度和生成泡沫量的多少8；泡沫稳定图2几种脂肪醇乙氧基化物的动态接触角图1几种脂肪醇乙氧基化物的乳化力图3几种脂肪醇乙氧基化物的接触角76第 2 期相若函等：几种脂肪醇乙氧基化物在动车组外表面清洗剂的应用性能研究性是指泡沫存在的持久性13。在实际工业清洗过程中若泡沫太多，会不易漂洗。清洗剂应泡沫量适中，泡沫稳定性较差。图5为几种脂肪醇乙氧基化物的泡沫性能，由图可知，对于疏水基相同的脂肪醇乙氧基化物，30 s的发泡力（V1）大致随 EO数的增加而增大，低 EO数的异构醇醚泡沫稳定性差，这是因为支链结构会导致吸附分子排列疏松，支链醇醚分子间相互作用弱于直链醇醚，故其泡沫稳定性差14。EO数增大，相应黏度变高，液膜强度增大，不易排液，泡沫稳定性增加。这几种脂肪醇乙氧基化物泡沫稳定性变化规律同乳化力存在相关性，具体原因需要进一步探究。2.2.5漂洗性及对油漆涂膜的影响性漂洗性是通过判定表面活性剂在漆膜试片表面的残留与否，来表述水对表面活性剂的漂洗能力；对油漆涂膜的影响性用于测定表面活性剂溶液对动车组表面油漆涂膜是否产生起泡、失光、变色的外观影响及硬度变化情况。经测试，几种脂肪醇乙氧基化物在漆膜试片表面均无表面活性剂残留，易漂洗，且对油漆涂膜无起泡、无明显失光、变色的影响，漆膜硬度也无明显变化，满足Q/CR 4682015中对漂洗性及油漆涂膜的影响性的要求。3 结论 对几种脂肪醇乙氧基化物的基本特性（浊点、表面张力）和应用性能（乳化力、接触角、洗净力、泡沫性能、漂洗性及对油漆涂膜的影响性）进行了测定，结果表明：（1）对于疏水基相同的脂肪醇乙氧基化物，EO数大时，脂肪醇乙氧基化物的表面张力高，与漆膜形成的接触角大，润湿性差，起泡性好。这表明EO数大的脂肪醇乙氧基化物不适合应用于动车组外表面清洗剂。（2）部分EO数小的脂肪醇乙氧基化物浊点低于室温，水溶性差，表面活性低，不适合应用于动车组外表面清洗剂。（3）相对直链醇醚（AEn），异构醇醚（E10n、E13n）的应用性能较好。其中，短疏水基异构醇醚（E10n）在质量分数为1%时可将水的表面张力降低为27.51 mN/m，湿润性强，对油漆涂膜的接触角可降为9.2，洗净力为97.5%，渗透能力强，泡沫稳定性差，展现出良好的性能，更适合应用于动车组