高效綠色多功能水基清洗劑的研制

古蒙蒙，蔡衛(wèi)權(quán)，2

（1武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070；2武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070）

高效綠色多功能水基清洗劑的研制

古蒙蒙1，蔡衛(wèi)權(quán)1，2

（1武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070；2武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070）

采用工業(yè)級烷基糖苷（APG0810）、脂肪酸甲酯乙氧基化物（FMEE）、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（6501）與自來水進行復(fù)配，制備用于廚房稠油垢、金屬表面礦物油和拋光蠟去除并且配方簡單的綠色多功能水基清洗劑。在3因素4水平正交試驗研究清洗劑配方組成對其去污效果影響的基礎(chǔ)上，考察了6501含量和溫度對該清洗劑去污力的影響，并研究了較佳配方組成條件下該清洗劑的綜合清洗性能。結(jié)果表明，影響該清洗劑去污力從大到小的配方因素依次為6501、APG0810和FMEE，其較佳配方組成為APG0810 2.6%、FMEE 5.2%、6501 4.5%、自來水87.7%；該清洗劑具有較好的高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性，在室溫下對稠油垢、礦物油和拋光蠟的去污力分別為95.4%、90.4%和92.4%，45℃時基本清除這3種類型的污垢。

非離子表面活性劑；多功能水基清洗劑；稠油垢；礦物油；拋光蠟

隨著人們環(huán)保意識和節(jié)能減排要求的不斷提高，對清洗產(chǎn)品的要求也逐漸提高，綠色多功能高效清洗劑開始受到關(guān)注。清洗劑的“綠色”是指根據(jù)綠色化學(xué)的基本原則，選用無毒、無害的原料，合成清洗劑的去污力強并且使用后可以生物降解［1］；清洗劑的“多功能”是指其對不同類型的污垢都能實現(xiàn)良好的清洗效果。國內(nèi)從 20世紀(jì) 60年代開始研制水基清洗劑，目前品種已達200多種，但這些清洗劑大多只能針對某一特定污垢或清洗對象。例如，劉長春等［2］研制出由亞硝酸鈉、拉開粉、三聚磷酸鈉、太古油、異丙醇、三乙醇胺、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、溶纖劑、甲醛和水組成的金屬清洗劑，在去除金屬表面油污的同時起到防銹作用，但其配方復(fù)雜、清洗對象單一，并且配方中含有易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的磷助劑和致敏、致毒性的甲醛。徐德林等［3］研制出由辛基酚聚氧乙烯醚、硼砂、三聚磷酸鈉、磷酸鈉、碳酸鈉、乙二胺四醋酸鈉、三乙醇胺、羧甲基纖維素、苯并三氮唑、尿素和去離子水組成的金屬清洗劑，對鋼、銅和鋁等金屬材料上油污的去污力達90%以上，但該清洗劑的配方過于復(fù)雜，其中含有的三聚磷酸鈉、磷酸鈉等還會造成環(huán)境的污染。因此，配方簡單、使用安全的高效綠色多功能水基清洗劑的開發(fā)是一項十分重要而又緊迫的工作［4-5］。

作者所在的課題組長期致力于高性能清洗劑的開發(fā)，曾制備了高效油煙機重油垢環(huán)保型水基清洗劑，包括陰離子表面活性劑、烷基糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、檸檬酸鈉、三乙醇胺和水共7種成分［6］；還制備了高效稠油垢微堿性水基清洗劑，包括烷基糖苷、脂肪醇聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、椰子油脂肪酸二乙醇胺和水共5種成分［7］，但該配方中使用的壬基酚聚氧乙烯醚洗滌后的分解產(chǎn)物為公認(rèn)的“環(huán)境激素”壬基酚，會造成水污染，因而在歐洲等發(fā)達地區(qū)已經(jīng)被淘汰［8］；也曾制備了不銹鋼高效超聲波綠色除蠟中性水基清洗劑，包括脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基糖苷、脂肪酸甲酯乙氧基化物的磺酸鹽、檸檬酸三鈉、尿素和水等，該清洗劑對拋光蠟具有良好的清洗效果［9］，但上述清洗劑的清洗對象同樣比較單一。本文旨在研制一種能有效去除廚房稠油垢、金屬表面礦物油和拋光蠟的綠色多功能清洗劑，其中，廚房稠油垢由烹飪過程中的動、植物油經(jīng)高溫下氧化、聚合而形成；礦物油為工業(yè)金屬零件加工過程中使用殘留的潤滑油、油淬、防銹油等；拋光蠟為金屬材料工件涂蠟打磨拋光過程后粘附的蠟垢等。選用的原料包括去污力顯著的烷基糖苷（APG0810）、脫脂和分散能力較強的脂肪酸甲酯乙氧基化物（FMEE）［11］以及廣泛被用于沐浴露、洗發(fā)水中的具有良好滲透去污力的椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（6501）共3種組分，均為廉價易得的工業(yè)原料，不會對金屬造成腐蝕，并且容易進行有機復(fù)配［10］，余量為自來水，該清洗劑配方較現(xiàn)有清洗劑配方大大簡化。此外，上述表面活性劑均可在環(huán)境中自然降解，其中APG0810在34h后可實現(xiàn)完全降解［12］，F(xiàn)MEE的生物降解率可達99%以上［13］，6501不僅可以實現(xiàn)完全的自然生物降解，而且最終降解產(chǎn)物為二氧化碳和水。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

APG0810，工業(yè)級（50%）；FMEE，工業(yè)級（70%）；6510，工業(yè)級（1∶1.5），以上試劑均來自臨沂市綠森化工有限公司。

THZ-C型臺式恒溫振蕩箱，太倉市華美生化儀器廠；85-2A型恒溫磁力攪拌器，常州博遠(yuǎn)實驗分析儀器廠；HHS-12 型電熱恒溫水浴鍋，水溫波動±1℃，上海東星建材試驗設(shè)備有限公司；DHG90A系列普通干燥箱，上海索普儀器有限公司；AL104型電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.2 清洗劑的配制

根據(jù)清洗劑配方組成，依次將準(zhǔn)確稱量的原料APG0810、FMEE和6501加入到同一燒杯中，然后加入指定量的自來水，常溫下在磁力攪拌器上攪拌1.5h后形成無色透明的溶液。

1.3 廚房油垢的清洗實驗

廚房油垢的清洗實驗參照國家標(biāo)準(zhǔn) QB/T 4348—2012《廚房油垢清洗劑》進行?？紤]到實際清洗廚房油垢的過程通常接收不到來自太陽的紫外照射，對污片的老化條件進行了少許修改，在無紫外照射的條件下進行。

1.3.1 廚房油垢的制備

在250mL塑料杯中依次稱取大豆油64.0g、牛油8.0g、豬油8.0g、單硬脂酸甘油酯2.4g，在50℃水浴加熱下溶解；邊攪拌、邊冷卻到30℃后，加入無氨焦糖色素8.0g，以1000r/min的速度攪拌30min，乳化均勻后加入小麥粉12.0g，再攪拌10min，陳化24h后，放置到冰箱冷藏室中，使用時恢復(fù)至20～25℃。人工制備的廚房油垢在冰箱冷藏室的保質(zhì)期為3個月［14］。

1.3.2 廚房油垢的清洗實驗

污片的制備。洗凈試片，于（120±2）℃的烘箱中干燥1h后，在干燥器中冷卻30min后稱量（準(zhǔn)確至 0.002g）。用玻璃棒在試片單面涂敷人工污垢（每個樣品需用3片試片）。污垢質(zhì)量控制在0.24～0.26g/片，涂好后放在干燥的瓷板上，于（200±2）℃的烘箱中干燥 10min。取出冷卻 20min后放入（45±2）℃的恒溫烘箱中老化3h，之后將污片取出放入培養(yǎng)皿中，于干燥器中陳化20～22h。

清洗過程。稱取200g試樣（稱準(zhǔn)至0.01g）于玻璃燒杯中，水浴預(yù)熱至（35±2）℃。將準(zhǔn)備好的測試試片稱量后（稱準(zhǔn)至0.0002g），放入500mL的玻璃燒杯，每個樣品用3個燒杯，每個燒杯內(nèi)一個試片。用秒表計時，使試片完全浸泡 10min，擺洗5min，取出試片放入托盤中，于（120±2）℃的烘箱中干燥45min，再于干燥器中冷卻30min后稱量（稱準(zhǔn)至 0.0002g），去污力的計算方法參見文獻［14］。同一時間各個污片從稱量到擺洗的全部過程均在2h內(nèi)完成。

1.4 礦物油的清洗實驗

污片的制備和清洗率的測定過程參見上述標(biāo)準(zhǔn)稠油垢清洗的實驗方法和計算方法，但用礦物油取代廚房油垢。

1.5 拋光蠟的清洗實驗

首先，將洗凈并在120℃下干燥1h后的鋼片放置到干燥器中，冷卻至室溫后稱重，再將鋼片放置到烘箱加熱到60～65℃，立即在鋼片規(guī)定部位均勻涂敷拋光蠟 0.24±0.02g。然后，將涂有拋光蠟的鋼片在200℃下老化10min后取出，放在干燥器中陳化20～22h后制得污片，將其稱重。最后，將污片水平置于500mL的燒杯中，加入50mL清洗劑后置于超聲波清洗機中，在50℃下超聲清洗4min后取出，并用自來水沖洗10s，接著在120℃下干燥45min后放置到干燥器中，冷卻至室溫后稱重，去污力的計算方法參見文獻［9］。

1.6 清洗性能的測試

自制清洗劑的外觀、氣味、pH、去污力、高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性等測試均參照國家標(biāo)準(zhǔn)進行［15］。

2 結(jié)果與討論

2.1 清洗稠油垢的正交試驗

在前期探索實驗的基礎(chǔ)上選擇APG0810、FMEE和6501共3個影響因素，并各取4個水平，在室溫下進行3因素4水平的正交試驗。根據(jù)清洗劑的因素權(quán)值［16］，以去污力為主要試驗指標(biāo)計算極差，確定各因素的主次順序，Ki表示任一列上水平號為i（i=1，2或3）時清洗劑對應(yīng)去污力的試驗結(jié)果之和；R為極差，任一列R=max｛K1，K2，K3｝-min｛K1，K2，K3｝［17］。該清洗劑對廚房稠油垢的清洗結(jié)果見表1。由表1可知，各因素影響清洗劑去污力從大到小的順序依次為：6501＞APG0810＞FMEE。根據(jù)極差分析結(jié)果，選取各因素最大 K值對應(yīng)的水平為配方組成百分含量，確定較佳清洗劑的配方組成為6501 1.6%、APG0810 2.6%、FMEE 5.2%，該清洗劑對標(biāo)準(zhǔn)廚房稠油垢的較佳清洗率為95.3%。

表1 正交試驗結(jié)果與分析

2.2 對礦物油和拋光蠟的清洗效果

上述較佳配方組成的清洗劑用于清洗礦物油和拋光蠟時也表現(xiàn)出了較優(yōu)異的清洗性能，其在標(biāo)準(zhǔn)條件下的去污力分別為90.3%和93.7%。非離子表面活性劑的去污機理通常表現(xiàn)為：清洗過程中表面活性劑的界面張力降低，產(chǎn)生定向吸附、潤濕、乳化、分散、增溶等作用，再借助清洗時的加熱、刷洗、噴錫和超聲等作用，使油污更快的脫離金屬工件［18］。對本文自制的清洗劑而言，具有較強滲透作用的6501通過對蠟垢潤濕反轉(zhuǎn)的方法，使結(jié)蠟的不銹鋼親油表面反轉(zhuǎn)成親水表面［18］，因而削弱了蠟分子或油垢與不銹鋼間的作用力；APG0810的潤濕、乳化以及與油脂和蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)類似的 FMEE的分散作用也會使油垢和蠟垢乳化分散成細(xì)小的粒子，然后借助機械外力的作用脫落，達到去除油垢和蠟垢的目的［19-20］。

2.3 6501質(zhì)量分?jǐn)?shù)對清洗劑去污力的影響

考慮到6501是影響清洗劑清洗稠油垢效果的最主要因素，進一步考察了其他條件不變時其含量對自制清洗劑去污力的影響。由于6501含量超過4.5%時清洗劑各配方組成出現(xiàn)不兼溶的分層現(xiàn)象，因此其實際添加量最高為4.5%（見表2）。由表2可知，隨著6501含量逐漸從1.6%增加到4.5%，清洗劑的去污力逐漸增加；6501含量增加到4.5%時其對稠油垢、礦物油和拋光蠟的去污力分別達到98.5%、94.2%和99.7%的最高值。因此，該清洗劑的配方組成可進一步優(yōu)化為APG0810 2.6%、FMEE 5.2%、6501 4.5%，在后續(xù)實驗中以該配方組成為基準(zhǔn)。

2.4 溫度對清洗劑去污力的影響

表3為溫度對清洗劑的清洗效果的影響。由表3可知，在0至50℃之間溫度越高，清洗效果越好；45℃時其對稠油垢、礦物油和拋光蠟的去污力分別達到99.4%、97.8%和97.9%，基本清除全部油污。表3還顯示，溫度降至10℃后其對稠油垢的去污力仍達 91.4%，但溫度降至 0℃后其去污力降至72.9%，因此，采用該清洗劑清洗稠油垢最好在10℃以上進行，而清洗礦物油和拋光蠟時最好在室溫及其以上溫度下進行。

2.5 清洗劑的其他性能

為反映該清洗劑的綜合清洗性能，表4給出了較佳自制清洗劑配方組成時其外觀、pH、去污力、清洗效果和高低溫穩(wěn)定性等實驗結(jié)果。表4顯示，該清洗劑呈堿性，這可能與6501中的NH—與水中的質(zhì)子結(jié)合形成穩(wěn)定的銨正離子并釋放出 OH-有關(guān)。該清洗劑對不銹鋼片的清洗性能優(yōu)異，并具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性。

表2 6501質(zhì)量分?jǐn)?shù)對清洗劑去污力的影響

表3 清洗溫度對清洗劑去污力的影響

表4 清洗劑性能指標(biāo)

3 結(jié) 論

（1）成功地研制出一種多功能綠色環(huán)保水基清洗劑，該清洗劑對廚房稠油垢、金屬表面礦物油和拋光蠟均具有優(yōu)異的清洗性能。經(jīng)正交實驗和主要影響因素 6501含量等實驗優(yōu)化后的較佳配方組成為APG0810 2.6%、FMEE 5.2%、6501 4.5%、自來水87.7%，其在室溫下對稠油垢、礦物油和拋光蠟的去污力分別為95.4%、90.4%和92.4%，45℃時基本清除全部油污。

（2）所研制的多功能清洗劑僅含有APG0810、FMEE、6501和自來水4種組分，配方和配制工藝簡單、清洗范圍廣、低溫和高溫穩(wěn)定性好，主要原料均為廉價易得的非離子表面活性劑，綠色環(huán)保，為新型多功能水基清洗劑的開發(fā)提供了新的思路。

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Development of green multi-functional water-based metal cleaning agents with high detergency

GU Mengmeng1，CAI Weiquan1，2
（1School of Chemistry，Chemical Engineering and Life Science，Wuhan 430070，Hubei，China；2State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China）

A green multi-functional water-based cleaning agent with simple formulas for removal of thick kitchen grease，mineral oil and polishing wax on metal surfaces was successfully prepared by mixing industrial grade non-ionic surfactants including alkyl polyglucoside（APG0810），fatty acid methyl ester ethoxylates（FMEE），coconut oil fatty acid diethanol amide（6501）and tap water. Effects of 6501 content and cleaning temperature were analyzed based on the influence level of the formula compositions on the detergency performance of the cleaning agent using an orthogonal experiment with 3 factors and 4 levels. Comprehensive cleaning performance of the cleaning agent under the condition of the best formula compositions was also studied. The results showed that the influence level of the cleaning agent on the detergency of the cleaning agent from greatest influence to least was as follows：6501，APG0810 and FMEE；in addition，it has better formula compositions of APG0810 2.6%，F(xiàn)MEE 5.2%，6501 4.5% and water 87.7%. The developed cleaning agent is good in high temperature stability and low temperature stability simultaneously； its detergency towards kitchen thick grease，mineral oil and polishing wax on metal surfaces at 25℃ are 95.4%，90.4% and 92.4%，respectively，and it can almost completely remove the three kinds of residues at 45℃.

nonionic surfactant；multi-functional water-based cleaning agent；heavy oil foulant；foulant mineral oil；polishing wax

TQ 649

A

1000-6613（2016）10-3301-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.040

2016-02-22；修改稿日期：2016-05-11。

古蒙蒙（1990—），女，碩士研究生。聯(lián)系人：蔡衛(wèi)權(quán)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail caiwq@whut.edu.cn。