水基橡膠模具清洗劑的研發(fā)與配方優(yōu)化

劉明東

(上海喜赫精細(xì)化工有限公司，上海 201620)

0 引 言

橡膠制品在生產(chǎn)過程中，需要用到模具定型，模具在重復(fù)使用過程中會受到脫模劑、原料橡膠以及其他添加劑的污染,特別是高溫加熱的過程中,各種污染物會緊貼在金屬模具的表面，污染物積聚較多會嚴(yán)重影響橡膠成品尺寸的精準(zhǔn)度，導(dǎo)致成品表面出現(xiàn)凹凸不平，產(chǎn)生麻點(diǎn)、凹穴等缺陷[1]。

污染物在模具附著后會嚴(yán)重影響后續(xù)生產(chǎn)加工，需要對模具定期進(jìn)行清洗。模具表面的主要污染物是熔化的原料橡膠、殘留的脫模劑，主要成分包括氨基硅油、蠟、礦物油等[2]。為了獲得一種水基模具清洗劑，以對礦物油脂和蠟去除能力較強(qiáng)的脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)、羧乙基硫代丁二酸(CETSA)、200#溶劑油、伯烷基磺酸鈉PAS-80為主要成分，并復(fù)配對橡膠溶解力較強(qiáng)的溶劑，最終獲得性能優(yōu)異的水基橡膠模具清洗劑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

試劑與材料：環(huán)氧丙烷封端脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚FMEE； CETSA；伯烷基磺酸鈉PAS-80；脂肪酸甲酯二丙酸鈉M400，工業(yè)級，上海喜赫精細(xì)化工有限公司；200#溶劑油，工業(yè)級，鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司；丙酮、環(huán)己酮、乙酸丁酯、吡咯烷酮、N，N二甲基乙酰胺，分析級，上海清奈實(shí)業(yè)有限公司；304不銹鋼片，規(guī)格180 mm×200 mm×55 mm，昆山創(chuàng)興五金制品有限公司。

儀器：RHBX型金屬擺洗機(jī)，東莞市精工儀器有限公司；ED-400型電熱恒溫干燥箱，連云港鴻科電器制造有限公司；EX202型電子天平，廈門萊斯德實(shí)驗(yàn)室儀器有限公司。

1.2 模擬模具的清洗實(shí)驗(yàn)

1.2.1 污垢試片的制備

將不銹鋼試片在石油醚中浸泡2 h，取出后用酒精擦洗干凈，吹風(fēng)機(jī)吹干后準(zhǔn)確稱量不銹鋼試片的質(zhì)量m0，稱取約1 g氨基硅油、潤滑油、石蠟，均勻涂抹于不銹鋼試片，干燥箱160 ℃烘干30 min，取出不銹鋼試片室溫濕平衡24 h后準(zhǔn)確稱量質(zhì)量，記為m1。

1.2.2 污垢試片的清洗

將自制沾有不同類型污垢的不銹鋼試片懸掛浸入溫度為90 ℃的清洗工作液中，擺動20次。將清洗后的不銹鋼試片晾干后稱量質(zhì)量，記為m2，并計(jì)算污垢清洗率

W0=[1-(m2-m0)/(m1-m0)]×100%。

(1)

1.2.3 橡膠溶解率

準(zhǔn)確稱量輪胎橡膠質(zhì)量，記為m3,，放入溶劑中室溫靜置6 h后，取出橡膠，熱風(fēng)烘干后，準(zhǔn)確稱量質(zhì)量，記為m4，計(jì)算橡膠溶解率

WR=[1-(m3-m4)/m3]×100%。

(2)

1.2.4 模具清洗

使用沾有各種污垢的模具，清水沖洗后烘干，準(zhǔn)確稱量質(zhì)量，記為m5,，放入模具清洗劑的工作液中，溫度保持90 ℃，超聲波浸泡20 min后，清水沖洗干凈，熱風(fēng)烘干后準(zhǔn)確稱量質(zhì)量，記為m6，計(jì)算模具的清洗率

W=[1-(m5-m6)/m5]×100%。

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

橡膠模具殘留的污垢大部分是脫模劑，主要成分為氨基硅油、石蠟和礦物油，降溫后粘附在模具表面，形成老化的氧化膜，難以清洗。另外在脫模過程中，一些橡膠也會在高溫硫化與定型過程粘附在模具表面[3]。FMEE對氨基硅油有較強(qiáng)的降黏與乳化作用，F(xiàn)MEE具有多個(gè)親油基團(tuán)，HLB值為12.5，有利于降低硅油的界面能，將硅油乳化為親水的水包油乳液，從而使硅油更容易脫離模具表面[4]。CETSA具有硫基，有類似于二硫化碳的結(jié)構(gòu)，極性與帶支鏈的長鏈烷烴相似，對石蠟軟化效果明顯，溶蠟速率快，對蠟去除效果理想[5]。200#溶劑油沸點(diǎn)高，使用安全，主要成分是類似于礦物油的芳烴和環(huán)烷烴，不僅在低溫條件下對礦物油清洗性能好，對橡膠、樹脂也有很好的溶解作用[6]。伯烷基磺酸鈉PAS分子質(zhì)量小、滲透力強(qiáng)，可以滲透入污垢與模具的表面，降低其表面張力，減弱污垢與模具表面的結(jié)合力，對于溝槽角落、縫隙處污垢去除效果明顯。選擇以FMEE、 CETSA、 200#溶劑油、伯烷基磺酸鈉PAS-80為模具清洗劑的主要成分，確定了正交實(shí)驗(yàn)因素水平如表1，按照1.2.2清洗實(shí)驗(yàn)測試不同組合的清洗效果，各因素的極差分析見表2， 3。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 正交實(shí)驗(yàn)極差分析

2.2 各因素對硅油清洗率的影響

由表3可知，對硅油清洗率的影響因素排序?yàn)镕MEE>CETSA>伯烷基磺酸鈉>200#溶劑油。硅油具有較高的表面活性，對金屬表面的吸附力較強(qiáng)，并具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此模具表面殘留的硅油難以清除。一般具有較強(qiáng)分散力的表面活性劑對硅油有明顯的剝離和清洗效果。FMEE分子結(jié)構(gòu)中，具有交互存在的環(huán)氧丙烷與環(huán)氧乙烷結(jié)構(gòu)，形成立體的空間結(jié)構(gòu)，從而提高了FMEE的分散性能，分散性能優(yōu)異的FMEE對硅油的清洗力度最大[7]。CETSA具有較強(qiáng)的乳化作用，有利于硅油的乳化，可以將模具表面剝離下來的硅油乳化在工作液中，因此對硅油的清洗效果也較明顯。伯烷基磺酸鈉和200#溶劑油分散和乳化力都較弱，對硅油的清洗效果不明顯。

2.3 各因素對礦物油清洗率的影響

由表3可知，對礦物油清洗率的影響因素排序?yàn)?00#溶劑油>CETSA>FMEE>伯烷基磺酸鈉。一般脫模劑用到的礦物油主要成分是沸點(diǎn)高、黏度低的直鏈烷烴。在高溫加工過程中，容易發(fā)生熱氧化，在模具表面形成堅(jiān)硬的固化膜。200#溶劑油是原油在160 ℃蒸餾出的產(chǎn)物，沸點(diǎn)高，與礦物油結(jié)構(gòu)類似，根據(jù)相似相容的機(jī)理，200#溶劑油可以高效溶解被氧化的礦物油，因此對礦物油的清洗力度最大。CETSA乳化力好于FMEE與伯烷基磺酸鈉，可以沿著礦物油膜表面的裂縫進(jìn)入油膜與模具的結(jié)合面，通過乳化降低礦物油在模具表面的附著力[8]，對礦物油的清洗力度也較大。FMEE和伯烷基磺酸鈉對礦物油的清洗力度較小。

2.4 各因素對去石蠟清洗率的影響

由表3可知，對石蠟清洗率的影響因素排序?yàn)镃ETSA>FMEE>伯烷基磺酸鈉>200#溶劑油。石蠟價(jià)格低廉，高溫條件下化學(xué)穩(wěn)定性高，在硬表面容易成膜，覆蓋性高，適用于橡膠模具定型后脫模使用，但是石蠟類脫模劑難以清洗，特別是形成的蠟斑很難清洗徹底。CETSA是專門用于乳化石蠟的乳化劑，在清洗過程中可以軟化蠟斑，將蠟垢乳化為水包油(O/W)型分散體系的乳液，易于脫離模具表面[9]。FMEE具有十八碳的脂肪酸結(jié)構(gòu)，極性強(qiáng)，在工作液中與蠟分子形成空間阻礙，防止蠟分子相互聚集，使蠟質(zhì)更均勻地分散在清洗工作液中[10]。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)各因素對硅油、礦物油、石蠟清洗的影響因素，并參考對硅油、礦物油、石蠟清洗效果較好的8號和9號實(shí)驗(yàn)，將FMEE、 CETSA、 200#溶劑油、伯烷基磺酸鈉PAS-80 4種原料的質(zhì)量濃度分別為6， 5， 3， 4 g·L-1作為模具清洗劑的最佳配比。

2.5 溶劑對橡膠的溶解速率

橡膠在模具硫化定型過程中，會有少量的原料橡膠粘附在模具表面，為了更有效地清洗粘附在模具表面的橡膠，按照實(shí)驗(yàn)1.2.3，篩選出溶解橡膠效果較好的溶劑并應(yīng)用于模具清洗，進(jìn)一步提高模具的清洗效果。幾種不同類型的溶劑溶解橡膠的效果見表4。

表4 不同溶劑溶解橡膠的速率

通過表4可知，酮類溶劑對橡膠溶解效果最好，丙酮6 h橡膠溶解率為56.27%，考慮到模具在高溫條件下清洗效率會更高，為了適應(yīng)高溫清洗模具的工藝，最終選擇以沸點(diǎn)較高的環(huán)已酮作為模具清洗劑的溶劑組分。

2.6 環(huán)己酮的用量對模具清洗效果的影響

將FMEE、 CETSA、 200#溶劑油、伯烷基磺酸鈉PAS-8 4種原料分別以6， 5， 3， 4 g/L-1的質(zhì)量濃度配制成模具清洗工作液，添加不同質(zhì)量的環(huán)己酮，按照1.2.4試樣方法，測試模具的清洗效果，分析環(huán)已酮的質(zhì)量濃度對清洗效果的影響。

由圖1可知，隨著環(huán)己酮質(zhì)量濃度增加，清洗率相應(yīng)提高，當(dāng)環(huán)已酮質(zhì)量濃度超過3 g·L-1，清洗率提升不明顯，最終確定環(huán)已酮的最佳質(zhì)量濃度為3 g·L-1,根據(jù)幾種原料在工作液中的質(zhì)量濃度，確定了橡膠模具清洗劑的配方，并且為了適用于強(qiáng)堿性的清洗工藝，通過復(fù)配耐堿提升劑脂肪酸甲酯二丙酸鈉，提高了清洗劑的耐堿性，清洗劑配方見表5。

圖1 環(huán)已酮的質(zhì)量濃度對清洗率的影響

表5 模具清洗劑配方

2.7 模具清洗劑的應(yīng)用

將模具清洗劑在蘇州昆山汽車零部件公司進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，該公司年產(chǎn)汽車用減震器防塵罩400萬件，模具為不銹鋼材質(zhì)，模具內(nèi)部有大量圓環(huán)形凹槽，主要污垢為廢機(jī)油、灰塵、脫模液、橡膠硫化物等。模具清洗設(shè)備為超聲波清洗機(jī)，總共水洗8槽，第1、 2槽用二氯甲烷清洗，第3槽用清洗劑堿洗，清洗槽體積0.8 m3，清洗劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，溫度保持80 ℃，每隔4 h補(bǔ)充2 kg清洗劑與5 kg片堿。清洗后的模具各個(gè)角落無可見殘留物，光亮如新，符合車間生產(chǎn)的要求。

3 結(jié) 論

通過正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)FMEE對硅油的清洗效果最明顯，CETSA對石蠟有很好的軟化與清洗作用，200#溶劑油對礦物油的清洗效果較好。酮類結(jié)構(gòu)的溶劑對橡膠溶解速率快，其中丙酮效果最好，其次是丁酮和環(huán)已酮，環(huán)己酮沸點(diǎn)高，為155 ℃，適用于模具的高溫清洗。最終確定的橡膠模具清洗劑配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為脂肪酸甲酯乙氧基化物FMEE 6%、羧乙基硫代丁二酸CETSA 5%、 200#溶劑油3%、伯烷基磺酸鈉PAS-80 4%、環(huán)已酮3%、脂肪酸甲酯二丙酸鈉 6%、偏硅酸鈉3%、氫氧化鈉3%、三乙醇胺1%、六亞甲基四胺1%、殺菌劑0.5%、純水62.5%。