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水基光學(xué)玻璃清洗劑的研究及配方技術(shù)開發(fā)
張浩 胡磊
摘要：本文論述了一種新型的水基光學(xué)玻璃清洗劑的研制過程，成功解決光學(xué)玻璃清洗劑中低泡、環(huán)保、清洗效率等問題，該類清洗劑清洗完后在玻璃表面殘留極少，不會(huì)影響玻璃的進(jìn)一步加工。
Abstract: In this paper, a novel water based detergent for optical glass was developed. Low foaming surfactants were used and all materials are environmentally friendly. This detergent shows excellent cleaning efficiency and few residues can be detected after using this detergent which will not affect the next process.
關(guān)鍵詞：水基清洗劑；光學(xué)玻璃；低泡；環(huán)保
Key words: water based detergent; optical glass; low foam; environmentally friendly
1 前言
光學(xué)玻璃是現(xiàn)代光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著光學(xué)與電子信息科學(xué)及新材料的不斷交叉融合，作為光電基礎(chǔ)材料的光學(xué)玻璃更是在多方面得到迅速發(fā)展[1]。光學(xué)玻璃在生產(chǎn)工藝流程中，需要大量的清洗環(huán)節(jié)，特別要求清洗干凈無殘留，不損傷基材表面。傳統(tǒng)的清洗劑一般為有機(jī)溶劑型，其在清洗玻璃表面的切削液、研磨粉、油污、手指印等的過程中，難免會(huì)有大量的溶劑揮發(fā)，其常用的有機(jī)溶劑為鹵代烴溶劑，芳香烴溶劑等。該類有機(jī)溶劑吸入人體后不僅對(duì)操作人員的健康不利，還對(duì)工廠存在較大的消防安全隱患。因此，以水為溶劑的水基型清洗劑應(yīng)運(yùn)而生，憑借其環(huán)保、成本低，得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。但使用這些水基型清洗劑普遍存在清洗效果不佳，清洗劑殘留量大，進(jìn)而影響下一步鍍膜的附著力。本文通過大量實(shí)驗(yàn)研究，得到一種清洗效果好、效率高、熱穩(wěn)定性好、殘留物極少的安全環(huán)保光學(xué)玻璃清洗劑。
禾川化學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)具有豐富的分析研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過多年的技術(shù)積累，可以運(yùn)用尖端的科學(xué)儀器、完善的標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫(kù)、強(qiáng)大原材料庫(kù)，徹底解決眾多化工企業(yè)生產(chǎn)研發(fā)過程中遇到的難題，利用其八大服務(wù)優(yōu)勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品性能改進(jìn)及新產(chǎn)品研發(fā)。
樣品分析檢測(cè)流程：樣品確認(rèn)—物理表征前處理—大型儀器分析—工程師解譜—分析結(jié)果驗(yàn)證—后續(xù)技術(shù)服務(wù)。有任何配方技術(shù)難題，可即刻聯(lián)系禾川化學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，我們將為企業(yè)提供一站式配方技術(shù)解決方案！
2 實(shí)驗(yàn)
2.1實(shí)驗(yàn)器材及藥品
器材：恒溫磁力攪拌器，分析天平，光學(xué)玻璃片
藥品：氫氧化鉀（化學(xué)級(jí)），碳酸鈉（化學(xué)級(jí)），硅酸鈉（化學(xué)級(jí)），三乙醇胺（工業(yè)級(jí)），EDTA-2Na（化學(xué)級(jí)），葡萄糖酸鈉（化學(xué)級(jí)），非離子表面活性劑A、B、C，增溶劑。
2.2工藝條件
恒溫55-60℃，光學(xué)清洗劑與水1:8比例稀釋作為工作液。
2.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
選取光學(xué)玻璃試樣：尺寸為30mm*90mm，厚度為2mm，將光學(xué)玻璃試樣用丙酮清洗后烘干干燥，冷卻干至室溫稱量，記錄重量后備用。將各類混合油污及粉塵均勻涂抹在試片表面，稱重記錄備用。將配置的工作液放入燒杯中，在恒溫磁力攪拌器攪拌，模擬流動(dòng)液體，清洗備好的光學(xué)玻璃試樣，約2-3min。洗凈的樣片用純水漂洗兩遍，烘干干燥，冷卻干至室溫稱量，記錄重量后備用。
2.4清洗能力判定
a．肉眼觀察樣片表面清洗狀況
b．水滴在樣片表面鋪展?fàn)顩r
c．重量法[2]來對(duì)清洗液去污能力進(jìn)行評(píng)定，公式如下：
去污力=（A1-A2）/(A1-A) *100%
式中 A1 清洗前玻片質(zhì)量，A2 清洗后玻片質(zhì)量，A 干凈玻片質(zhì)量。
3 結(jié)果與討論
3.1溫度對(duì)清洗能力的影響
通常我們認(rèn)為堿性清洗劑的清洗機(jī)理是通過以下三個(gè)步驟進(jìn)行：a）樣片表面的油脂與清洗劑中的堿性物質(zhì)進(jìn)行皂化反應(yīng)，將油脂轉(zhuǎn)化為易乳化的皂；b）乳化劑對(duì)樣片表面的皂進(jìn)行浸潤(rùn)，滲透到皂層內(nèi)部；c）乳化劑對(duì)皂進(jìn)行乳化，包裹形成水包油的體系，將油脂分散脫離樣片表面，進(jìn)入溶液，從而達(dá)到較好的清洗的效果[3]。在水溶液中，當(dāng)溫度升高時(shí)，有利于皂化反應(yīng)；乳化劑對(duì)皂的浸潤(rùn)滲透也會(huì)隨著溫度的升高而增強(qiáng)，從而更好的去除玻璃樣片表面的油脂。但體系中的非離子表面活性劑賦予了清洗劑“濁點(diǎn)”的特性，這類非離子表面活性劑溶于水時(shí)靠氫鍵來使整個(gè)分子溶解，當(dāng)體系溫度升高時(shí)，氫鍵斷裂，非離子表面活性劑產(chǎn)生脫水現(xiàn)象，溶解度降低，從溶液中析出，變渾濁，使清洗劑去污能力大大下降；非離子表面活性劑由于其含有親油的一端，析出后還可能附著在樣片表面，形成新的污垢。所以在保證清洗劑穩(wěn)定的前提下，隨溫度的升高，其清洗能力及效果會(huì)大大提升。我們以光學(xué)清洗劑與水1:8比例稀釋液作為工作液，在光學(xué)玻璃表面進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。
圖1 溫度對(duì)清洗劑去污能力影響
由圖1可知，在10-60℃范圍內(nèi)，樣片殘留的污漬逐漸變少，到40℃時(shí)，樣片表面基本清洗干凈，去污率達(dá)到90%，水滴在樣片表面沒有明顯收縮現(xiàn)象。同時(shí)隨著溫度的升高清洗劑的去污率先快速增大，后增大變緩；在60-70℃達(dá)到去污效果最佳，水滴在樣片表面完全鋪展，無收縮；75℃后，隨溫度升高，其去污率快速減少，樣片表面出現(xiàn)小白點(diǎn)，這是由于在此溫度下非離子表面活性劑達(dá)到濁點(diǎn)，從溶液中析出，其乳化清洗能力喪失。因此該款清洗劑的使用溫度應(yīng)控制在55-70℃為宜。
3.2清洗劑濃度對(duì)清洗能力的影響
圖2 不同濃度對(duì)清洗劑去污能力影響
在60℃下，我們測(cè)試了該清洗劑在不同濃度下去污效果（圖2）。由圖2可以看出，清洗劑濃度越高，清洗效果越好。在稀釋1-10倍范圍內(nèi)，其去污率隨著倍數(shù)增大，緩慢減小，但基本變化不大；10倍以后，其去污率基本隨稀釋倍數(shù)增加呈直線下降。為了降低成本，在保證優(yōu)異的去污能力的同時(shí)，最大限度的稀釋清洗劑，因此，優(yōu)化出其稀釋倍數(shù)在8-10倍范圍內(nèi)為宜。
3.3清洗劑成份對(duì)清洗能力的影響
玻璃清洗劑成份也是影響去污能力的重要因素。本文所配置玻璃清洗劑有三種主要組成部分：堿性物質(zhì)，螯合劑，表面活性劑。下面就對(duì)這三種主要成分的作用及其對(duì)清洗能力的影響分別闡述。實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件為55-70℃清洗。
3.3.1堿性物質(zhì)
本文所用堿性物質(zhì)包括無機(jī)堿和有機(jī)堿，無機(jī)堿為氫氧化鉀、碳酸鈉、硅酸鈉，有機(jī)堿為三乙醇胺。
氫氧化鉀是強(qiáng)堿，具有強(qiáng)的皂化能力，與油污進(jìn)行皂化，得到可溶性的皂。一般其添加量越多，去污能力越強(qiáng)，但光學(xué)玻璃材料一般含有堿金屬和堿土金屬（R）氧化物進(jìn)入玻璃硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，而R-O連接鍵強(qiáng)度較Si-O鍵弱的多[4]，因此，其易被強(qiáng)堿性溶液損傷表面。所以氫氧化鉀的用量不宜過多，本文用量在30-50g/L范圍內(nèi)。
碳酸鈉的水溶液呈弱堿性，不能起到皂化作用，但可以對(duì)油污進(jìn)行潤(rùn)濕和分散，還可以穩(wěn)定清洗劑的酸堿值，防止清洗劑因皂化作用對(duì)強(qiáng)堿的消耗，而發(fā)生酸堿值的快速變化，造成清洗效果不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
硅酸鈉在水中可水解形成游離堿和硅酸，游離堿具有潤(rùn)濕性，可滲透到油污內(nèi)部，將油污皂化到溶液中；形成的硅酸可以對(duì)強(qiáng)堿有緩沖作用，和碳酸鈉配合使用，不但能促進(jìn)清洗效果，還可保護(hù)玻璃不受損傷。
三乙醇胺作為輔助強(qiáng)堿皂化油污使用。其不僅可以與油污進(jìn)行皂化，還可以充當(dāng)表面活性劑使用，具有乳化、分散、潤(rùn)濕、滲透的作用。還能附在玻璃表面保護(hù)基材不受損傷；在堿性環(huán)境下，與水中的金屬離子進(jìn)行螯合，防止沉淀產(chǎn)生。
3.3.2螯合劑
本文采用的螯合劑為綠色環(huán)保的葡萄糖酸鈉和乙二胺四乙酸二鈉，因其具有多個(gè)配位基團(tuán)，對(duì)水中金屬離子具有很強(qiáng)的絡(luò)合作用，可以防止金屬離子與形成的皂形成不溶性的沉淀，附在玻璃表面，影響清洗效果。此二者本身沒有清洗能力，但可以增強(qiáng)清洗劑抵抗外部干擾的能力，是常用的清洗助劑。
3.3.3非離子表面活性劑
表面活性劑的主要作用是降低表面張力、乳化、分散污垢，從而提高清洗效果。本文通過大量測(cè)試試驗(yàn)，篩選出水溶性好、乳化清洗效果好、濁點(diǎn)高、低泡的非離子表面活性劑A、B、C。其中A主要賦予了清洗劑清洗效果好，濁點(diǎn)高的特性，B和C主要賦予了清洗劑低泡，易漂洗的特性。試驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)這3種非離子表面活性劑的配比進(jìn)行優(yōu)化，最終確定A 70 g/L， B 30 g/L， C 20 g/L，此時(shí)清洗劑去污能力高，低泡易漂洗，濁點(diǎn)高熱穩(wěn)定性好。
4 結(jié)論
通過研究，我們配置出來的光學(xué)玻璃清洗劑配方組成為：氫氧化鉀40g/L，碳酸鈉10 g/L，硅酸鈉20 g/L，三乙醇胺12 g/L，乙二胺四乙酸二鈉鹽15 g/L，葡萄糖酸鈉20 g/L，非離子表面活性劑A 70 g/L，非離子表面活性劑B30 g/L，非離子表面活性劑C 20 g/L，增溶劑5 g/L，余量為純水。在55-70℃溫度下，按與水1:8比例稀釋，在一定機(jī)械外力作用下（超聲波，攪拌等），其去污率達(dá)到99.5%以上，且不損傷玻片，低泡易漂洗，環(huán)保高，成本低。
通過對(duì)化工產(chǎn)品的配方分析還原，有利于企業(yè)了解現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)知己知彼；有利于在現(xiàn)有產(chǎn)品上進(jìn)行自主創(chuàng)新，獲得知識(shí)產(chǎn)權(quán)；有利于在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過對(duì)化工產(chǎn)品的配方改進(jìn)，配方研發(fā)，可以加快企業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此，對(duì)于化工產(chǎn)品的分析、研發(fā)已變得刻不容緩！
參考文獻(xiàn)
[1] 專利：肖海燕. 一種光學(xué)玻璃清洗劑.申請(qǐng)?zhí)枺?01410831076.9
[2] 吳超，吳桂湘，李孜軍，周勃.玻璃表面粘塵與清潔試驗(yàn)研究[J]《清洗世界》2006，22（10）：1-9
[3] 胡磊，景欣欣.金屬表面處理中高堿低泡噴淋清洗劑[J]《工業(yè)與公共設(shè)施清潔》2015（7）：41-45
[4] 朱發(fā)松.光學(xué)玻璃元件水基清洗劑的實(shí)驗(yàn)與研究[J]《洗凈技術(shù)》2003（5）：20-23
