金属清洗剂研制方法

金属清洗剂的研制是一项系统而复杂的工程，涉及清洗对象定位、配方设计、性能测定与市场推广等多个环节。无论是研究部门的实验室，还是企业的实验室，开发研制金属清洗剂一般都遵循一套完整的工作步骤。一个合格的清洗剂产品，既要具备优异的清洗能力，又要兼顾防锈防腐、环保低泡等要求，还须在性能与成本之间取得平衡。本文以水剂型金属油污清洗剂为例，从研制流程、特性要求与组分考量、清洗效果测定方法以及配方筛选四个方面，系统梳理金属清洗剂的研制方法，为相关产品的开发与优化提供参考。

一、研制流程的系统性

金属清洗剂的研制遵循“规划—构建—优化—完善”的完整链条，每个环节环环相扣、缺一不可。

（一）基础规划环节

明确清洗对象、要求和剂型是研制的开端。这一环节如同建筑的蓝图规划，需要确定是除锈还是除油等要求，为后续工作设定方向。例如在金属加工中，针对不同的金属制品和污垢类型，这一初始决策将引导整个研制方向。

资料查找与市场调查是避免重复劳动、精准定位产品的关键。通过查找相关技术资料和专利，了解现有技术发展水平；同时开展市场调查，掌握市场对金属清洗剂在性能、价格、环保等方面的需求，从而为产品研发提供依据，确保研发出的产品具有市场竞争力。

（二）核心环节的构建

清洗工艺与评价方法的确定是研制的核心环节。建立适合的实验室性能评价方法，如净洗力、腐蚀性、防锈性等指标的测定方法，能够准确衡量清洗剂的性能。这就像为产品建立了精确的检测标准，只有依据这一标准，才能筛选出合格的配方。

基本组成确定与剖析是配方构建的重要参考。确定清洗剂的基本组成成分，必要时剖析同类样品，可以明确需要哪些主要成分，例如表面活性剂、碱和碱性盐、防锈缓蚀剂等成分的必要性，为初步构建配方奠定基础。

（三）配方优化与验证

配方筛选与基础配方建立涉及多种成分的复杂选择和比例确定。在众多的表面活性剂、碱和碱性盐等成分中进行筛选与比例调配，通过大量试验找到一个初步可行的基础配方。这是一个反复试验和调整的过程，需要综合考虑各种成分之间的相互作用和影响。

现场应用试验与验证是从实验室走向实际应用的桥梁。在实际使用场景中对基础配方进行测试，能够发现实验室环境下难以暴露的问题和不足。例如在实际的金属加工车间，不同的金属材质、污垢程度、清洗设备等情况都会影响清洗剂的效果。

配方改进与定型要兼顾性能与价格。根据现场应用试验的结果对配方进行改进，使产品在性能上达到最佳状态的同时考虑成本因素，以确保产品在市场上具有竞争力。例如，如果一种成分能够提高性能但成本过高，就需要寻找性价比更高的替代品。

（四）产品完善与市场准入

性能指标测定与使用条件试验为用户提供准确的使用指南。测定产品的性能指标，如PH值、高低温稳定性等，并确定不同使用条件下的注意事项，如最佳使用温度、清洗时间等，有助于用户正确使用产品，提高产品的使用效果与寿命。

现场应用放大试验进一步验证产品的可行性和稳定性。在更大规模的实际应用场景中测试产品，确保产品在大规模生产和使用过程中不会出现问题。

企业标准起草规范了产品的生产和质量控制。通过制定企业标准，明确产品的质量要求、生产工艺、检验方法等，确保产品质量稳定可靠，也为企业的生产管理提供依据。

推广应用与技术服务是产品进入市场的关键步骤。通过产品推广、试销和技术服务，让用户了解和接受产品，及时解决使用过程中遇到的问题，从而提高产品的口碑与市场占有率。

新产品鉴定与销售标志着产品研制的最终完成。经过严格的鉴定，产品达到销售条件，正式进入市场，实现从研发到市场的转化。

二、水剂型金属清洗剂的特性要求与组分考量

（一）特性要求的全面性

在金属加工过程中，清洗对象主要分为除锈和除油两类，其中清洗金属表面油污的清洗剂又可分为三类：第一类为溶剂型清洗剂，主要成分是汽油、煤油或卤代烃等有机溶剂；第二类是水基清洗剂，主要由表面活性剂、助剂等组成；第三类是复合型清洗剂，主要由表面活性剂、有机溶剂、助剂等复配而成。通常所指的金属清洗剂即为水基金属清洗剂。合格的水剂型金属清洗剂一般需满足以下要求。

良好的表面活性是金属清洗剂实现有效清洗的基础。具备润湿、增溶和乳化等能力，去油能力强，能够使清洗剂更好地与油污接触并将其去除，清洗后的工件表面无可见油膜或油斑。

对金属无腐蚀且保持光泽是保护金属制品的重要要求。清洗过程中，清洗剂不能对金属造成损害，清洗后的金属表面应保持原有光泽。这一点对于精密仪器、装饰品等外观要求较高的金属制品尤为重要。

一定的防锈能力可防止金属生锈。清洗后，金属或工件在加工过程中的供需传递环节不会出现锈斑，无需额外的防锈处理，既方便了生产流程，又降低了生产成本。

良好的工艺性能使清洗操作便捷高效。操作简便、使用温度较低、易水洗干净、不污染环境、三废处理方便等特点，符合现代工业对环保和高效生产的要求。

（二）组分考量的科学性

表面活性剂。由于清洗对象主要是污垢，所选表面活性剂应含有与油污分子结构相似的憎水基团。油污主要成分一般为矿物油和动植物油，所以用于金属清洗剂的表面活性剂通常为脂肪族衍生物或带有脂肪烃的芳香族衍生物，其HLB值一般选在8至16之间。配制金属清洗剂的原料众多，一般选用对油污有较强润湿、增溶和乳化能力的表面活性剂。综合资源和成本等因素，可选用油酸三乙醇胺、烷基磷酸酯、酚醚或醇醚磷酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚等。与大多数洗涤剂一样，配方中使用单一表面活性剂的效果不如多种表面活性剂复配的效果好，所以金属清洗剂中通常含有两种以上的表面活性剂。

碱和碱性盐。碱和碱性盐也是一种清洗剂，广泛应用于金属清洗，也可作为助剂加入表面活性剂中使用。它们对清洗动植物油脂、脂肪酸类污垢和亲水性污垢效果显著，甚至能与油脂、脂肪酸类污垢反应生成具有表面活性的肥皂。单独使用碱时去污能力有限，加入表面活性剂后可提高清洗能力。碱和碱性盐对某些金属有腐蚀作用，因此在清洗质量要求较高的金属件时不能选用碱性清洗剂。常用的碱和碱性盐有苛性钠、碳酸钠、碳酸氢钠、正硅酸钠、偏硅酸钠、正磷酸钠、焦磷酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠等。碱与各类碱性盐的性能见表1。

表1注：+号表示该项能力的高低，+越多表示能力越强；-表示该项能力弱或无。

防锈缓蚀剂。金属清洗剂中应含有一定量的防锈缓蚀剂，以满足清洗时对金属表面无腐蚀、无损伤，清洗后使金属表面洁净光亮且有一定缓蚀防锈的要求。水基金属清洗剂中添加的主要是控制腐蚀速度的缓蚀剂，有无机和有机两种。防锈剂是为防止大气腐蚀导致生锈而使用的油性添加剂，用于水基金属清洗剂时，可通过表面活性剂将其分散在水溶液中。无机缓蚀剂有亚硝酸钠、亚硝酸钠和无水碳酸钠、磷酸三钠、磷酸氢二钠、三聚磷酸钠、硅酸钠、重铬酸钾、碳酸铵等；有机缓蚀剂有苯甲酸钠、苯甲酸铵、三乙醇胺、乙醇胺、苯乙醇胺、乌洛托品、尿素、苯并三氮唑等。缓蚀剂复配使用效果更佳，如亚硝酸钠和三乙醇胺、硅酸钠和三聚磷酸钠，都有良好的防锈效果。针对不同的清洗对象，最好通过试验确定。

消泡剂。金属清洗剂在使用时一般要求在低泡或无泡状态下进行清洗。泡沫过多会使机械化清洗或连续化清洗无法进行，尤其是高压喷雾清洗要求使用无泡或低泡清洗剂。因此，金属清洗剂需要加入一定量的消泡剂。常用且具有代表性的消泡剂有聚醚2010、聚醚L61、磷酸三丁酯、有机硅、油酸、油酸钠等。有些消泡剂对金属清洗剂的去油污能力有协同作用，有些则有负面影响，所以在筛选消泡剂品种时，应与确定选用的其他组分合并后进行去油污试验，然后确定配方。

三、清洗效果测定方法的建立

研制金属清洗剂的重要工作是根据自身条件建立对清洗剂组分及配方性能的评价方法，可参考行业标准ZBY43003—1986《通用水基金属净洗剂试验方法》。

（一）金属试片的制备

试片包括钢、铸铁、黄铜、铝、不锈钢等多种，规格和尺寸有规定。以45号钢片为例，尺寸为50mm×50mm×(3～5)mm。将240号砂布铺在平板上，将试片打磨光亮，打磨方向平行于试片长边。打磨后的试片先用脱脂棉擦净，吊挂在S形钩上，浸入无水乙醇中，再用镊子夹脱脂棉擦洗；然后把试片移至丙酮中漂洗，用热风吹干，存放在干燥器内备用。

（二）试液的配制

对于腐蚀性、防锈性、漂洗性和PH值试验所用的试液，用蒸馏水或去离子水按3%配制；对于净洗力、泡沫等试验所用的试液，用250mg/kg硬水按3%配制。

（三）净洗力的测定

净洗力用摆洗机测定，规定摆动频率为（40±2）次/分钟，摆动距离为（50±2）mm。

人造油污的配制。人造油污配方为：石油磺酸钡8%、羊毛脂镁皂3.5%、羊毛脂2%、工业凡士林30%、20号机油34.5%、30号机油12%、钙基脂2%、三氧化二铝8%。制备方法：按配方规定，将工业凡士林、20号机油、30号机油混合加热到20℃左右溶解均匀，加入羊毛脂镁皂、石油磺酸钡、钙基脂和羊毛脂搅拌溶解，控制温度不超过130℃，待全部溶解后停止加热，加入氧化铝粉末搅拌均匀，冷却至室温即可。

人造油污的涂覆。将准备好的钢试片用挂钩挂好，置于40℃左右的烘箱干燥30分钟后，称量至精确到0.2mg。将称量后的试片平放在干净的滤纸上，用小刮刀摄取人造油污，均匀涂覆在试片一面的规定部位，并将试片两侧和底边多余的油污用滤纸擦去，油污涂覆量控制在0.08～0.19g之间。然后将涂好的试片用挂钩挂好，放入40℃烘箱干燥30分钟后取出，用滤纸擦去底边的油污，冷却后称量。

试验程序。在500ml烧杯中倒入400ml净洗剂溶液，将烧杯放置于摆洗机的水浴孔中，使净洗剂溶液温度保持在60℃左右。将涂好的试片夹持在摆洗机的摆架上，使试片表面垂直于摆动方向，在净洗剂溶液中浸泡3分钟，然后开动摆洗机摆洗3分钟。摆洗结束后，连同挂钩取出试片，再在60℃左右、400ml的蒸馏水中摆洗30秒，取下试片放入40℃左右的恒温箱内干燥2小时，冷却至室温后称量，计算净洗力。

净洗力计算。净洗力%=（试片涂覆油污后的质量-清洗后的质量）/（试片涂覆油污后的质量-试片质量）。

结果评定。用三个试片进行平行试验，其中至少两片的数值相差不超过3%，否则应重新试验，取平均值作为测定结果。按标准要求，产品的净洗力应大于或等于90%。

（四）腐蚀性试验

将金属试片浸入一定温度的净洗液中，经过规定时间后，通过金属试片的外观和质量变化来评定净洗剂对金属的腐蚀性。试验时，将盛有400ml试液的搪瓷药物缸放入恒温水浴锅中，使试液恒温在80℃；将试片（连挂钩）置于40℃烘箱中干燥30分钟，冷却后称量，然后吊挂在横放在药物缸口的横梁上，使试片完全浸入试液中（不露底，不露面），每个缸中只放两片相同材质的试片。经过2小时后取出试片，用新煮沸过的冷蒸馏水漂洗（摆洗10次），用丙酮脱水并用热风吹干，检查外观；再将试片（连挂钩）置于40℃左右烘箱中干燥30分钟，冷却后称重，计算质量变化作为腐蚀量，以mg表示。腐蚀量=清洗前-清洗后。

结果评定：0级，表面无锈，无明显变化；1级，表面无锈，轻微变色或失光；2级，表面轻锈，或不均匀变色；3级，表面大面积锈蚀。按标准要求，对45号钢，外观应为0级，腐蚀量应小于或等于2mg。

（五）防锈性试验

将盛有400ml试液的药物缸放入80℃左右的恒温水浴锅中，将准备好的试片放入试液中浸30秒后取出，用滤纸吸去试片下端及孔眼的液体，垂直悬挂于试片架上，将试片连同架子放在40℃烘箱中干燥15分钟后，将试片架移入已预先放在烘箱中恒温至35℃左右、相对湿度90%的湿热器里，放置24小时，温度保持35℃，时间到后取出试片检查外观。评级方法与腐蚀性评定相同。按标准要求，对45号钢，外观为0级。

（六）其他性能试验

泡沫性能试验。泡沫的测定与洗衣粉相同，用罗氏泡沫仪测定。按标准要求，金属清洗剂要求低泡，即在50℃左右，即时泡沫小于等于80mm；5分钟泡沫小于等于20mm。

高低温稳定试验。产品应达到高低温稳定的要求。高温试验：将净洗剂倒入量筒至50ml刻度，加塞后放入60℃恒温水浴中，水面应高于刻度20mm，6小时后取出，待恢复至室温后观察外观变化，应均匀、不分层。低温试验：将经高温试验无变化的试样（如有变化则换新样）放入零下5℃左右的冰箱里保持24小时，取出后自然恢复至室温，观察外观变化，应均匀、不分层、无结晶物沉淀析出。

水分及挥发物的测定。在已恒定重的称量皿中称取净洗剂样品约2克，称准至0.2mg，在105℃左右烘箱内干燥4小时，取出后放在干燥器内冷却至室温，加盖称量。按下式计算水分及挥发物含量百分数：水分及挥发物含量%=样品失重数/样品质量×100%。两个平行试验值之差应小于0.5%，取其平均值为测定结果。按标准要求，液体产品应小于或等于80%，浆状物应小于或等于50%，粉状物应小于或等于30%。

漂洗性能试验。将盛有400ml试液的烧杯放入60℃左右的恒温水浴里，将准备好的试片挂在S形挂钩上，全浸在试液中5分钟，取出后立即用滤纸吸去试片下端及孔眼的液体，垂直悬挂于试片架上，放入40℃左右烘箱中干燥30分钟；取出试片在400ml、60℃左右的蒸馏水中来回摆动10次（往返为1次），摆洗时间不超过10秒，取出后用热风吹干，检查试片外观，同时用两片试片作平行试验。结果评定查看试片表面有无净洗剂残留物。

PH值测定。用PH值计测定3%的试样溶液，一般也可用PH纸测定。按标准要求，对钢、铸铁类用洗涤剂PH值要求大于7；对铜及铜合金、铝及铝合金用洗涤剂则要求PH值在7～11.5之间。

四、金属清洗剂配方的筛选

（一）表面活性剂的复杂特性

各类表面活性剂的清洗效果与被洗物种类、污垢性质以及温度等因素有关。例如，将炭黑和矿物油以质量比1:2组成的污垢涂在钢表面上，在相同条件下，各类表面活性剂的清洗效果顺序为：非离子表面活性剂大于阳离子表面活性剂等于烷基硫酸盐大于肥皂。

选择表面活性剂应注意以下问题：在金属清洗剂中应用较多的是非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂，将两者复合使用能产生较好的协同效应，其乳化、增溶、分散和净洗作用将得到增强。应注意HLB值，综合考虑金属清洗剂卷离和分散污垢的能力，所用表面活性剂的HLB值一般在8～16。多数非离子表面活性剂有浊点，作为金属清洗剂用的表面活性剂其浊点不宜太低，一般应高于清洗剂的使用温度，否则在清洗过程中会出现浑浊，降低其表面活性；但浊点也不必太高，HLB值升高会使表面活性剂憎水基团过弱，不利于油污清洗。在水基金属清洗剂中，表面活性剂的净洗力和防锈性往往相互矛盾、相互抑制：清洗的主要作用是使油污脱离金属表面并防止再沉积，而防锈的机理主要是加强吸附作用，在金属表面形成密集的吸附膜，以隔绝一切腐蚀介质。尽管如此，仍有脂肪酸烷醇酰胺、聚氧乙烯脂肪胺等同时具备去污和防锈两种作用，可用于防锈型金属清洗剂。

软硬水对表面活性剂净洗力有影响：非离子表面活性剂的抗硬水能力强，一般不受水的硬度影响，但水硬度对阴离子表面活性剂净洗力影响很大，例如烷基苯磺酸钠在软水中的净洗力为77.4，在硬水中只有19.4。温度对表面活性剂净洗力也有影响：非离子表面活性剂基本不受温度影响，但温度超过浊点时净洗力会下降；而对阴离子表面活性剂或阴离子与非离子复配的清洗剂，温度都有影响，例如对阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂复配的清洗剂，在蒸馏水中的净洗力，15℃时为32.87，45℃时为77.99，80℃时为88.95，净洗力随温度升高而增加。

（二）碱和碱性盐的性能差异权衡

碱与各类碱性盐的性能各有差异（见表1），选择时要考虑其PH值、洗净、渗透、分散、乳化、冲洗、耐硬水和防腐蚀等能力。表2归纳了不同碱性盐作为助剂所发挥的作用。

在选择碱性盐时，需留意它们的不同特性。例如，碳酸钠在硬水中会生成难溶性的碳酸钙；而碳酸氢钠与钙离子反应会生成可溶性的碳酸氢钙，对硬水具有一定的软化能力。硅酸盐类的耐硬水性能和污垢分散能力都较好，并且有防止污垢再附着的作用；偏硅酸钠对铝、锌和锡等有色金属的腐蚀有抑制作用。聚磷酸盐的碱度较低，能够软化硬水，分散力强，可防止金属腐蚀，也有防止污垢附着的作用，与表面活性剂复配能增加净洗力，是一种优良的助洗剂。

（三）各种表面活性剂的复配

选用表面活性剂AEO-9(伯)、AEO-9（仲）、AEO-7、AES、TX-10、LAS-Na等进行复配试验（见表3）。

由表3可见，凡是复配LAS-Na的净洗力都较差，而且其含量越多净洗力越差；而非离子表面活性剂复配效果很好。

（四）表面活性剂与碱性盐的复配

在含有碱3%、表面活性剂1%、水96%，无表面活性剂时碱为4%、水为96%的情况下，表面活性剂和碱性盐复配均可显著提高净洗力（见表4）。

有些表面活性剂对碱性物质具有选择性，例如LAS-Na配入各种碱性物质后，净洗力都有一定程度的提高，其中配入正硅酸钠时净洗力提高效果最好；有些表面活性剂的选择性并不明显，例如TX-10配入碱性物质后，净洗力都能达到95%以上，提高幅度很大。

（五）防腐缓蚀剂及其他助剂的添加

在钢铁制件清洗剂中，可添加亚硝酸钠、碳酸钠、有机铵类、苯甲酸钠、油酸三乙醇胺、烷基醇酰胺等作为缓蚀剂；铜制件清洗剂中可添加苯并三氮唑及其衍生物作为缓蚀剂；对铝制件清洗剂可采用硅酸钠、硅酸钾等作为缓蚀剂；硅酸盐也是中性水溶液中钢铁制件的廉价缓蚀剂。一种新型表面活性剂阳离子咪唑啉，在金属清洗剂中用作缓蚀剂的效果很好，其本身还有一定的清洗作用。

在金属清洗剂中还应加入消泡剂、增溶剂、稳定剂和其他无机盐等助剂。有时，为了改善产品的外观和质量，还可以在清洗剂中加入少量香精、增白剂、荧光剂、防霉剂和色素。

（六）配方筛选结果

对于研制一种弱碱性水基型金属油污清洗剂，达到清洗率高、腐蚀性低、清洗温度低、无毒、无污染等目的，表面活性剂的筛选和复配非常重要，要确保各种表面活性剂复配后的HLB值在9.0～13的范围。最终确定以脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚等非离子表面活性剂为主，与十二烷基磷酸酯钾盐、十四醇聚氧乙烯醚琥珀酸单酯磺酸盐、AES等阴离子表面活性剂进行复配，利用各种碱性盐助剂的协同作用，选用焦磷酸钾、硼砂等，缓蚀剂选用硅酸钾、苯并三氮唑等。筛选后的配方见表5。

浓缩液可稀释20～30倍，铝及合金则必须配入一定量硅酸盐后再稀释使用。

对以上配方的金属清洗剂，直接用自来水配制3%清洗试液，对其外观、PH值、耐高低温性能进行了检测，结果见表6。

考虑到成本，本配方的最佳使用温度为60℃，清洗时间为2分钟。

结语

综上所述，金属清洗剂的研制是一项多环节协同、多因素权衡的系统工程。从研制流程的系统规划，到水剂型清洗剂特性要求的全面把握与组分的科学考量，再到清洗效果测定方法的精确建立，直至配方筛选的综合平衡，每一步都直接影响最终产品的性能与市场表现。在环保要求日益严格的背景下，金属清洗剂的研制正朝着低毒、低泡、可生物降解、水基化的绿色方向发展。研制人员应立足实际清洗对象与工况，综合运用表面活性剂、碱和碱性盐、防锈缓蚀剂等多种组分的协同作用，建立科学、可重复的评价方法，兼顾性能与成本，才能开发出既有良好清洗效果、又安全环保、具有市场竞争力的金属清洗剂产品。