水基橡胶模具清洗剂的研发与配方优化
时间：2023-02-28 16:20:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘明东
(上海喜赫精细化工有限公司，上海 201620)
橡胶制品在生产过程中，需要用到模具定型，模具在重复使用过程中会受到脱模剂、原料橡胶以及其他添加剂的污染,特别是高温加热的过程中,各种污染物会紧贴在金属模具的表面，污染物积聚较多会严重影响橡胶成品尺寸的精准度，导致成品表面出现凹凸不平，产生麻点、凹穴等缺陷[1]。
污染物在模具附着后会严重影响后续生产加工，需要对模具定期进行清洗。模具表面的主要污染物是熔化的原料橡胶、残留的脱模剂，主要成分包括氨基硅油、蜡、矿物油等[2]。为了获得一种水基模具清洗剂，以对矿物油脂和蜡去除能力较强的脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)、羧乙基硫代丁二酸(CETSA)、200#溶剂油、伯烷基磺酸钠PAS-80为主要成分，并复配对橡胶溶解力较强的溶剂，最终获得性能优异的水基橡胶模具清洗剂。
1.1 主要试剂与仪器
试剂与材料：环氧丙烷封端脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚FMEE；
CETSA；
伯烷基磺酸钠PAS-80；
脂肪酸甲酯二丙酸钠M400，工业级，上海喜赫精细化工有限公司；
200#溶剂油，工业级，镇海石化工程股份有限公司；
丙酮、环己酮、乙酸丁酯、吡咯烷酮、N，N二甲基乙酰胺，分析级，上海清奈实业有限公司；
304不锈钢片，规格180 mm×200 mm×55 mm，昆山创兴五金制品有限公司。
仪器：RHBX型金属摆洗机，东莞市精工仪器有限公司；
ED-400型电热恒温干燥箱，连云港鸿科电器制造有限公司；
EX202型电子天平，厦门莱斯德实验室仪器有限公司。
1.2 模拟模具的清洗实验
1.2.1 污垢试片的制备
将不锈钢试片在石油醚中浸泡2 h，取出后用酒精擦洗干净，吹风机吹干后准确称量不锈钢试片的质量m0，称取约1 g氨基硅油、润滑油、石蜡，均匀涂抹于不锈钢试片，干燥箱160 ℃烘干30 min，取出不锈钢试片室温湿平衡24 h后准确称量质量，记为m1。
1.2.2 污垢试片的清洗
将自制沾有不同类型污垢的不锈钢试片悬挂浸入温度为90 ℃的清洗工作液中，摆动20次。将清洗后的不锈钢试片晾干后称量质量，记为m2，并计算污垢清洗率
W0=[1-(m2-m0)/(m1-m0)]×100%。
(1)
1.2.3 橡胶溶解率
准确称量轮胎橡胶质量，记为m3,，放入溶剂中室温静置6 h后，取出橡胶，热风烘干后，准确称量质量，记为m4，计算橡胶溶解率
WR=[1-(m3-m4)/m3]×100%。
(2)
1.2.4 模具清洗
使用沾有各种污垢的模具，清水冲洗后烘干，准确称量质量，记为m5,，放入模具清洗剂的工作液中，温度保持90 ℃，超声波浸泡20 min后，清水冲洗干净，热风烘干后准确称量质量，记为m6，计算模具的清洗率
W=[1-(m5-m6)/m5]×100%。
(3)
2.1 正交实验的设计
橡胶模具残留的污垢大部分是脱模剂，主要成分为氨基硅油、石蜡和矿物油，降温后粘附在模具表面，形成老化的氧化膜，难以清洗。另外在脱模过程中，一些橡胶也会在高温硫化与定型过程粘附在模具表面[3]。FMEE对氨基硅油有较强的降黏与乳化作用，FMEE具有多个亲油基团，HLB值为12.5，有利于降低硅油的界面能，将硅油乳化为亲水的水包油乳液，从而使硅油更容易脱离模具表面[4]。CETSA具有硫基，有类似于二硫化碳的结构，极性与带支链的长链烷烃相似，对石蜡软化效果明显，溶蜡速率快，对蜡去除效果理想[5]。200#溶剂油沸点高，使用安全，主要成分是类似于矿物油的芳烃和环烷烃，不仅在低温条件下对矿物油清洗性能好，对橡胶、树脂也有很好的溶解作用[6]。伯烷基磺酸钠PAS分子质量小、渗透力强，可以渗透入污垢与模具的表面，降低其表面张力，减弱污垢与模具表面的结合力，对于沟槽角落、缝隙处污垢去除效果明显。选择以FMEE、 CETSA、 200#溶剂油、伯烷基磺酸钠PAS-80为模具清洗剂的主要成分，确定了正交实验因素水平如表1，按照1.2.2清洗实验测试不同组合的清洗效果，各因素的极差分析见表2， 3。
表1 正交实验因素水平表
表2 正交实验结果
表3 正交实验极差分析
2.2 各因素对硅油清洗率的影响
由表3可知，对硅油清洗率的影响因素排序为FMEE>CETSA>伯烷基磺酸钠>200#溶剂油。硅油具有较高的表面活性，对金属表面的吸附力较强，并具有较高的化学稳定性，因此模具表面残留的硅油难以清除。一般具有较强分散力的表面活性剂对硅油有明显的剥离和清洗效果。FMEE分子结构中，具有交互存在的环氧丙烷与环氧乙烷结构，形成立体的空间结构，从而提高了FMEE的分散性能，分散性能优异的FMEE对硅油的清洗力度最大[7]。CETSA具有较强的乳化作用，有利于硅油的乳化，可以将模具表面剥离下来的硅油乳化在工作液中，因此对硅油的清洗效果也较明显。伯烷基磺酸钠和200#溶剂油分散和乳化力都较弱，对硅油的清洗效果不明显。
2.3 各因素对矿物油清洗率的影响
由表3可知，对矿物油清洗率的影响因素排序为200#溶剂油>CETSA>FMEE>伯烷基磺酸钠。一般脱模剂用到的矿物油主要成分是沸点高、黏度低的直链烷烃。在高温加工过程中，容易发生热氧化，在模具表面形成坚硬的固化膜。200#溶剂油是原油在160 ℃蒸馏出的产物，沸点高，与矿物油结构类似，根据相似相容的机理，200#溶剂油可以高效溶解被氧化的矿物油，因此对矿物油的清洗力度最大。CETSA乳化力好于FMEE与伯烷基磺酸钠，可以沿着矿物油膜表面的裂缝进入油膜与模具的结合面，通过乳化降低矿物油在模具表面的附着力[8]，对矿物油的清洗力度也较大。FMEE和伯烷基磺酸钠对矿物油的清洗力度较小。
2.4 各因素对去石蜡清洗率的影响
由表3可知，对石蜡清洗率的影响因素排序为CETSA>FMEE>伯烷基磺酸钠>200#溶剂油。石蜡价格低廉，高温条件下化学稳定性高，在硬表面容易成膜，覆盖性高，适用于橡胶模具定型后脱模使用，但是石蜡类脱模剂难以清洗，特别是形成的蜡斑很难清洗彻底。CETSA是专门用于乳化石蜡的乳化剂，在清洗过程中可以软化蜡斑，将蜡垢乳化为水包油(O/W)型分散体系的乳液，易于脱离模具表面[9]。FMEE具有十八碳的脂肪酸结构，极性强，在工作液中与蜡分子形成空间阻碍，防止蜡分子相互聚集，使蜡质更均匀地分散在清洗工作液中[10]。
根据正交实验各因素对硅油、矿物油、石蜡清洗的影响因素，并参考对硅油、矿物油、石蜡清洗效果较好的8号和9号实验，将FMEE、 CETSA、 200#溶剂油、伯烷基磺酸钠PAS-80 4种原料的质量浓度分别为6， 5， 3， 4 g·L-1作为模具清洗剂的最佳配比。
2.5 溶剂对橡胶的溶解速率
橡胶在模具硫化定型过程中，会有少量的原料橡胶粘附在模具表面，为了更有效地清洗粘附在模具表面的橡胶，按照实验1.2.3，筛选出溶解橡胶效果较好的溶剂并应用于模具清洗，进一步提高模具的清洗效果。几种不同类型的溶剂溶解橡胶的效果见表4。
表4 不同溶剂溶解橡胶的速率
通过表4可知，酮类溶剂对橡胶溶解效果最好，丙酮6 h橡胶溶解率为56.27%，考虑到模具在高温条件下清洗效率会更高，为了适应高温清洗模具的工艺，最终选择以沸点较高的环已酮作为模具清洗剂的溶剂组分。
2.6 环己酮的用量对模具清洗效果的影响
将FMEE、 CETSA、 200#溶剂油、伯烷基磺酸钠PAS-8 4种原料分别以6， 5， 3， 4 g/L-1的质量浓度配制成模具清洗工作液，添加不同质量的环己酮，按照1.2.4试样方法，测试模具的清洗效果，分析环已酮的质量浓度对清洗效果的影响。
由图1可知，随着环己酮质量浓度增加，清洗率相应提高，当环已酮质量浓度超过3 g·L-1，清洗率提升不明显，最终确定环已酮的最佳质量浓度为3 g·L-1,根据几种原料在工作液中的质量浓度，确定了橡胶模具清洗剂的配方，并且为了适用于强碱性的清洗工艺，通过复配耐碱提升剂脂肪酸甲酯二丙酸钠，提高了清洗剂的耐碱性，清洗剂配方见表5。
图1 环已酮的质量浓度对清洗率的影响
表5 模具清洗剂配方
2.7 模具清洗剂的应用
将模具清洗剂在苏州昆山汽车零部件公司进行生产实际应用，该公司年产汽车用减震器防尘罩400万件，模具为不锈钢材质，模具内部有大量圆环形凹槽，主要污垢为废机油、灰尘、脱模液、橡胶硫化物等。模具清洗设备为超声波清洗机，总共水洗8槽，第1、 2槽用二氯甲烷清洗，第3槽用清洗剂碱洗，清洗槽体积0.8 m3，清洗剂质量分数为2%，氢氧化钠质量分数8%，温度保持80 ℃，每隔4 h补充2 kg清洗剂与5 kg片碱。清洗后的模具各个角落无可见残留物，光亮如新，符合车间生产的要求。
通过正交实验和单因素实验分析发现FMEE对硅油的清洗效果最明显，CETSA对石蜡有很好的软化与清洗作用，200#溶剂油对矿物油的清洗效果较好。酮类结构的溶剂对橡胶溶解速率快，其中丙酮效果最好，其次是丁酮和环已酮，环己酮沸点高，为155 ℃，适用于模具的高温清洗。最终确定的橡胶模具清洗剂配方(质量分数)为脂肪酸甲酯乙氧基化物FMEE 6%、羧乙基硫代丁二酸CETSA 5%、 200#溶剂油3%、伯烷基磺酸钠PAS-80 4%、环已酮3%、脂肪酸甲酯二丙酸钠 6%、偏硅酸钠3%、氢氧化钠3%、三乙醇胺1%、六亚甲基四胺1%、杀菌剂0.5%、纯水62.5%。
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