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37 DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.14.005 7 系铝合金的绿色环保型清洗剂的开发系铝合金的绿色环保型清洗剂的开发 刘宁华1,*，郭艳红1，赖心翘1，李晓彤1，梁舒婕2 1.广州三孚新材料科技股份有限公司，广东 广州 510700 2.华南农业大学材料与能源学院，广东 广州 510642 摘要：摘要：在由硼砂、碳酸钠、葡萄糖酸钠和非离子表面活性剂组成的清洗剂配方中添加无机盐助洗剂(五水合偏硅酸钠)和有机酸盐缓蚀剂(柠檬酸钠)，以清洗后 7075 铝合金表面明度、光泽、水接触角和除油率为指标对它们的添加量进行优化，得出最优的组合方案为：助洗剂 5.0 g/L，缓蚀剂 0.75 g/L。扫描电镜(SEM)观察和水接触角测量结果证实，优化后的配方可以降低对 7 系铝合金的腐蚀，获得更优良的清洗效果，并改善工件表面的润湿性。关键词：关键词：铝锌镁铜合金；清洗剂；环保；光泽；缓蚀；润湿性 中图分类号：中图分类号：TG178 文献标志码：文献标志码：A 文章编号：文章编号：1004 227X(2023)14 0037 05 Development of an environmentally friendly cleaning agent for 7-series aluminum alloys LIU Ninghua 1,*,GUO Yanhong 1,LAI Xinqiao 1,LI Xiaotong 1,LIANG Shujie 2 1.Guangzhou Sanfu New Material Technology Co.,Ltd.,Guangzhou 510700,China 2.College of Materials and Energy,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China Abstract:Sodium metasilicate pentahydrate as an inorganic additive and sodium citrate as an organic corrosion inhibitor were added to a cleaning agent comprising borax,sodium carbonate,sodium gluconate,and nonionic surfactant,and the dosages of them were optimized as 5.0 g/L and 0.75 g/L respectively by evaluating the lightness,glossiness,and water contact angle of 7075 aluminum alloy surface after being cleaned and oil removal efficiency.The results of scanning electron microscopic characterization and water contact angle measurement showed that the optimized cleaning agent could reduce the corrosion of 7-series aluminum alloy with high degreasing effectiveness and improve the surface wettability of workpiece.Keywords:aluminumzincmagnesiumcopper alloy;cleaning agent;environmental friendliness;gloss;corrosion inhibition;wettability 俗称“航空铝”的 7 系铝合金由于其硬度接近钢材，同时具备抗剥落腐蚀、抗应力腐蚀开裂、抗疲劳与断裂韧性高等特性，近年来除了被广泛应用于飞机的承力构件、起落架、火箭、螺旋桨、航空飞船等之外，还被各大电子消费品制造商所青睐，被用于生产手机中框及后盖、电脑外壳等产品1-3。7 系铝合金在生产加工过程中有多种不同的工艺，在预处理(如阳极氧化)后有时会进行高光倒角、铣槽等再加工，加工后离不开清洗工序。在实际操作过程中，阳极氧化后的产品对阳极氧化膜层的颜色(Lab 值)和光泽有十分严格的要求，因此对清洗剂的要求很高，既要保证油污能被快速清洗干净，又要保证产品的光泽不受影响，与传统的酸性或碱性清洗区别很大4-6。另外，随着环保的要求越来越高，清洗剂需满足无磷、无氟、无氨氮、无硝酸盐、无亚硝酸盐、无任何强酸强碱、无有毒重金属等要求，这给清洗剂的开发增加了不少难度。国内有很多公司对此进行了大量研究，申请了很多专利。如专利 CN107740109A 公开了一种清洗剂及其制备方法，该清洗剂虽然声称适用于 5、6、7 系铝合金，但清洗后 7 系铝合金产品的 Lab 值和光泽大受影响，阳极氧化膜容易被腐蚀，而且配方中含有大量强酸，给清洗的后处理工序及生产工艺带来极大不便；专利CN105112978A 所述清洗剂虽然也可清洗 5、6、7 系铝合金，但当用其清洗经阳极氧化后再进行数控加工的7 系铝合金时，铝合金表面氧化膜会被腐蚀，使清洗后产品的光泽受到很大影响；专利 CN110644010A 公开了一种 7 系铝合金清洗剂的制备方法，该清洗剂虽然不含强酸和强碱，但依然需要添加多聚磷酸钠作为助洗剂，不符合环保要求。因此，开发一种清洗效果好并能保证产品 Lab 值和光泽不受影响的 7 系铝合金绿色环保清洗剂是十分必要的。收稿日期：收稿日期：20221128 修回日期：修回日期：20230712 作者简介：作者简介：刘宁华（1985），女，硕士，工程师，研究方向为金属环保型表面处理技术，(E-mail)。引用格式：引用格式：刘宁华,郭艳红,赖心翘,等.7 系铝合金的绿色环保型清洗剂的开发J.电镀与涂饰,2023,42(14):37-41.LIU N H,GUO Y H,LAI X Q,et al.Development of an environmentally friendly cleaning agent for 7-series aluminum alloys J.Electroplating&Finishing,2023,42(14):37-41.7 系铝合金的绿色环保型清洗剂的开发 38 本文在前期清洗剂的研究基础上添加助洗剂和缓蚀剂，考察了它们不同的添加量下清洗后基材的水接触角、Lab 值和光泽。1 实验实验 基体材料为应用较广的 7075 铝合金，其成分除了铝之外包含了硅 0.40%、铁 0.50%、铜 1.2%2.0%、锰0.30%、镁 2.1%2.9%、铬 0.18%0.28%、锌 5.1%6.1%、钛 0.20%和其他合金元素 0.15%，做成 100 mm 50 mm 2 mm 的长方形薄板。处理工艺流程为：清洗(60 70 C，5 min)水洗 3 次压缩空气吹干烘干(80 100 C，10 min)。前期研究开发的清洗剂基础配方为：硼砂 2.4 g/L，纯碱 2.0 g/L，葡萄糖酸钠 0.025 g/L，非离子表面活性剂 0.25 g/L。为获得更优良的清洗效果，拟先后添加无机盐助洗剂(五水合偏硅酸钠)和有机酸盐缓蚀剂(柠檬酸钠)，并通过单因素实验对其质量浓度进行优化。选取数块未处理的 7075 铝合金试片，称重记为 m1，再在相同条件下涂油，称重记为 m2，然后分别浸泡在制备的清洗剂(加热至 50 C)中清洗 5 min，水洗后 100 C 烘干 10 min，再称重记为 m3。清洗率 按式(1)计算。2321100%mmmm=(1)使用深圳市三恩时科技有限公司的 CR8 型色差分析仪分别对清洗前、清洗后的 7075 铝合金试片进行色差分析，色度空间以 Lab 值表示，L 表示明度，a 表示红绿值，b 表示黄蓝值。使用深圳市三恩时科技有限公司 3nh 型光泽度分析仪分别测试清洗前和清洗后 7075 铝合金试片的光泽(G)。通过丰度仪器科技(南京)有限公司的 JY-PHa-JCA2206 型接触角测量仪对清洗后 7075 铝合金试片表面的水接触角()进行测定，取 4 个测量位置的平均值。水接触角越小说明清洗越干净。在环境温度为(20 5)C 的条件下，通过德国析塔 SITA-Lab Solution 全自动动静态表面张力仪测量溶液的表面张力。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 无机盐助洗剂添加量的确定无机盐助洗剂添加量的确定 从图 1 和图 2 可以看出，当助洗剂质量浓度小于 5.0 g/L 时，随着助洗剂质量浓度的增大，7075 铝合金试片清洗后的 L 值和光泽提升幅度较大，水接触角越来越小(即表面润湿性越来越好)，除油率越来越高。当助洗剂质量浓度大于 5.0 g/L 时，随着助洗剂质量浓度的增大，7075 铝合金试片清洗后的 L 值和光泽提升幅度越来越小，表面润湿性和除油效果慢慢变差。因此，最佳的无机盐助洗剂质量浓度为 5.0 g/L。(a)(b)图图 1 在不同助洗剂质量浓度下清洗后在不同助洗剂质量浓度下清洗后 7075 铝合金试片的铝合金试片的 Lab 值(值(a)和光泽()和光泽(b)的变化)的变化 Figure 1 Variations in Lab value(a)and glossiness(b)of 7075 aluminum alloy specimen after being cleaned at different mass concentrations of sodium metasilicate pentahydrate as an additive 0246810-1012345值的变化Lab 助洗剂()/(gL1)L a b0.02.55.07.510.0010203040G(助洗剂)/(gL1)7 系铝合金的绿色环保型清洗剂的开发 39 (a)(b)图图 2 在不同助洗剂质量浓度下清洗后在不同助洗剂质量浓度下清洗后 7075 铝合金试片的水接触角(铝合金试片的水接触角(a)和除油率()和除油率(b)Figure 2 Water contact angle(a)and oil removal efficiency(b)of 7075 aluminum alloy specimen after being cleaned at different mass concentrations of sodium metasilicate pentahydrate as an additive 2.2 有机酸盐缓蚀剂添加量的确定有机酸盐缓蚀剂添加量的确定 在基础配方中添加 5.0 g/L 无机盐助洗剂的情况下，继续添加有机酸盐缓蚀剂进行试验。从图 3 和图 4 可以看出，当缓蚀剂质量浓度小于 0.75 g/L 时，随着缓蚀剂的质量浓度不断增大，清洗后 7075 铝合金试片的表面润湿性和清洗效果越来越好；当缓蚀剂质量浓度大于 0.75 g/L 时，随着缓蚀剂的质量浓度继续增大，7075铝合金试片的表面润湿性和清洗效果变差，因为高浓度的缓蚀剂会抑制清洗剂对油污的乳化和剥离能力。因此，有机酸盐缓蚀剂的最佳质量浓度为 0.75 g/L。(a)(b)图图 3 在不同缓蚀剂质量浓度下清洗后在不同缓蚀剂质量浓度下清洗后 7075 铝合金试片的铝合金试片的 Lab 值(值(a)和光泽()和光泽(b)的变化)的变化 Figure 3 Variations in Lab value(a)and glossiness(b)of 7075 aluminum alloy specimen after being cleaned at different mass concentrations of sodium citrate as a corrosion inhibitor (a)(b)图图 4 在不同助洗剂质量浓度下清洗后在不同助洗剂质量浓度下清洗后 7075 铝合金试片的水接触角(铝合金试片的水接触角(a)和除油率()和除油率(b)Figure 4 Water contact angle(a)and oil removal efficiency(b)of 7075 aluminum alloy specimen after being cleaned at different mass concentrations of sodium citrate as a corrosion inhibitor 0.02.55.07.510.001020304050/()(助洗剂)/(gL1)0.02.55.07.510.0020406080100/%(助洗剂)/(gL1)0.000.250.500.751.00-1012345Lab值的变化(缓蚀剂)/(gL1)L a b0.000.250.500.751.0001020304050G(缓蚀剂)/(gL1)0.000.250.500.751.00010203040/()(缓蚀剂)/(gL1)0.000.250.500.751.00020406080100/%(缓蚀剂)/(gL1)7 系铝合金的绿色环保型清洗剂的开发 40 2.3 优化前后清洗剂的性能对比优化前后清洗剂的性能对比 综上所述，整个清洗剂的优化配方为：硼砂 2.4 g/L，纯碱 2.0 g/L，葡萄糖酸钠 0.025 g/L，非离子表面活性剂 0.25 g/L，无机盐助洗剂 5.0 g/L，有机酸盐缓蚀剂 0.75 g/L。对基础配方和优化配方进行对比测试。从图 5 可以看出，经基础配方清洗后的 7075 铝合金试片表面纹理模糊，有黑色杂质，这种黑色杂质含有C 和 O(见表 1)，应该是残留的油污。而经优化配方清洗后的表面机械纹理清晰，无其他杂质，说明优化配方可以降低对基材的腐蚀，获得更好的清洗效果。(a)(b)图图 5 采用基础配方(采用基础配方(a)和优化配方()和优化配方(b)清洗后)清洗后 7075 铝合金表面的微观形貌铝合金表面的微观形貌 Figure 5 Micromorphology of 7075 aluminum alloy surface after being cleaned with the original(a)and optimized(b)cleaner composition 表表 1 图图 5a 中红色箭头所示黑色颗粒的中红色箭头所示黑色颗粒的 EDS 分析结果分析结果 Table 1 EDS analysis result of the black particle noted by a red arrow in Figure 5a 元素 原子分数/%质量分数/%Al 54.16 67.63 C 37.45 20.81 Zn 1.61 4.86 O 4.30 3.18 Mg 2.09 10.54 Cu 0.40 1.17 从图 6 中可以看出，7075 铝合金试片经优化配方清洗后的表面水接触角小于基础配方清洗后的水接触角，说明优化配方可以改善工件表面润湿性。(a)(b)图图 6 采用基础配方(采用基础配方(a)和优化配方()和优化配方(b)清洗后)清洗后 7075 铝合金表面的水接触角铝合金表面的水接触角 Figure 6 Water contact angle against 7075 aluminum alloy surface after being cleaned with the original(a)and optimized(b)cleaner composition 从表 2 可以看出，7075 铝合金试片经优化配方清洗后表面的 L 值和光泽与基础配方相比都有更大提升，除油率也更高。表表 2 采用不同配方清洗后采用不同配方清洗后 7075 铝合金表面的铝合金表面的 Lab 值和光泽的变化，以及除油率值和光泽的变化，以及除油率 Table 2 Variations in Lab value and glossiness for 7075 aluminum alloy after being cleaned with different cleaner compositions and their oil removal efficiencies 清洗液 L a b G /%基础配方 3.68 0.62 0.5 15.0 84.56 优化配方 4.72 0.71 0.5 42.9 95.07 7 系铝合金的绿色环保型清洗剂的开发 41 3 结论结论 在由 2.4 g/L 硼砂、2.0 g/L 纯碱、0.025 g/L 葡萄糖酸钠和 0.25 g/L 非离子表面活性剂组成的清洗剂基础上，添加 5.0 g/L 五水合偏硅酸钠作为助洗剂和 0.75 g/L 柠檬酸钠作为缓蚀剂，可以降低对 7075 铝合金基材的腐蚀，获得更优良的清洗效果和改善工件表面的润湿性。参考文献：参考文献：1 伍玉娇.金属材料学M.北京:北京大学出版社,2011:39-42.WU Y J.Metal Materials Science M.Beijing:Peking University Press,2011:39-42.2 朱祖芳.铝阳极氧化膜多色彩电解着色工艺J.电镀与涂饰,2006,25(6):42-45.ZHU Z F.Electrolytic multi-coloring technique of anodic coating on aluminum J.Electroplating&Finishing,2006,25(6):42-45.3 朱祖芳.铝材表面处理技术发展回顾与展望J.有色金属加工,2002,31(2):4-8.ZHU Z F.Retrospect and prospect of surface treatment technology development of aluminum products J.Nonferrous Metals Processing,2002,31(2):4-8.4 王奋善,路瑞林,杨小杰,等.铝材表面脱脂除油清洗剂的研究J.清洗世界,2011,27(11):18-21.WANG F S,LU R L,YANG X J,et al.Study of aluminum surface degreasing cleaning agent J.Cleaning World,2011,27(11):18-21.5 蒙文坚.铝合金型材喷涂前的酸蚀脱脂工艺J.轻合金加工技术，2006,34(7):41-42,55.MENG W J.Acid-etched degreasing process for aluminum alloy profile before spray painting J.Light Alloy Fabrication Technology,2006,34(7):41-42,55.6 王珏,郑文芳.常温高效无磷脱脂剂的研究J.应用化工,2008,37(10):1203-1205.WANG J,ZHENG W F.Study on effective phosphorus-free degreaser in normal temperature J.Applied Chemical Industry,2008,37(10):1203-1205.【责任编辑：温靖邦；助理编辑：陈卉菁】【责任编辑：温靖邦；助理编辑：陈卉菁】