水基光學玻璃清洗劑的研究及配方技術開發
張浩 胡磊
摘要：本文論述了一種新型的水基光學玻璃清洗劑的研制過程，成功解決光學玻璃清洗劑中低泡、環保、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，不會影響玻璃的進一步加工。
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.
關鍵詞：水基清洗劑；光學玻璃；低泡；環保
Key words: water based detergent; optical glass; low foam; environmentally friendly
1 前言
光學玻璃是現代光電技術產業的基礎，特別是進入21世紀以后，隨著光學與電子信息科學及新材料的不斷交叉融合，作為光電基礎材料的光學玻璃更是在多方面得到迅速發展[1]。光學玻璃在生產工藝流程中，需要大量的清洗環節，特別要求清洗干凈無殘留，不損傷基材表面。傳統的清洗劑一般為有機溶劑型，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，難免會有大量的溶劑揮發，其常用的有機溶劑為鹵代烴溶劑，芳香烴溶劑等。該類有機溶劑吸入人體后不僅對操作人員的健康不利，還對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運而生，憑借其環保、成本低，得到了突飛猛進的發展。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，進而影響下一步鍍膜的附著力。本文通過大量實驗研究，得到一種清洗效果好、效率高、熱穩定性好、殘留物極少的安全環保光學玻璃清洗劑。
禾川化學技術團隊具有豐富的分析研發經驗，經過多年的技術積累，可以運用尖端的科學儀器、完善的標準圖譜庫、強大原材料庫，徹底解決眾多化工企業生產研發過程中遇到的難題，利用其八大服務優勢，最終實現企業產品性能改進及新產品研發。
樣品分析檢測流程：樣品確認—物理表征前處理—大型儀器分析—工程師解譜—分析結果驗證—后續技術服務。有任何配方技術難題，可即刻聯系禾川化學技術團隊，我們將為企業提供一站式配方技術解決方案！
2 實驗
2.1實驗器材及藥品
器材：恒溫磁力攪拌器，分析天平，光學玻璃片
藥品：氫氧化鉀（化學級），碳酸鈉（化學級），硅酸鈉（化學級），三乙醇胺（工業級），EDTA-2Na（化學級），葡萄糖酸鈉（化學級），非離子表面活性劑A、B、C，增溶劑。
2.2工藝條件
恒溫55-60℃，光學清洗劑與水1:8比例稀釋作為工作液。
2.3實驗內容
選取光學玻璃試樣：尺寸為30mm*90mm，厚度為2mm，將光學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，模擬流動液體，清洗備好的光學玻璃試樣，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狀況
c．重量法[2]來對清洗液去污能力進行評定，公式如下：
去污力=（A1-A2）/(A1-A) *100%
式中 A1 清洗前玻片質量，A2 清洗后玻片質量，A 干凈玻片質量。
3 結果與討論
3.1溫度對清洗能力的影響
通常我們認為堿性清洗劑的清洗機理是通過以下三個步驟進行：a）樣片表面的油脂與清洗劑中的堿性物質進行皂化反應，將油脂轉化為易乳化的皂；b）乳化劑對樣片表面的皂進行浸潤，滲透到皂層內部；c）乳化劑對皂進行乳化，包裹形成水包油的體系，將油脂分散脫離樣片表面，進入溶液，從而達到較好的清洗的效果[3]。在水溶液中，當溫度升高時，有利于皂化反應；乳化劑對皂的浸潤滲透也會隨著溫度的升高而增強，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”的特性，這類非離子表面活性劑溶于水時靠氫鍵來使整個分子溶解，當體系溫度升高時，氫鍵斷裂，非離子表面活性劑產生脫水現象，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定的前提下，隨溫度的升高，其清洗能力及效果會大大提升。我們以光學清洗劑與水1:8比例稀釋液作為工作液，在光學玻璃表面進行試驗，結果如圖1所示。
圖1 溫度對清洗劑去污能力影響
由圖1可知，在10-60℃范圍內，樣片殘留的污漬逐漸變少，到40℃時，樣片表面基本清洗干凈，去污率達到90%，水滴在樣片表面沒有明顯收縮現象。同時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，樣片表面出現小白點，這是由于在此溫度下非離子表面活性劑達到濁點，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控制在55-70℃為宜。
3.2清洗劑濃度對清洗能力的影響
圖2 不同濃度對清洗劑去污能力影響
在60℃下，我們測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，其去污率隨著倍數增大，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增加呈直線下降。為了降低成本，在保證優異的去污能力的同時，最大限度的稀釋清洗劑，因此，優化出其稀釋倍數在8-10倍范圍內為宜。
3.3清洗劑成份對清洗能力的影響
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，螯合劑，表面活性劑。下面就對這三種主要成分的作用及其對清洗能力的影響分別闡述。實驗測試條件為55-70℃清洗。
3.3.1堿性物質
本文所用堿性物質包括無機堿和有機堿，無機堿為氫氧化鉀、碳酸鈉、硅酸鈉，有機堿為三乙醇胺。
氫氧化鉀是強堿，具有強的皂化能力，與油污進行皂化，得到可溶性的皂。一般其添加量越多，去污能力越強，但光學玻璃材料一般含有堿金屬和堿土金屬（R）氧化物進入玻璃硅氧網絡結構中，而R-O連接鍵強度較Si-O鍵弱的多[4]，因此，其易被強堿性溶液損傷表面。所以氫氧化鉀的用量不宜過多，本文用量在30-50g/L范圍內。
碳酸鈉的水溶液呈弱堿性，不能起到皂化作用，但可以對油污進行潤濕和分散，還可以穩定清洗劑的酸堿值，防止清洗劑因皂化作用對強堿的消耗，而發生酸堿值的快速變化，造成清洗效果不穩定的現象。
硅酸鈉在水中可水解形成游離堿和硅酸，游離堿具有潤濕性，可滲透到油污內部，將油污皂化到溶液中；形成的硅酸可以對強堿有緩沖作用，和碳酸鈉配合使用，不但能促進清洗效果，還可保護玻璃不受損傷。
三乙醇胺作為輔助強堿皂化油污使用。其不僅可以與油污進行皂化，還可以充當表面活性劑使用，具有乳化、分散、潤濕、滲透的作用。還能附在玻璃表面保護基材不受損傷；在堿性環境下，與水中的金屬離子進行螯合，防止沉淀產生。
3.3.2螯合劑
本文采用的螯合劑為綠色環保的葡萄糖酸鈉和乙二胺四乙酸二鈉，因其具有多個配位基團，對水中金屬離子具有很強的絡合作用，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。本文通過大量測試試驗，篩選出水溶性好、乳化清洗效果好、濁點高、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。試驗采用正交實驗法對這3種非離子表面活性劑的配比進行優化，最終確定A 70 g/L， B 30 g/L， C 20 g/L，此時清洗劑去污能力高，低泡易漂洗，濁點高熱穩定性好。
4 結論
通過研究，我們配置出來的光學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，在一定機械外力作用下（超聲波，攪拌等），其去污率達到99.5%以上，且不損傷玻片，低泡易漂洗，環保高，成本低。
通過對化工產品的配方分析還原，有利于企業了解現有技術的發展水平，實現知己知彼；有利于在現有產品上進行自主創新，獲得知識產權；有利于在生產過程中發現問題、解決問題。通過對化工產品的配方改進，配方研發，可以加快企業產品更新換代的速度，提升市場競爭力，因此，對于化工產品的分析、研發已變得刻不容緩！
參考文獻
[1] 專利：肖海燕. 一種光學玻璃清洗劑.申請號：201410831076.9
[2] 吳超，吳桂湘，李孜軍，周勃.玻璃表面粘塵與清潔試驗研究[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]《工業與公共設施清潔》2015（7）：41-45
[4] 朱發松.光學玻璃元件水基清洗劑的實驗與研究[J]《洗凈技術》2003（5）：20-23
