Щелочное обезжиривание поверхности металла

Метод основан на том, что жиры животного и растительного происхождения в щелочных растворах расщепляются по эфирным связям, образуя растворимые в воде мыла, а сами щелочи сильно понижают поверхностное натяжение растворов (повышают смачиваемость поверхности). Минеральные жиры (нефтяные масла) не участвуют в реакциях омыления, но при определенных условиях под воздействием щелочных растворов могут образовывать водные эмульсии, и это облегчает их последующее отделение от поверхности металла. Введение в щелочные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) усиливает их эмульгирующее действие и тем самым влияние на отложения на основе минеральных масел. Щелочное обезжиривание к тому же производят при повышенной температуре. Под воздействием горячего щелочного раствора, содержащего эмульгаторы и вещества, понижающие межфазное натяжение на границе раствор-жир и раствор-металл, происходит разрыв жировой пленки, уменьшение ее толщины, образование отдельных капель масла и отрыв их от поверхности металла. При этом одновременно отделяются также мелкие механические загрязнения.

Обезжиривающие щелочные растворы обычно содержат два- четыре щелочных компонента (источники щелочности), поверхностно-активные агенты, кондиционеры воды, ингибиторы коррозии. В качестве щелочных компонентов применяются едкая щелочь, амины, кальцинированная сода, фосфаты и силикаты. Щелочь и соли щелочных металлов омыляют растительные и животные жиры и являются резервом для нейтрализации кислотных загрязнений. Фосфаты умягчают воду, способствуют диспергированию образующихся нерастворимых фосфорнокислых солей кальция и магния и препятствуют их повторному осаждению на поверхность металла. Силикаты в наибольшей степени способствуют эмульгированию отделившихся загрязнений. По уровню поддержания рН мы можем сравнить их, рассмотрев таблицу 6.1.

Таблица 6.1. РН веществ-поставщиков щелочности для обезжиривающих составов.

Недостатки  и преимущества различных источников щелочности представлены в таблице 6.2.

Таблица 6.2. Роль различных поставщиков щелочности в процессе обезжиривания.

Однако преимущество щелочных растворов, связанное с быстрым превращением в мыла растительных и животных жиров и эффективным эмульгированием минеральных масел, понижением межфазного натяжения, является и их недостатком. Щелочные растворы проникают глубоко под коррозионные слои, в дефекты сварного шва и другие места; силикаты могут образовывать на поверхности металла тонкие пленки. Поэтому после стадии обезжиривания щелочными растворами обязательно требуется промывка. Отсюда - проблема переработки больших объемов разбавленных сточных вод, что делает подготовку поверхности значительно более громоздким процессом.

Механизм щелочного обезжиривания – в реальности это комбинация пяти отдельных химических и физических механизмов:

1. Сапонификация (омыление)
2. Диспергирование или дефлокуляция
3. Эмульгирование
4. Секвестрация
5. Хелация

Эти механизмы обычно работают одновременно в синергизме друг с другом, и первые четыре механизма присутствуют в различной степени в каждом щелочном обезжириватели.

В зависимости от типа обезжиривателя, условий работы и характеристик загрязнений какой либо один метод может быть доминирующим в цикле очистки.

Процесс обезжиривания обеспечивается тремя типами веществ.

Во-первых, это вещества щелочного характера.

Во-вторых, это вещества, способные при гидролизе как поддерживать необходимый уровень щелочности, так и обеспечивать изоляцию отделенных от поверхности частиц, не допуская их обратного высаживания на поверхность (секвестанты).

В-третьих, это поверхностно-активные вещества, которые заметно понижают поверхностное натяжение раствора (с 72 до 25-40 дин/см), что позволяет раствору быстро проникать в глубь поверхностного загрязнения.

Рассмотрим отдельно роль каждого механизма в отдельности.

Уже говорилось, что щелочные компоненты нужны для того, чтобы омылять (сапонировать) растительные жиры и масла.

Одним из наиболее важных свойств обезжиривающего раствора является щелочность (табл. 6.3). При обезжиривании щелочность играет важную роль в омылении и нейтрализации жиров, масел и жирных кислот.

Сила основания зависит от концентрации гидроксильных ионов (свободная щелочность). При обезжиривании железа и стали щелочность должна быть более высокой.

Щелочи – со свободной щелочностью, но не имеют ни резервной щелочности, ни буферных свойств.

Свободная щелочность других щелочных компонентов (солей угольной, кремниевой и фосфорной кислот) значительно меньше (она получается в результате их диссоциации), но эти соли отличаются значительным буферным эффектом, так как при гидролизе соли дают свободную щелочь и свободную кислоту.

Na₃PO₄ + H₂O → Na₂HPO₄ + NaOH

Na₂SiO₃ + 2H₂О → SiO₂*H₂O + 2NaOH

С помощью комбинации соответствующих веществ можно получить растворы с очень ограниченными интервалами рН.

Но, обладая меньшей щелочностью, щелочные соли обладают комплексами других полезных свойств.

Так, силикаты усиливают диспергирующую способность химических обезжиривающих композиций.

Фосфаты обладают отличным диспергирующим и размягчающим действием по отношению к плотному осадку и осажденным известковым мылам. Особенно ярко выражена изолирующая способность по отношению к кальцию и некоторым  ионам тяжелых металлов. Изолирующая способность увеличивается с увеличением степени конденсации, а также гидролитического распада до ортофосфата, особенно быстрого в щелочном растворе.

Хотя фосфаты сами по себе не являются ПАВ, они усиливают действие смачивателей и ПАВ. Так, например, поверхностное натяжение алкилсульфонатов уменьшается примерно на 25% при добавлении 5-10 г/л конденсированных фосфатов.

Применение первичных и вторичных фосфатов позволяет регулировать рН до более низких величин.

Следующий класс соединений, широко используемый в обезжиривающих композициях – это поверхностно активные вещества (ПАВ). Простейшим представителем поверхностно- активных веществ являются обычные мыла. Это соли высших жирных кислот, натриевые, калиевые, аммонийные и триэтаноламинные, достаточно хорошо растворимые в воде. Свойства мыл показаны в таблице 6.4.

Щелочные мыла получают омылением жиров и нейтрализацией жирных кислот. Известковые мыла получают реакцией щелочных мыл с ионами щелочноземельных металлов (жесткая вода, известковая масса). Металлсодержащие масла  получают реакцией щелочных мыл с ионами металлов вследствие выпадения в осадок последних.

Таблица 6.3. Величины рН 1%-ных технических растворов фосфатов (n – степень конденсации).

Таблица 6.4. Виды мыл

• Непрерывное нанесение покрытий
• Травление металла в процессе горячего цинкование
• Комбинированный метод защиты металла
• Оловянирование и его электролиты
• Литейная сталь и чугуны