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【簡介】
(武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院,湖北武漢430081)
摘要:制備了一種針對食品罐用鍍錫鋼板的溶劑型脫漆劑。采用單因素實驗法研究了主溶劑復配比例及含量、十六烷基三甲基溴化銨含量及乳酸含量對脫除效率的影響,同時探討了脫漆劑的揮發(fā)速率和腐蝕性。結果表明,當苯乙醇、無水乙醇、十六烷基三甲基溴化銨、乳酸質量分數分別為21%、49%、2%、28%,溫度為80~85℃時, 3~5 min內可使漆膜軟化、脫落,所得脫漆劑的脫漆效率最高,毒性、揮發(fā)性和腐蝕性低。
關鍵詞:溶劑型脫漆劑;鍍錫鋼板;食品罐;苯乙醇;環(huán)保
中圖分類號:TQ636·5 文獻標識碼:A 文章編號:0253-4320(2010)11-0044-04
隨著罐裝食品越來越普及,鍍錫鋼板產量呈增長趨勢。鍍錫鋼板的印刷工藝:鐵皮清洗處理→內涂料→底油→底色(多為白涂料)→金屬油墨→罩光清漆(外涂料)。由于生銹、色偏、套印不準及油墨性能不穩(wěn)定等原因[1],鍍錫鋼板印刷工藝中的廢棄量是驚人的。廢鍍錫鋼板作為冶煉環(huán)境友好的含錫易切削鋼的原料[2-3],其表面的保護和裝飾涂料層在冶煉前必須去除,否則高溫冶煉過程中會分解生成芳烴、鹵代烴等多種有害物質[4],嚴重污染環(huán)境,危害人體健康。筆者制備了一種針對食品罐用鍍錫鋼板的溶劑型脫漆劑,考察了主溶劑復配比例及含量、十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)含量及乳酸含量對脫除效率的影響,同時探討了脫漆劑的揮發(fā)速率和腐蝕性。
1 實驗部分
1·1 主要試劑與儀器
樣品取自上海喬良包裝有限公司旺仔牛奶罐印廢的鍍錫鋼板底油樣板、底色樣板、金屬油膜樣板和罩光清漆樣板;苯乙醇、無水乙醇、CTMAB、乳酸,均為分析純。荷蘭PHILPS CZECH公司PHILIPSXL30 TMP掃描電鏡(SEM)。
1·2 脫漆劑的制備
稱取適當比例的試劑,放入恒溫磁力攪拌器加熱至80~85℃,攪拌反應10 min,然后恒溫,停止攪拌備用。
1·3 脫漆劑脫漆效率的評價
實驗時將鍍錫鋼板試樣直接浸泡在脫漆劑中進行溶脹、剝離實驗,通過鍍錫鋼板基體上漆膜開始溶脹和脫落下來的時間考察脫漆劑的脫漆效率[5]。
1·4 脫漆劑腐蝕性的評定
根據罐用鍍錫鋼板試樣脫漆前后質量的變化,采用矢量法測定脫漆劑對底材的腐蝕速度。在室溫下,用分析天平(精度0·0001 g)測試試樣(2×2 cm2的原始鍍錫鋼板)在脫漆前后的質量變化,采用失重法測試脫漆劑對基材的腐蝕速率。將試樣稱量,為m初;試樣浸入脫漆劑中浸泡72 h,取出后稱重,為m末;則質量變化Δm=m初-m末;腐蝕速率的計算公式如式(1)[6]:
腐蝕速率=Δm /(s×t) (1)
式(1)中Δm為浸泡前后質量之差(g);s為腐蝕樣板的總表面積(m2);t為浸泡時間(h)。
2 結果與討論
2·1 不同主溶劑對脫漆時間的影響
根據脫漆原理[7],漆膜的脫除主要依賴于主溶劑分子的滲透、溶脹作用。主溶劑之所以能滲入大分子中,是因為主溶劑分子與高聚物大分子之間具有一定親和力,這種親和力是漆膜脫除的關鍵。所以主溶劑一般選用苯、烴、酮及醚類,并以烴類最好。不含二氯甲烷的低毒溶劑型脫漆劑,主要含有乙二醇醚、苯甲醛、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、苯甲酸甲酯、苯乙醇、乙醇胺、乙酸乙酯等。
醇類、醚類和丙酮能增加其他成分的溶解性,提高脫漆劑的黏度和穩(wěn)定性,協(xié)同主溶劑分子滲入漆膜,解除漆膜與底材之間的附著力,使漆膜快速軟化、起皺,加快脫漆速度[8]。此外,醇類和丙酮的價格較低,可相應減少主溶劑的用量,降低成本[9],但丙酮的吸入可引起頭痛、支氣管炎等癥狀。
由表1可知,苯乙醇脫漆能力較大。這是因為苯乙醇滲透大分子及鏈段間隙的能力很強,與有機物的相容性好,可使漆膜溶脹或溶解,導致大分子體積增大,從而產生內應力,降低漆膜與底材的附著力而脫離。采用苯乙醇和無水乙醇復配是因為無水乙醇環(huán)保,價格便宜,市場易得,同時可相應減少苯乙醇的用量,降低成本。故實驗采用苯乙醇和無水乙醇的復配作為最佳主溶劑。
2·2 主溶劑的復配比例對脫漆效率的影響
由表2可知,隨著苯乙醇量的增加,脫漆時間快速縮短。當苯乙醇和無水乙醇質量比達到3∶7時,脫漆劑的脫漆效率最佳,為5~10min;此時,增加苯乙醇的用量,脫漆時間增加緩慢,因為大量的溶劑分子包圍在漆膜分子的周圍,增加溶劑的含量不能再進一步提高包圍漆膜分子的溶劑分子數量。綜合考慮脫漆效率、脫漆劑成本及使用壽命等各種因素,確定苯乙醇和無水乙醇的復配比例為3∶7。
2·3 主溶劑的投加量對脫漆時間的影響
如表3所示,主溶劑含量與脫漆時間的關系并非線性關系,當脫漆劑中不含主溶劑時, 72 h后漆膜仍完好無損。當主溶劑投加量為50%時,漆膜開始起皺軟化,可被脫除,但此時的脫漆劑容易蒸干。當主溶劑投加量為55%左右時,隨著主溶劑含量的增加,溶劑分子之間相互限制作用增強,對脫漆時間影響不大,故可確定主溶劑投加量為55%。
2·4 表面活性劑對脫漆效率的影響
當表面活性劑加入量很小時,就能使溶劑的表面張力或液-液界面張力大大降低,改變體系的界面狀態(tài);當表面活性劑達到一定濃度時,在溶液中締合成膠團,因此產生潤濕或反潤濕、滲透、乳化或破乳、起泡或消泡、增溶及分散等作用[11]。常用的表面活性劑有十二烷基苯磺酸鈉、CTMAB、烷基酚聚氧乙烯醚等。
表面活性劑不僅有利于漆膜的溶脹和脫落,也有利于脫漆劑的穩(wěn)定。增加表面活性劑對脫漆效率的影響很小,而較低的用量會使脫漆劑混合物不穩(wěn)定,小分子溶劑會快速揮發(fā),脫漆效率會降低。由圖1可知,當表面活性劑的質量分數由0%上升至1·8%時,脫漆速度明顯提高;當達到2%以上,脫漆時間趨于平緩,故CTMAB的最佳投加量為2%。
2·5 促進劑對脫漆效率的影響
促進劑一般是一些親核試劑,它跟主溶劑結合能產生協(xié)同效應,加速和強化主溶劑的滲透與膨溶作用,從而提高脫漆速度和效率。酸性組分可以加速破壞大分子鏈段,加速溶劑的滲透、溶脹作用,使脫漆劑能脫除特別耐化學溶劑的涂層。考慮到酸可能對基底產生腐蝕,不采用無機強酸而選擇了酸性相對較弱的有機酸。有機酸可以催化有機涂層分子鏈中酯鍵、醚鍵的水解反應,從而促使其斷鍵、降解加大漆膜的通透性,提高漆膜的脫除效率[12]。常用的促進劑有檸檬酸、乳酸、油酸、甲酸等。
由圖2可知,不含促進劑乳酸時,漆膜難以起皺軟化,當促進劑質量分數為15%時,脫漆速率明顯提高,說明促進劑對加速破壞大分子鏈段、強化溶脹有著非常明顯的效果。同時,考慮到時間延長,乳酸會與苯乙醇反應生成酯,使乳酸含量減少。故為了保證有一定量的促進劑存在,在配置脫漆劑時,乳酸質量分數取28%為宜。
2·6 溫度對脫漆效率的影響
由圖3可知,當溫度較低時,脫漆效率低,即使延長脫漆時間也無法獲得較高的脫漆效率,隨著溫度的增加,脫漆時間逐漸降低,當溫度升至80℃以上,曲線逐漸趨于平緩,脫漆時間并不隨著溫度的增加而快速增加。同時,溫度過高,加速有機試劑的揮發(fā),易破壞脫漆劑中溶劑的配比,降低脫漆劑的使用壽命。故最適溫度為80~85℃。
2·7 脫漆劑的腐蝕性
由表4可知,該溶劑型脫漆劑對基材的腐蝕速度小于0·4 g/(m2·h),腐蝕速度隨浸泡時間延長呈下降趨勢,說明該脫漆劑對基材性能影響小。
2·8 脫漆劑揮發(fā)速率的測定
室溫下,取制備好的脫漆劑75 g敞口放置在燒杯中,記錄質量隨時間的變化[13],見圖4。實驗結果表明,室溫環(huán)境下,該脫漆劑72 h內揮發(fā)率僅為6·4%,說明該脫漆劑的揮發(fā)速率小,對環(huán)境影響小。
2·9 鍍錫鋼板脫漆后SEM測試表面形貌
采用SEM配合能譜儀觀察鍍錫鋼板試樣脫漆前后的表面形貌是否發(fā)生變化[14]及對鍍錫鋼板進行定性、定量分析(圖5)。由于鍍錫鋼板各涂層的基團相同,脫漆后的SEM形貌表征類似,故選擇原始鍍錫鋼板和罩光清漆樣板的SEM圖進行對照分析。
由圖5(a)和圖5(b)可知,脫漆后漆膜全部脫落,可見鍍錫鋼板表面有連續(xù)磷化膜,說明該脫漆劑對金屬基材影響小;由圖5(c)和圖5(d)可知,鍍錫鋼板脫漆過程中漆膜僅發(fā)生溶脹剝離反應,脫漆劑與鍍錫鋼板底材不發(fā)生化學反應。
3·結語
以苯乙醇和無水乙醇復配為主溶劑、CTMAB為表面活性劑以及乳酸為促進劑,經過優(yōu)化復配制備的脫漆劑適合食品罐用鍍錫鋼板的高效脫漆要求,研究表明,當苯乙醇、無水乙醇、CTMAB、乳酸質量分數分別為21%、49%、2%、28%時,該脫漆劑在溫度為80~85℃時,可在3~5 min對鍍錫鋼板的環(huán)氧樹脂漆膜達到99% ~100%的脫除;本脫漆劑不含強酸強堿,腐蝕性和揮發(fā)性低,對基材和操作人員無傷害。 參考文獻
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