浅谈水基荧光渗透液

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浅谈水基荧光渗透液

作者:彭华, 美国磁通应用工程师

 

渗透检测会产生大量高浓度难处理的废水,带来很大的环境压力和成本压力,于是水基荧光渗透液应运而生。本文从环保性、经济性以及性能指标入手,介绍水基荧光渗透液的优缺点,旨在给大家提供理论支持和实验数据,全方位了解水基荧光渗透液。 

1. 技术背景:

渗透检测作为五大常规无损检测方法之一,操作简单、直观,适用范围广,是一种成熟可靠的检测手段,在质量控制环节具有举足轻重的作用,在航天航空、汽车、石油与天然气、轨道交通、造船、压力容器等行业广泛使用。

然而,渗透检测不可避免的会产生废水,对环境造成污染。渗透检测废水都是高色度、高COD的废水,COD值能达到5000~10000,是较难处理的废水,而且,渗透废水一天的产生量不大,一天能产生5吨废水的用户就已经是凤毛麟角的大用户。因此对高色度、高浓度、小批量的渗透检测废水进行针对性的处理是一个难题,从目前的行业应用来看,能实现经济有效、运行稳定、针对性强的专用荧光污水处理设备并不多。

既然渗透检测的废水处理难度这么高,我们能不能从渗透剂源头上入手,设计一种易处理的渗透剂?降低后期废水处理的负荷。很开心的告诉大家,有!那就是新兴的水基荧光渗透剂!

 

2. 关于环保的一些概念

随着整个社会环保意识的加强,环保方面的立法、标准、规范也越来越完善,用户对渗透检测的环保性、安全性的关注也越来越高。渗透检测的环保化是行业发展的必然趋势,这也对渗透检测提出了新的要求。分两个方面来讲:

        安全性:渗透剂应该对人体安全,渗透剂应不含有毒有害的、禁用、限用的成分。目前为止,一些有毒有害的物质还经常出现在渗透剂的配方中,例如:苏丹红,苏丹红是一种红色溶剂型染料,能分解出具有致癌性的芳香胺,属于禁用的能分解出24种芳香胺的118种染料之一,被限用或禁用;邻苯二甲酸酯,作为功能性助剂,具有改善渗透剂的流平性、调节闪点等作用,最常见的就是DBP(邻苯二甲酸二丁酯),但是这一类物质代谢慢,容易在环境和生物体内富集,对生殖健康有严重影响,被REACH指令(欧盟《化学品注册、评估、许可和限制》)列为第一批高度关注化学物质,被限用;烷基酚,烷基酚主要来源于烷基酚聚氧乙烯醚(APEO),是渗透剂中常用的表面活性剂,此类物质是严重的雌激素,严重干扰激素分泌,导致生殖异常,被限用。

        环保性:环保性是指渗透剂容易被生物降解,或者渗透剂本身COD、BOD比较低。COD即化学需氧量,定义是氧化1L水中的还原性物质需要的氧当量,以mg/L计;BOD即生物需氧量,用微生物降解的方法对1L水中的还原性物质进行氧化分解,消耗的水中溶解氧的量,以mg/L计;BOD/COD,比值越大说明可生化性越好,越容易被生物降解,一般B/C大于0.3代表可降解。渗透废水被分解后的产物绝大多数为二氧化碳和水,水是不含COD和BOD的物质。因此,从环保的角度来看,水是用来做渗透剂的主溶剂最佳选择。

渗透剂最常用的溶剂为煤油,我们以此为例来计算废水中的COD。将渗透剂按照1:400用水稀释,模拟渗透废水,计算该废水的COD。

经计算得到,1:400的渗透废水,COD值为7802mg/L,如果我们将其中的一半的成分换成水,将降低一倍以上的COD。

 

3. 选择水做渗透剂的理论基础:

很长一段时间以来,水被认为不适合用来制造渗透剂。煤油、醇醚等有机溶剂的物理化学性质符合大家的心里预期,被选中用来制造渗透剂。的确,水是最常见,但也是最特殊的一种物质,有许多异乎寻常的物理化学性质,不太符合渗透剂的要求。但是,我们通过科学的配方,对水改性,使之成为合格的渗透主溶剂。

水被认为不适合做渗透剂的理由:

表面张力:水具有超高的表面张力,不利于渗透剂在工件上的铺展和渗透,我们可以通过表面活性剂来调节。

粘度:渗透剂有一个最佳的粘度范围,水的粘度太低,低的粘度固然能加快渗透速度,但也容易造成过洗,我们可以通过助剂调整整个体系的粘度。

溶解度:水对常用的有机染料溶解度小,染料浓度达不到,着色强度也就达不到,灵敏度也就提不高。但是我们可以选择合适的染料,搭配合适的与水混溶的助溶剂来解决这个问题。

挥发性:对于渗透剂来说,水的挥发太快,渗透剂在工件表面停留还不超过10分钟,可能就已经干燥。我们可以通过添加具有保湿作用的成分来解决该问题。

防锈性:水的存在,会加速工件锈蚀。连水基型的防锈剂都有,水基型渗透剂的防锈还是问题吗?我们可以在体系中添加合适的防锈剂、缓蚀剂解决此问题。何况现在主流的渗透剂都是水洗型,整个渗透流程中,多个环节要用到水,水基渗透剂中的水也就不是问题。

水的优势:

环保:水不含COD、BOD

安全:水无毒无害,不燃烧

便宜:相比有机溶剂,水更便宜

综上,水可以用来制造渗透剂,虽然说难度比油基型渗透剂要大,但只要配方科学合理,用水为主溶剂制造渗透剂是完全可行的,而且会有很多突出的优点。

 

4. 水基产品的环保特性

与油基产品相比,水基产品自带低BOD、COD属性。首先来看看渗透废水中含有哪些物质,这些物质是如何被降解的?

        油基产品:我们姑且把醇基、醇醚基,表面活性剂基和油基产品统称为油基产品,他们都是碳氢或碳氢氧的化合物,最终被分解产物是二氧化碳和水;染料中,含有氮元素的情况会比较多,最终的分解产物除了二氧化碳和水,还会有氮的氧化物,但是染料的添加量很小,氮元素在染料种所占的比例也很小,最终氮含量甚微,例如,一只荧光染料的分子式为C20H24N2O2,其中氮元素的质量分数只占8.6%,按照荧光染料添加量1%计算,在整个渗透剂中,氮元素的质量分数为0.086%,再按废水稀释比为1:400,最终废水中含氮量就只有0.000215%,也就是说只有2.15ppm。有的渗透剂中会含有一定比例磷系阻燃剂,但该成分不是必要的成分,不做讨论。因此,渗透废水被充分氧化,最终的产物为二氧化碳、水和微量的氮的氧化物。

        水基产品:水为主要成分,不做进一步分解,不消耗氧。一般会选择生物降解性更好一些的助剂,因此BOD/COD比值会高一些,更易生物降解。最终的降解产物与油基产品类似。由于含水量较高,一般会超过50%,COD和BOD会大幅下降,一般为油基产品的30~50%。随着技术的进步,进一步提高含水量是完全可能的,COD和BOD会进一步下降。

                                                  (1:300稀释)

结论:水基产品在废水处理上有明显的优势,能大幅降低后期废水处理的负荷。废水处理,还会涉及到色度、PH值、SS固体悬浮物、氨氮、总磷、重金属等指标,这些方面,水基产品和油基产品没有本质上的区别,也不是渗透废水处理的主要矛盾,这里不做讨论。

 

5. 水基产品的性能指标

实验材料:A:水基荧光渗透ZL-425

                  B:水基荧光渗透ZL-440

                  C:油基自乳化荧光渗透ZL-60D

5.1 灵敏度

灵敏度与渗透剂的渗透能力、抗过洗能力、可去除性、荧光亮度、显像剂的显像能力有关。如前文所述,水不是传统认知上的良好的渗透剂,但是可以通过调整达到预期的效果。灵敏度的高低跟主溶剂是水还是油没有绝对的关系。这更多的是一种市场行为,水基荧光渗透剂目前主要用于汽车行业,2级灵敏度就能满足要求。目前水基荧光渗透液以1和2级灵敏度为主。如果有市场需要,完全可以做出更高等级灵敏度的水基渗透剂。

                                                灵敏度对比照片(干粉显像)

                                                灵敏度对比照片(溶剂悬浮显像)

上图从左到右分别为:水基A、水基B、油基C、油基D

灵敏度实验条件:

试块:30μm 1型试块

渗透时间:渗透5分钟,滴落5分钟

清洗条件:清洗20秒,温度25℃,压力0.25MPa

烘干:烘箱57℃,90秒

结论:灵敏度的判定标准是一样的,产品在型式实验时定位为什么等级的灵敏度就是什么等级的灵敏度,不会因为是水基或油基而存在区别。验证实验也可以看出,水基和油基在灵敏度上没有本质上的区别。

5.2 可去除性

水基产品中的所有液体部分都是水溶性的,染料不一定,染料可能是通过助溶剂助溶到水里边。因此,与油基产品相比,水基产品具有优异的水洗可去除性,清洗用水量将会减少,清洗过程被缩短,背景残留更少,信噪比更高,间接提高灵敏度。             水基A 水洗20秒

             水基B 水洗20秒

             油基C 水洗20秒

结论:水基产品比油基产品明显可去除性更好。在光面上还好,都能很好去除,但是在粗糙面上,比如试块的吹砂面上就有明显的区别。

5.3 粘度

结论:产品的粘度不会因为是水基还是油基存在区别,粘度是由产品配方本身决定的。

5.4 抗过清洗性

我们正常的逻辑会认为,与油基产品相比,水基型产品容易被过清洗。大可不必为此担心,产品设计的时候,我们就考虑了抗过洗性能,而且由于可去除性好,清洗时间短,清洗用水压力可减小,温度可降低,进一步减小了被过洗的可能性。实验证明,水基型产品具有良好的抗过洗性。

         水基样品B 水洗20秒

         水基样品B 水洗40秒

               水基样品A 水洗20/40秒

               水基样品B 水洗20/40秒

               油基样品C水洗20/40/60秒

结论:无论是在1型试块上还是在PSM-5试块上,水基产品都表现出很好的抗过清洗性。

5.5 容水率

根据AMS 2644F、ISO 3452-2以及GB/T 18851.2,自乳化油基产品一般要求容水率大于5%,厂家设计配方的时候会将容水率设计得高于标准要求,例如,美国磁通的ZL-60D自乳化荧光渗透剂就能到到20%的容水率。水基产品的容水率就大很多了,甚至可以做到与水无限混溶,我们设计的水基产品,容水率都达到50%以上。容水率高,产品耐水污染能力强,可延长产品使用寿命。

5.6 荧光亮度、UV稳定性、热稳定性

  1. 荧光亮度:以RC-77为标样,亮度值设为80,测试值为对比亮度值。
  2. UV稳定性:800Μw/cm2的UV-A下曝光1个小时,荧光亮度计测试,与未曝光的进行对比,得比值。
  3. 热稳定性:117℃烘箱,烘一个小时,荧光亮度计测试,与未进烘箱的进行对比,得比值

结论:水基产品可以做到和油基产品一样的亮度,并且具有优异的热稳定性和UV稳定性。

5.7 润湿性

实验证明,通过合适的表面活性剂的调剂,水基产品能在工件及试块表面上充分润湿,不存在收缩的情况,与油基产品无异。

                                光滑1型试块上的润湿性

                            粗糙度试块上的润湿性

结论:无论在光滑面上还是粗糙面上,水基和油基产品表现出同样的润湿效果,无收缩现象。

综上,水基荧光渗透液各方面技术指标都不比油基荧光渗透液差。

 

6. 换用水基型荧光渗透液给用户带来的价值

降低检测成本:

  • 材料成本低:相对油基产品价格较低
  • 消耗少:渗透液带走量少,减少渗透液的消耗
  • 废水处理成本低:废水产生量少;BOD/COD比值高,易处理;COD、BOD绝对值低,废水处理负荷减小

加快检测流程:

  • 预清洗后,简单的漂洗后,可以不用烘干就进行渗透,加快检测进程
  • 优异的润湿性和可去除性,节约清洗用水,缩短清洗用时间。
  • 可去除性好,背景残留少,信噪比高,使缺陷显示更加鲜明

安全优势

  • 水基产品无闪点,不燃烧,生产、运输、储存、使用环节无着火的隐患,可以按照非危险品处理,节约成本。
  • 水基产品无不良气味,无毒无害,检测环境更舒适。

 

7. 水基型荧光渗透液还存在哪些不足

我们应该正视水基产品存在的一些不足,不应该去回避:

  • 水基产品挥发相对比油基产品要快一些。
  • 水基产品容易起泡,避免激烈的搅拌。
  • 不建议采用水基显像剂对水基渗透剂进行显像,除非使用方通过实验认可,确认可以采用水基显像剂。

综上所述,水基产品在环保性、经济性、安全性上对油基产品有明显的竞争优势,灵敏度等关键指标也能满足渗透检测的要求。换用水基型荧光渗透液是明智的选择。

 

 

 

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