2.4　清洗剂的制备与设备

液体清洗剂的制备工艺，所涉及的化工单元操作和设备主要是：带搅拌的混合罐、高效乳化或均质设备、物料运输泵和真空泵、计量泵、物料储存罐、加热和冷却设备、过滤设备、包装和灌装设备。把这些设备用管道串联在一起，配以恰当的能源动力，即组成液体洗涤剂的生产工艺流程。按照制备工艺顺序，探讨如下。

2.4.1　原料准备

（1）方法　在制备清洗剂前，原料常需要进行一定的前处理。有的原料需要预先熔化；有的需要溶解；有的需要预混；有些原料还需要滤去机械杂质；制备清洗剂的水需进行相应的处理；液体原料需要计量，可采用高位槽罐或者计量泵。

（2）相关设备介绍

①高位槽计量罐（图2-1），又被称为高位缸、高位槽、高位储罐、滴加罐、计量罐等，可用于生产中各类料液的高位储存、滴加、灌装、缓冲等，用于流动性较好的液体物料可减少泵送环节。罐体结构一般为单层、立式，也可根据工艺需求设计附带夹层、保温、搅拌等功能。

高位槽计量罐采用液位计、超声波检测仪或压力测量仪等检测仪器测量物料液面在容器中高度，从而计算出物料的储存量。根据生产工艺和技术要求，可将检测得到的物料高度信号，传输给控制物料进出口的部件（如泵、阀等），实现自动化控制。

②计量泵（图2-2），是一种可以计量所输送液体的机械，也叫定量泵、比例泵，适用于对计量精度要求高的场合。计量泵可分为柱塞式、机械隔膜泵式、液压隔膜泵式等，其中柱塞式计量泵价格较低，计量精度可达±1%，能运送高黏度流体，出口压力变化时流量几乎不变，但不耐腐蚀，腐蚀性液体可用隔膜泵式计量泵进行输送。计量泵用于输送液体，精度高且配套性强，非常适应工业的自动化操作和远距离自动控制的发展趋势。

③过滤设备。原料、产品中的机械杂质和不溶性杂质，可用滤布进行过滤。滤布是由涤纶、丙纶、锦纶、维纶等材质织成的过滤介质，具有耐热、耐酸碱、耐磨等特点，广泛用于工业生产中的固液分离。需要注意的是，其中锦纶滤布虽然具有良好的耐碱能力，但不能用于食品、制药领域，因为它含有不利于人体健康的成分。

精密过滤器，适用于对过滤精度要求比较高的固液分离。筒体外壳一般采用不锈钢材质制造，内部采用聚四氟乙烯膜（PTFE）滤芯，聚酮膜（HE）滤芯，聚丙烯膜（PP）滤芯，乙酸纤维膜（CA）滤芯等作为过滤元件，过滤精度范围从0.1至60μm，选择不同的过滤元件，以达到要求的过滤效果。

④水处理设备。混床是指水依次通过装有氢型阳离子交换树脂的阳床和装有氢氧型阴离子交换树脂的阴床的系统。阳床用于除去水中的阳离子；阴床用于除去水中的阴离子。通过混床可将水中的各种矿物盐基本除去，实现软化水的目的。

反渗透是一种借助于反渗透膜的选择性透过功能，以压力为推动力的膜分离技术。当系统所加的压力大于进水溶液的渗透压时，水分子不断地透过膜，经过产水流道进入收集器，而水中的杂质（如离子、有机物、细菌、病毒等）被截留在膜的进水侧，从浓水出水端流出，最终达到分离净化目的。图2-3为超纯水制备系统。

2.4.2　混合或乳化

大部分清洗剂是制成均相透明的混合溶液，也可制成乳状液。对一般透明或乳状液体洗涤剂，可采用带搅拌的反应釜进行混合，一般选用带夹套的反应釜，可调节转速，可加热或冷却。对较高档的产品，可采用乳化机配制。乳化机又分真空乳化机和普通乳化机。真空乳化机制得的产品气流少，膏体细腻，稳定性好。

（1）混合　液体洗涤剂的配制过程以混合为主，但各种类型的液体洗涤剂有不同的特点，一般有两种配制方法：一是冷混法，二是热混法。

①冷混法，首先将去离子水加入搅拌混合罐中，然后将表面活性剂溶解于水中，再加入其他助剂或辅助剂，待形成均匀溶液后，可加入其他成分（如香料、色素、防腐剂等），最后将溶液调节至所需的pH值和黏度。冷混法适用于不含蜡状固体或难溶性物质的配方。

②热混法，一般适用于配方中含有蜡状固体或难溶性物质的情况。首先将表面活性剂溶于热水或冷水中，在不断搅拌下加热到70℃，然后加入要溶解的固体原料，继续搅拌至溶液均匀透明为止。然后将温度冷却至25℃左右，加入色素、香料和防腐剂等。pH值和黏度的调节一般应在较低的温度下进行。热混法的温度也不宜过高（一般不超过70℃），以免配方中的某些成分遭到破坏。

③制备过程中的注意事项

a.高浓度表面活性剂的稀释，必须将表面活性剂慢慢地加入水中，而不是把水加入到表面活性剂中，否则会形成黏性极大的团状物难以分散。

b.水溶性高分子物质，如阳离子瓜尔胶等，大多是固体粉末或颗粒。它们虽然溶于水，但溶解速度很慢，需要长期搅拌甚至加热，造成大量能耗和降低设备利用率。在高分子粉料中加入适量甘油以润湿，然后再将高分子物质加入水相，可以促进高分子的溶解，若加热，则溶解更快。

c.表面活性剂使得液体清洗剂容易产生泡沫，注意加料的液面需要没过搅拌桨叶，以避免过多的空气混入。

（2）乳化　一些工业清洗剂必须制成乳浊液，才能保证其功能性成分均匀分散在水中。乳化型的清洗剂，无论是配方、复配工艺，还是生产设备，在工业清洗剂中都是要求最高的，工艺也是最复杂的。

乳化方法包括乳化剂、油相和水相的添加顺序以及乳化温度等。除了配方中乳化剂的选择外，适宜的乳化方法也是制备合格乳化产品的重要保证。

a.转相乳化法　乳化型清洗剂中常见的是水包油型（O/W型），在制备O/W型乳状液时，先将乳化剂和油相成分加热混匀成液体状，然后在均匀搅拌下缓慢加入热的水相。在这个过程中，油相开始分散成细小的颗粒，并首先形成油包水型（W/O型）乳状液。随着热水的继续加入，乳状液逐渐增稠，但水相加至约60%左右时，乳状液会突然变稀，这时体系已经转变成了O/W型乳状液，余下的水相可以较快速地加完，得到最终的乳化型清洗剂。

在转相时，油相很快地分散成细而均匀的粒子。但转相结束后，再剧烈的搅拌也不能使粒子变得更细小。所以，需要充分理解转相原理并认真操作。

b.自然乳化法　自然乳化法的特点是不必使用剧烈搅拌装置，当含有一定量乳化剂的油相投入水相中时就可以获得均匀的乳状液。油相为矿物油等流动性好的液体时，常采用这种方法。高黏度的油需要在较高温度（40～60℃）下才能进行自然乳化。而多元醇酯类则不易实现自然乳化。

c.机械强制乳化法　通过转相乳化法和自然乳化法都无法制备的乳化体，可以采用机械强制乳化法。利用均质乳化器和胶体磨等机器，可以用非常大的剪切力将被乳化物撕成很细且均匀的粒子，形成稳定的乳状液。

（3）相关设备介绍

①混合机，是利用机械力将两种或两种以上物料均匀混合的机械设备。常用的混合机可分为低黏度液体混合机、中高黏度液体和膏状物混合机、粉状和粒状固体物料混合机等。混合机的配件由耐磨合金材料制造，包括高速搅拌刮刀、搅拌翅、耐磨衬板、搅拌臂、搅拌铲、行星铲、搅拌犁刀、搅拌棒、搅拌耙等。中高黏度液体和膏状物混合机一般具有强的剪切作用。根据搅拌方式的不同，常见的有双螺旋锥形混合机、卧式螺带混合机、三维运动混合机等。

双螺旋锥形混合机（见图2-4）利用螺旋的公转使粉粒向周围运动，利用螺旋叶片的自转使粉粒向中央作径向运动，粉体从锥底向上升流并向螺旋外围表面上排出，进行物料混合。由于螺旋在混合机内的公转自转的组合，形成了粉体的四种流动形式：即对流、剪切、扩散、掺混的复合运动。因此，粉体在混合机内能迅速达到均匀的混合。

卧式螺带混合机（见图2-5）适用于搅拌干的、粉状的物料。机内物料受两个相反方向运动的转子作用，进行复合运动。双轴螺旋叶片分别作顺时针、逆时针两个方向的运动，造成靠近轴心处的物料由内至两侧推动，而外螺旋带动靠近筒壁物料由两侧至内推动，使物料对流循环、剪切掺混，完成物料在较短时间内快速混合均匀。

三维运动混合机（见图2-6）能够在立方体三维空间上作独特的平移、转动，以及摇滚运动，使物料在混合筒内处于“旋转流动-平移-颠倒落体”等复杂的运动状态，产生一股交替脉冲，连续不断地推动物料，运动产生的湍动则有变化的能量梯度，从而使被混合的物料中各质点具有不同的运动状态，各质点在频繁的运动扩散中不断地改变自己所处的位置，产生理想的混合效果。

②反应釜（见图2-7），是综合反应容器，即物理或化学反应的容器。通过对容器的结构设计与参数配置，可以实现加热、控温、冷却、低高速混配等生产工艺要求的功能。新型的反应釜可以在较高自动化程度下完成预设好的“进料-反应-出料”各反应步骤，并对反应过程中的温度、压力、力学控制、反应物/产物浓度等重要参数进行调控。其结构一般由釜体、传动装置、搅拌装置、加热装置、冷却装置、密封装置组成，配套的辅助设备包括分馏柱、冷凝器、分水器、收集罐、过滤器等。

③高速剪切乳化机（见图2-8），是指物料在均质锅内通过锅内搅拌框不断地旋转搅拌，使其不断产生新界面，将物料剪断、压缩、折叠，使其搅拌、混合而向下流往锅体下方的均质器处，再通过高速旋转的转子与定子之间所产生的强力的剪断、分散、冲击、乱流等过程使物料在剪切缝中被切割，迅速破碎成200nm～2μm的微粒。物料微粒化、乳化、混合、调匀、分散等在短时间内完成。

④超声乳化机，其部件主要包括大功率超声波换能器、变幅杆和工具头（发射头）。换能器将输入的电能转换成机械能，即超声波；变幅杆按设计需要放大振幅，隔离反应溶液和换能器，同时也起到固定整个超声波振动系统的作用；工具头与变幅杆相连，变幅杆将超声波能量振动传递给工具头，再由工具头将超声波能量发射到液体中。在超声波能量作用下，可以促使两种（或两种以上）不相溶液体混合均匀形成分散物系，其中一种液体均匀分布在另一液体之中而形成乳状液。

2.4.3　调整

（1）加香加色　部分清洗剂在制备工艺的后期，会进行加香，以提高产品档次。选择香精时需考虑加香产品的性质、清洗剂的酸碱性特点，应不起化学反应，互相稳定。

在清洗剂中加入香精时，需要注意温度。若在较高温度下加香，香精中稀释剂（多用乙醇）会大量挥发，造成香精流失，甚至因为高温导致香精变质。一般在50℃以下加香较为适宜。香精的加入量一般很少，不易混匀，常用乙醇稀释后再加入产品中。

清洗剂有时也需要加色，一般选用染料使产品着色。染料的用量一般在千分之几的范围甚至更少，因为加色只是为了美观，且须保持产品应有的透明度，还不能使被清洗物着色。在加色时，原则上应先用清洗剂中对色素有较好溶解性的成分，预先与色素混溶，然后再进行清洗剂的复配。

色素加入清洗剂产品中，最终呈现的色泽是一种综合指标，不同组分与色素配合后光反射效果不同，产生的色彩、色度、色调都可能发生变化。工艺条件中的温度，也可能对色彩效果产生影响。因此，清洗剂主体配方确定后，还应对加色素工艺进行实验以确定最终方案。

（2）调整黏度　液体清洗剂都应有适当的黏度。为满足这一要求，一般都需要对清洗剂的黏度进行调整。清洗剂配方中若含有烷基醇酰胺，其含量可控制产品的黏度；对于一般的清洗剂，可以加入氯化钠（或氯化铵）等电解质以增加黏度；对以脂肪酸盐为主要活性物的清洗剂，可以加入长链脂肪酸以提高黏度；对于乳化型清洗剂，可以加入亲水性高分子物质，不但可作为增稠剂，还可增强乳化效果。如果希望获得低黏度的清洗剂，可以加入酒精、二甲苯磺酸等稀释剂。

对于透明型的清洗剂，调整黏度时加入胶质、有机增稠剂或无机盐类，还要求同时考虑产品乳浊点，需要选择浊点较高或低温下溶解度较大的活性物质，一般来说，用氯化钠、氯化铵进行黏度调节最为方便，加入量为1%～4%。

乳化型清洗剂的增稠，比透明型清洗剂的增稠更容易。最常用的增稠剂是水溶性高分子化合物，如聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等。这类产品乳化增稠都是为稳定难溶性功能成分，但不能太稠，流动性太差不便使用。

（3）调整pH值　在制备清洗剂时，大部分活性物质是碱性的。一些重垢型清洗剂是高碱性的，而轻垢型清洗剂的碱性较低，个别产品如高级饰物清洗剂等需要具有酸性。因此，清洗剂制备工艺中，调节pH值是一项必要工序，用到的缓冲剂一般是酸或酸性的盐，如柠檬酸、酒石酸、磷酸和磷酸氢二钠等。

清洗剂制备过程中，各主要成分按工艺条件混配后，测定其pH值，估算缓冲剂的用量，投入缓冲剂并搅拌均匀后，再测pH值。若未达到要求可继续补加，就这样逐步逼近，直到满意为止。

清洗剂pH值是一个范围，而不是定数。另外，新配制的清洗剂在长期储存后pH值可能会发生明显变化，这在控制生产时应考虑到。

（4）相关设备

①黏度计，是测量流体黏度的物性分析仪器。按工作方式可以分为：离线黏度计（取样检测）、在线黏度计（连续实时监测）和便携式黏度计。

离线黏度计可分为毛细管式和旋转式两种，前者根据液体在一定条件下通过毛细管的速度来计算液体黏度，后者则检测弹片在黏性液体中的受力运动情况，由于流体内的物体运动会受到流体的阻碍，此作用的大小与流体的黏度有关，通过计算可以得到流体的黏度数值。

在线黏度计是基于QCM敏感器件的黏度传感器，当探头敏感器件与被测液体接触时，通过监测电压超声敏感器件的参数变化来感知液体黏度的变化。

便携式黏度计采用共轴二圆筒式的方法测量黏度。外部的平底圆筒和内部的圆柱体共轴，二者之间的狭缝中充满被测液体。当泵带动圆筒作旋转运动时，狭缝中的液体受剪切力作用而发生流动，并因液体的黏滞性而带动内部的圆柱转动。根据圆筒的转速和圆柱的转矩可以计算出液体的黏度。

②pH计，通过电位分析法测量液体中的氢离子浓度，从而可以得到精密的酸碱度值。pH计也亦可分为便携式、台式和连续监控的在线式。工业用pH计还应具有环境适应能力强、抗干扰能力强、数字通信、上下限报警、远程控制等功能。

2.4.4　后处理

（1）过滤　从配制设备中制得的洗涤剂在包装前需滤去机械杂质。

（2）均质老化　经过乳化的液体，其稳定性往往较差，如果再经过均质工艺，使乳液中分散相中的颗粒更细小，更均匀，则产品更稳定。均质或搅拌混合的制品，放在储罐中静置老化几小时，待其能稳定后再进行包装。

（3）脱气　由于搅拌作用和产品中表面活性剂的作用，有大量气泡混于成品中，造成产品不均匀，性能及储存稳定性变差，包装计量不准确。可采用真空脱气工艺，快速将产品的气泡排出。

（4）相关设备　真空脱气机，是利用真空抽吸作用排除料液中所含不凝性气体的装置。真空脱气机可以在真空罐中形成负压，由于压力降低，气体的溶解度减小，使分散和溶解在物料中的气体释放出来，聚集在真空罐的顶部；此时灌入新物料可将聚集在真空罐顶部的气体通过自动排气阀排出。脱气处理可以去除料液中的空气（氧气），抑制维生素、色素、香气成分等物质的氧化；可以去除附着于料液中的悬散微粒气体，保持良好外观；可以防止灌装时起泡，影响之后工序的效率。

2.4.5　灌装

（1）方法　对于绝大部分液体洗涤剂，都使用塑料瓶小包装。因此，在生产过程的最后一道工序，包装质量是非常重要的，否则将前功尽弃。正规生产应使用灌装机包装流水线。小批量生产可用高位槽手工灌装。严格控制灌装量，做好封盖、贴标签、装箱和记载批号、合格证等工作。袋装产品通常应使用灌装机灌装封口。包装质量与产品内在质量同等重要。

（2）相关设备

①粉剂灌装机，多采用步进电机带动螺杆旋转过的容积计量，计量大小通过螺杆旋转圈数确定，自动灌装时包装速度采用时间间隔来设定。带有反转功能的灌装机，可以在每次灌装结束的瞬间反转，防止滴漏。

②液体灌装机，可分为常压灌装机、真空灌装机和压力法灌装机。常压灌装是在大气压力下，直接依靠被灌液料的自重流入包装容器。常见采用容积定量或液位定量两种灌装阀，容积定量比液位定量的灌装计量精度高一些，但速度略低。常压灌装机主要用于低黏度不含气的液料。

真空灌装机是在负压条件下进行灌装，国内多采用差压真空式，即储液箱内部保持常压，而对包装容器内部抽气，形成一定的真空度，液料依靠两容器间的压力差流入包装容器。真空灌装机适用于黏度稍大的液料。

压力法灌装机可借助机械或气液压装置控制活塞往复运动，将黏度较大的液料从储液箱吸入活塞缸内，然后再强制压入包装容器。压力法灌装机适用于黏度较大的液料。

③喷雾剂灌装机，专门用于气雾剂产品的生产，在结构上主要由灌液计量缸、灌液头、台面、机架及气动元件组成。其工作的过程分为灌液、封口、充气三个阶段。灌液计量缸、灌液头负责定量灌液，盖接压轧，气动元件负责将沸点在室温以下的流体（喷射剂）在高压下压入瓶内，并将瓶内空气挤出喷罐。