水基荧光渗透液的应用

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。

渗透剂样品容水率

	水基样品A	水基样品B	油基样品C
容水率	＞50%	＞50%	23%

结论：水基产品容水率明显高于油基产品，产品更耐用，更耐水污染。

5.6 荧光亮度、UV稳定新、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。