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一种曼尼希碱缓蚀剂的复配研究

更新时间:2016-07-05

金属腐蚀问题存在于生产生活的各个方面,造成了巨大的经济损失和安全隐患[1-2]。减缓金属腐蚀的方法有很多,其中使用缓蚀剂是最为有效的方法之一,而且具有一系列独特的优点,如使用范围广、使用方便等[3-4]。金属腐蚀发生的条件复杂,有时单一组分的缓蚀剂不能达到要求,或者要达到要求所需要的缓蚀剂浓度较大[5-6]。因此在实际应用中通常要对缓蚀剂进行复配后使用。

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据文献报道,以甲醛、邻甲苯胺、对甲氧基苯乙酮为原料制备的曼尼希碱作为缓蚀剂时,表现出了良好的缓蚀性能[7],但是使用量较大,为了进一步提高缓蚀剂缓蚀效果,使用了 KI、硫脲、花椒籽油对缓蚀剂进行复配。

1 试验

1.1 静态失重法

使用静态失重法测量添加缓蚀剂前后试片的腐蚀速率。将N80钢片(成分见表1)进行打磨清洗后,测量腐蚀前钢片质量 m1,测量试片表面积 S。将钢片置于腐蚀介质中,恒温下腐蚀2 h。对试片进行清洗、干燥后,称量其质量记为m2。依据公式(1)计算腐蚀速率,式中,S为试片表面积,m2t为腐蚀时间,h。

表1 N80钢的化学成分 Tab.1 Chemical composition of N80 steel%

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1.2 电化学测试

在常温下,利用电化学工作站,使用三电极体系进行交流阻抗和极化曲线测试,N80钢片为工作电极,铂电极为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极。测量开路电位,在5 min内变化小于2 mV,此时测试体系稳定[8]。动电位极化曲线测量时,电位扫描范围为–0.25~0.25 V(vs. OCP),速度为 1 mV/s。交流阻抗谱测试时,扰动电位为5 mV,扫描频率范围为0.1~100 000 Hz。

2 结果及分析

2.1 缓蚀剂的复配

缓蚀剂在金属表面的吸附可以用吸附模型来表示,利用多种吸附对实验数据进行拟合,考察复合缓蚀剂在金属表面的吸附模型(缓蚀剂与复配剂质量比为1:2),结果显示,符合Langmuir吸附模型(如式(2))[11]

式中:θ为通过η计算出的表面覆盖率;ρ为缓蚀剂的质量浓度,g/L;K为吸附速率常数,L/g。以ρ为横坐标,ρ/θ为纵坐标作图,可得吸附平衡常数K,吸附平衡常数与吸附自由能有如式(3)的关系。由式(2)和式(3)计算所得结果见表2。

缓蚀剂与 KI、硫脲、花椒籽油、六次甲基四胺复配前后在1 mol/L盐酸溶液中测得的极化曲线如图4所示,拟合结果见表4。

图1 缓蚀剂复配后的腐蚀速率 Fig.1 Corrosion rate after corrosion inhibitor compounding

2.2 金属表面吸附

选取常用的复配剂 KI、硫脲、花椒籽油、六次甲基四胺与缓蚀剂进行复配,使用静态失重法测量复合缓蚀剂的缓蚀效率。测试条件:盐酸的浓度为 1 mol/L,腐蚀温度为60 ℃,腐蚀时间为2 h,缓蚀剂质量浓度为50 mg/L。缓蚀剂与KI、硫脲、花椒籽油、六次甲基四胺复配后腐蚀速率的变化情况如图1所示。

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表2 缓蚀剂在金属表面吸附参数 Tab.2 Adsorption parameters of corrosion inhibitoron metal surface

组成 斜率 R2 K/(L·g-1) ΔGθ/(kJ·mol-1)缓蚀剂+KI 1.022 0.99 653.6 -26.1缓蚀剂+花椒籽油 1.028 0.99 478.5 -25.3缓蚀剂+硫脲 1.014 0.99 1136.4 -27.4缓蚀剂+六次甲基四胺 1.012 0.99 877.2 -26.8

由表2可以看出,复配缓蚀剂在金属表面的吸附自由能都处于-20~-40 kJ/mol之间,表明复配缓蚀剂在金属表面的吸附为自发性过程,且既有物理吸附,又有化学吸附[12]

2.3 交流阻抗谱

缓蚀剂与 KI、硫脲、花椒籽油、六次甲基四胺复配前后在1 mol/L盐酸溶液中测得的阻抗图谱如图2所示。由图2可知,添加缓蚀剂后,阻抗图半径增大,这说明缓蚀剂使腐蚀反应发生的阻力增大。使用KI、硫脲、花椒籽油、六次甲基四胺与缓蚀剂复配后,阻抗谱半径有了进一步的增大[13]。其中使用 KI、硫脲、六次甲基四胺与缓蚀剂复配后阻抗谱半径增加明显,这说明 KI、硫脲、六次甲基四胺与缓蚀剂的协同作用明显,这与静态失重法所得结果一致。使用Zsimpwin对阻抗图拟合后可得,空白溶液中的阻抗谱等效电路如图 3a所示,添加缓蚀剂和复配剂后等效电路为图3b所示。图3中,Rs为溶液电阻,CPE为常相角元件,Rct为电荷转移电阻,Rf为电荷迁移电阻。

由表 3中可以看出,添加缓蚀剂后,Rct电荷转移电阻增大,这说明电子由金属内部转移至介质中所需克服的阻力增大。这是由于缓蚀剂在金属表面吸附成膜,且该吸附膜电阻率较大[14]。添加复配剂后,电荷转移电阻进一步增大,这说明缓蚀剂与复配剂有着一定的协同作用。常相角元件的出现说明在金属表面存在双电层,由表3中可以看到,添加缓蚀剂后,Cdl的值大大减小,这是介电常数较大的水分子被介电常数较小的缓蚀剂分子所取代造成的[15]。添加复配剂后,Cdl的值进一步减小,是由于复合缓蚀剂在金属表面成膜更加完整。

图2 复配剂与50 mg/L缓蚀剂复配前后的交流阻抗 Fig.2 AC impedance before and after compounds and 50 mg/L corrosion inhibitor compounding

图3 等效电路 Fig.3 Equivalent circuit model

表3 电化学参数 Tab.3 Electrochemical parameters

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由拟合结果可得界面双电层电容CdlY0n,由式(4)可得Cdl,式中,Y0为指数因子,n为弥散系数。拟合结果见表3。

2.4 极化曲线

由图 1可知,将缓蚀剂分别与 KI、硫脲、花椒籽油、六次甲基四胺复配后,随着复配剂浓度的增大,腐蚀速率都有着不同程度下降。在缓蚀剂单独使用且质量浓度为50 mg/L时,腐蚀速率为6.94 g/(m2·h)。在复配剂质量浓度为100 mg/L时,腐蚀速率分别下降为 4.22、3.28、5.97、3.69 g/(m2·h)。因此复配剂KI、硫脲和六次甲基四胺与缓蚀剂有着良好的协同作用。I由于体积较小、电子密度较大和可极化度,可以快速地排开吸附在金属表面的水分子[9],金属表面的成膜速度加快,进而达到减小平均腐蚀速率的目的,但是I在金属表面的吸附不够牢固。硫脲分子中含有氮、硫原子以及双键,可以在金属表面形成较为牢固的吸附[10],而且分子体积较小,可以填充缓蚀剂吸附膜的间隙。花椒籽油由于在盐酸溶液中分散性不好,以小液滴的形式存在,因此不利于其在金属表面的吸附。六次甲基四胺中含有多个具有孤对电子的氮原子,可以在金属表面形成吸附,但是其分子体积较硫脲大,且各个氮原子间共轭作用不明显。结果显示,KI、硫脲、六次甲基四胺与缓蚀剂的协同作用良好。

表4 极化曲线参数 Tab.4 Parameters of potentiodynamic polarization curve

ρ/(mg·L–1) Ecorr/mV Jcorr/(mA·cm–2) ρ/(mg·L–1) Ecorr/mV Jcorr/(mA·cm–2)空白 –395.5 18.14 缓蚀剂 50 –425.3 0.250 50+20 –448.7 0.237 50+20 –443.7 0.237 50+50 –458.9 0.214 缓蚀剂+花椒籽油50+50 –455.8 0.229 50+100 –462.3 0.207 50+100 –452.2 0.225 50+20 –433.2 0.224 50+20 –440.8 0.217 50+50 –447.7 0.209 缓蚀剂+六次甲基四胺50+50 –454.6 0.211 50+100 –449.6 0.203 50+100 –468.4 0.207缓蚀剂+KI缓蚀剂+硫脲

由图4和表4可知,添加缓蚀剂后阴极和阳极极化曲线的腐蚀电流密度都减小,说明缓蚀剂对阴极和阳极腐蚀反应都有抑制作用。添加复配剂后,阴极和阳极曲线的腐蚀电流密度继续减小[16],这是由于复配剂与缓蚀剂间具有协同作用,能够进一步阻碍腐蚀反应的发生。所有|E空白Ecorr|小于85 mV[17],且腐蚀电位向负的方向移动,说明缓蚀剂为阴极抑制为主的混合型缓蚀剂。

图4 复配剂与缓蚀剂复配前后的动电位极化曲线 Fig.4 Potentiodynamic polarization curve before and after compounds and corrosion inhibitor compounding

3 结论

使用 KI、硫脲、花椒籽油、六次甲基四胺对缓蚀剂进行复配后,腐蚀速率有了不同程度的下降。其中 KI、硫脲、六次甲基四胺与缓蚀剂的协同作用明显。缓蚀剂经过复配后,缓蚀机理未发生变化,依然为阴极抑制为主的混合型缓蚀剂。

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杨秀芳,唐敏敏,刘杨杨,马养民
《表面技术》 2018年第5期
《表面技术》2018年第5期文献

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