水基防銹劑的制備及性能分析

馬文鈺

(山東師范大學(xué)附屬中學(xué)，山東 濟(jì)南 250014)

金屬會在自然環(huán)境中受到腐蝕，應(yīng)用科學(xué)技術(shù)可以有效建設(shè)甚至阻滯腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。目前，眾多防腐蝕工作人員已經(jīng)研制出多種多樣的防腐蝕方法，如防銹劑、耐腐蝕金屬材料、表面成膜技術(shù)等。其中添加防銹劑由于成本較低、見效快受到廣泛關(guān)注與應(yīng)用。

1 水基防銹劑的制備

1.1 二乙醇胺硼酸酯的制備

在250mL的三口燒瓶中放置磁力攪拌、分水器、相應(yīng)規(guī)格的溫度計，之后在其中加入12.4g的硼酸與46.2g的二乙醇胺、50mL的二甲苯當(dāng)做帶水劑，直到水流分水接近或與理論數(shù)量相同時結(jié)束反應(yīng)，之后采用減壓蒸餾的方式獲得二甲苯與少量水。加入60mL四氫呋喃將未反應(yīng)的二乙醇胺萃取三次，將殘留的四氫呋喃去除，結(jié)合真空干燥獲取無色黏稠二乙醇胺硼酸酯，使用0.1mol/L濃度的鹽酸滴定測試測定其純度為97.25%。

該反應(yīng)主要為二甲苯為攜水劑持續(xù)分離生成反應(yīng)體系的水，使反應(yīng)平衡向右移動，最終生成二乙醇胺硼酸酯。從實驗結(jié)果可以看出，對二乙醇胺硼酸酯收率的主要因素包含反應(yīng)物配比、溶劑用量、回流時間。

1.1.1 原料物質(zhì)的量比對出水量產(chǎn)生的影響

硼酸的量為12.4g，回流反應(yīng)時間為8h，溶劑的用量為50mL，對原料物質(zhì)的量比：n二乙醇胺/n硼酸對出水量產(chǎn)生的影響進(jìn)行考察。通過結(jié)果可以看出，隨著n二乙醇胺/n硼酸持續(xù)增加，可以使出水量明顯上升，可以說明二乙醇胺過量可以使反應(yīng)以正向進(jìn)行。但隨著 繼續(xù)增加，出水量的提升并不明顯，從經(jīng)濟(jì)性方面分析，將n二乙醇胺/n硼酸確定為2.2進(jìn)行反應(yīng)。

1.1.2 溶劑使用量對出水量產(chǎn)生的影響

可以將二乙醇胺與硼酸的酯化反應(yīng)看作可逆反應(yīng)，一般來說，為了提升產(chǎn)量減少反應(yīng)時間，會使用溶劑共沸脫水從反應(yīng)體系中分離反應(yīng)生成的水，這樣會降低逆反應(yīng)的速率，還會使可逆反應(yīng)持續(xù)向右移直到反應(yīng)完全。在進(jìn)行反應(yīng)的過程中，溶劑二甲苯的用量會對反應(yīng)體系的濃度產(chǎn)生影響，因此也會對反應(yīng)速率的高低產(chǎn)生影響，還會對出水量與反應(yīng)體系的分離情況造成影響。硼酸的用量為12.4g，二乙醇胺的用量為46.2g， n二乙醇胺/n硼酸為2.2，回流的反應(yīng)時間為8 h，觀察溶劑用量對出水量形成的影響。通過結(jié)果可以看出，帶水劑的二甲苯用量增加，生成二乙醇胺硼酸酯反應(yīng)的出水量會隨之增加， 在二甲苯用量為50mL時，體系中的溶劑就可以充分帶出反應(yīng)生成的水。二甲苯用量的持續(xù)增加會減少體系的濃度，造成二乙醇胺硼酸酯產(chǎn)量減少，降低出水量。因此若硼酸為12.4g，二乙醇胺為46.2g，即n二乙醇胺/n硼酸是2.2時應(yīng)使用50mL二甲苯的回流反應(yīng)進(jìn)行脫水。

1.1.3 反應(yīng)時間對出水量產(chǎn)生的影響

硼酸量為12.4g，二乙醇胺用量為46.2g，n二乙醇胺/n硼酸為2.2[1]，使用50mL的溶劑二甲苯，觀察反應(yīng)時間對出水量產(chǎn)生的影響。通過實驗結(jié)果可以看出，反應(yīng)時間的增加，二乙醇胺硼酸酯的出水量明顯上升，但在8h之后出水量不會提升，基本完成反應(yīng)，增長分水回流的時間顯然沒有太大作用，因此最佳的反應(yīng)時間為8h。

1.1.4 后處理對反應(yīng)產(chǎn)生的影響

在結(jié)束硼酸與二乙醇胺酯化脫水反應(yīng)之后，應(yīng)對生成的二乙醇胺硼酸酯進(jìn)行后期處理，避免對下一步的反應(yīng)造成影響。使用常用的有機(jī)溶劑，利用萃取法將未反應(yīng)的二乙醇胺與生成二乙醇胺硼酸酯進(jìn)行分離，通過大量的實驗與分析，選擇四氫呋喃當(dāng)做萃取劑可以獲得良好效果。從實驗結(jié)果來看，四氫呋喃可以很好地溶解二乙醇胺，還不會對產(chǎn)物造成過高的溶解度。提純完成之后使用旋蒸的方式去除殘留的四氫呋喃，可以獲得純度較高的二乙醇胺硼酸酯。

1.2 十二碳二酸二酰胺二乙醇胺硼酸酯的合成步驟

使用21.8g的二乙醇胺硼酸酯，十二碳二酸二甲酯用量為14.19g，取原料物重1%的KOH加入到反應(yīng)裝置中，將溫度設(shè)置為130℃，反應(yīng)時間為6h，反應(yīng)完成后開啟真空，利用減壓蒸餾對過量十二碳二甲酯與少量甲醇進(jìn)行處理，獲得淡黃色黏稠狀液體，之后在真空的環(huán)境下，使用80℃溫度對其進(jìn)行干燥，之后使用0.1mol/L鹽酸滴定，純度為96.32%。從初步的實驗結(jié)果分析可以看出，會對反應(yīng)產(chǎn)生較大影響的因素包含溫度、時間。

1.2.1 反應(yīng)溫度對DAB合成產(chǎn)生的影響

在實驗過程中，使用高溫蒸發(fā)的方式，可以將體系中含有的甲醇帶出，從而加快反應(yīng)速度，同時酰胺的反應(yīng)需要達(dá)到相應(yīng)溫度才能完成。因此將物質(zhì)的量比設(shè)定為1.2/2，反應(yīng)時間為6h，對120～150℃范圍中溫度對反應(yīng)產(chǎn)生影響進(jìn)行觀察。從結(jié)果可以看出，若反應(yīng)溫度較低，會帶出較少的甲醇量，部分反應(yīng)物沒有參與到反應(yīng)中。溫度提升，甲醇帶出速度加快，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率大幅提升，產(chǎn)物的顏色轉(zhuǎn)換為淡黃色，說明反應(yīng)進(jìn)行的十分充分。但溫度若超過140℃[2]，反應(yīng)蒸發(fā)帶出的甲醇量開始降低，產(chǎn)物的顏色逐漸加深，粘度增加，收率減少，說明溫度超過140 ℃時，會增加副反應(yīng)，因此溫度130℃較為適宜。

1.2.2 反應(yīng)時間對DAB合成產(chǎn)生的影響

從實驗結(jié)果可以看出，反應(yīng)時間的增加，甲醇量會逐漸提升。但反應(yīng)時間超過6h，反應(yīng)蒸的甲醇量并不會有太大波動，反應(yīng)收率也不會出現(xiàn)明顯變化，因此反應(yīng)的最佳時間為6h。

2 水基防銹劑的性能測試

2.1 水基防銹劑防銹性能實驗方法

2.1.1 單片實驗

稱取不同質(zhì)量的試樣，精確單位至0.1g，將其放置在100mL具塞量筒中，之后在其中加入蒸餾水到刻度線位置，塞緊后搖勻1min，超聲振動30min。依據(jù)該方法對不同濃度的水溶液試樣樣品進(jìn)行配置，將蒸餾水當(dāng)做空白對照，每組的濃度使用兩塊一級灰口鑄鐵進(jìn)行平行實驗。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實驗中使用的基材為一級灰口鑄鐵，試片的尺寸為φ35×20mm。利采用氧化鋁砂紙打磨一級灰口鑄鐵直至表面光亮，之后使用金相砂紙繼續(xù)打磨。打磨完成后，將脫脂棉蘸取無水乙醇擦拭鑄鐵打磨部分3次，然后使用脫脂棉蘸取丙酮擦拭打磨部分3次直至表面油污被徹底去除，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。取配置完成的防銹劑，按照梅花樣在處理完成的鑄鐵打磨面滴五滴放水溶液，將滴液的直徑控制在4～5mm范圍中，之后將鑄鐵試片放置在裝有蒸餾水的干燥器隔板上，不能將孔堵住，加蓋后放置在溫度為35±2℃的恒溫箱中，之后計時到滴液邊緣出現(xiàn)明顯銹點后停止，從而獲得試樣單片不銹時間。

2.1.1 疊片實驗

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實驗中使用的基材為一級灰口鑄鐵，試片的尺寸為φ35×20mm。利采用氧化鋁砂紙打磨一級灰口鑄鐵直至表面光亮，之后使用金相砂紙繼續(xù)打磨。打磨完成后，將脫脂棉蘸取無水乙醇擦拭鑄鐵打磨部分3次，然后使用脫脂棉蘸取丙酮擦拭打磨部分3次直至表面油污被徹底去除，并用吹風(fēng)機(jī)吹干，置于干燥器中待用。

將處理完的鑄鐵試片小心平放在干燥器隔板上，將試片的打磨面朝上，使用滴管吸取試液并均勻涂在試片中，使用另一塊試片的打磨面與其重疊。關(guān)閉干燥器蓋，將干燥器放置在溫度為35±2℃的恒溫器中，開始計時。使用脫脂棉蘸取無水乙醇，將打開后試片表面的防銹試液擦除，立刻觀察，直到距試片邊緣1mm之內(nèi)的兩疊面發(fā)生銹蝕或明顯的疊印停止計時，從而獲取試樣的疊片不銹時間。

2.2 單片防銹性能相關(guān)研究

本次實驗的測試試片使用了一級灰口鑄鐵，基于潮濕環(huán)境下，測試DBE、DAB對一級灰口鑄鐵的防銹性能，使用的DBE、DAB的合成工藝為最佳。

2.2.1 二乙醇胺硼酸酯DBE單片防銹實驗

隨著二乙醇胺硼酸酯濃度的不斷增加，通過實驗可以看出，不銹時間不會發(fā)生明顯的變化，不銹時間也很短，約為8h，會發(fā)生不同程度的銹蝕，可以看出DBE單獨(dú)作為防銹劑的性能很差，這與預(yù)期的理論符合。

2.2.2 十二碳二酸二酰胺二乙醇胺硼酸酯DAB單片防銹實驗

通過實驗結(jié)果可以看出，十二碳二酸二酰胺二乙醇胺硼酸酯DAB的防銹性能十分優(yōu)良，單片不銹時間都會超過48h，隨著DAB濃度持續(xù)增加，不銹時間不會出現(xiàn)明顯變化，可以看出DAB單獨(dú)作為防銹劑，使用1%濃度就可以獲得良好的使用效果。

3 疊片防銹實驗

從分子結(jié)構(gòu)方面來看，相比于二乙醇胺硼酸酯，DAB中含有多個酰胺基、硼酯基、胺基等，將目前防銹相關(guān)理論進(jìn)行分析，將DAB當(dāng)做金屬防銹劑可以在防銹行業(yè)具備廣闊的發(fā)展前景。在潮濕環(huán)境下，對DBE、DAB的疊片防銹性能進(jìn)行測試，當(dāng)DBE濃度達(dá)到3%時[3]，疊片的不銹時間僅為2h，同時隨著DBE濃度不斷增加，疊片的不銹時間沒有獲得改善。將單片、疊片實驗的結(jié)果綜合分析，可以看出二乙醇胺硼酸酯的防銹性能較低。

在相同條件的實驗中，加入DAB后，疊片的不銹時間會超過8h，經(jīng)過DAB濃度持續(xù)增加，疊片的不銹時間也會增加?；诜冷P劑盡量少添加的原則，添加1%的DAB就可以獲得較高的防銹效果。因此從單片、疊片實驗結(jié)果進(jìn)行綜合分析，結(jié)合DAB分子結(jié)構(gòu)，可以表明十二碳二酸二酰胺二乙醇胺硼酸酯具備較高的防銹性能。

4 防銹作用吸附機(jī)理分析

5 結(jié)論

通過水基防銹劑的制備與性能測試可以看出，十二碳二酸二酰胺二乙醇胺硼酸酯DAB的防銹性能較高，因此使用DAB與其他添加劑進(jìn)行復(fù)配，可以獲得防銹、防腐性能很好的水基防銹劑。相信在未來的努力與實踐下，水基防銹劑可以獲得更高的性能與應(yīng)用效果，從而促進(jìn)我國相關(guān)行業(yè)獲得進(jìn)一步的發(fā)展。