一種抑制銅在酸性介質中腐蝕的綠色環保型復配緩蝕劑的製作方法

2023-09-11 19:42:50

本發明涉及一種緩蝕劑，具體涉及一種抑制銅在酸性介質中腐蝕的綠色環保型復配緩蝕劑，屬於化學技術領域。

背景技術：

銅是人類發現最早的金屬，由於其具有優異的強度、良好的機械加工性能、導電性、可焊接性及耐腐蝕性等特點，長期以來在化工、軍事及民用等領域均得到了廣泛的應用，尤其在化工領域應用最普遍。而大多數化工廠的條件都比較苛刻，高溫高壓，強酸強鹼。在這樣的環境下，金屬銅很容易被腐蝕，進而會給化工生產帶來一些不必要的重大損失，為此對銅的防腐研究就顯得尤為重要。

緩蝕劑作為一種高效的防腐手段已被大多數學者研究分析並應用在工業生產中。近年來，也有越來越多的學者將兩種緩蝕劑通過一定的比例復配，再研究其對金屬或合金腐蝕速率的影響。復配緩蝕劑很好的綜合了單一緩蝕劑的優點，兩種或兩種以上緩蝕劑發生協同反應，可以更加有效地提高復配緩蝕劑的緩蝕效率。

對於銅在酸性介質中的腐蝕，學者們也研究討論了一些復配緩蝕劑，效果顯著。但是，他們所選的緩蝕劑如硫脲受熱會釋放出氮、硫的氧化物等有毒氣體，六亞甲基四胺高度易燃並且對皮膚有刺激作用。

因此，尋找一種綠色環保的復配緩蝕劑來解決銅在酸性介質中的腐蝕變得尤為重要。

技術實現要素：

為解決現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種能夠高效抑制銅在酸性介質中腐蝕的綠色環保型復配緩蝕劑。

為了實現上述目標，本發明採用如下的技術方案：

一種抑制銅在酸性介質中腐蝕的綠色環保型復配緩蝕劑，其特徵在於，由鉬酸鈉溶液和香草醛溶液復配而成。

前述的抑制銅在酸性介質中腐蝕的綠色環保型復配緩蝕劑，其特徵在於，復配後，鉬酸鈉的濃度為0.01mol/l～0.1mol/l，香草醛的濃度為0.005mol/l～0.015mol/l。

前述的抑制銅在酸性介質中腐蝕的綠色環保型復配緩蝕劑，其特徵在於，復配後，鉬酸鈉的濃度為0.05mol/l，香草醛的濃度為0.015mol/l。

前述的抑制銅在酸性介質中腐蝕的綠色環保型復配緩蝕劑，其特徵在於，稀釋鉬酸鈉所用的溶劑為蒸餾水。

前述的抑制銅在酸性介質中腐蝕的綠色環保型復配緩蝕劑，其特徵在於，稀釋香草醛所用的溶劑為蒸餾水。

前述的抑制銅在酸性介質中腐蝕的綠色環保型復配緩蝕劑，其特徵在於，前述酸性介質為質量分數為15％的鹽酸溶液。

本發明的有益之處在於：

1、鉬酸鈉是一種常用的陽極型緩蝕劑，屬於無機緩蝕劑，香草醛是一種醛類有機物，大量存在於甜菜、香草豆等植物體內，易於提取，環保、健康，屬於有機緩蝕劑，本發明將對人體和環境都無害的鉬酸鈉和香草醛進行復配，有效減少了有害緩蝕劑對環境和人類的危害，是一種綠色環保型複合緩蝕劑；

2、試驗證明，鉬酸鈉和香草醛復配後發生了協同效應，使得金屬表面的膜層的緻密度更好，覆蓋度更大，有效地阻止了氯離子對銅的破壞，使得緩蝕效果更好，有效地減小了金屬銅的腐蝕速率，延長了金屬銅的使用壽命；

3、本發明的復配緩蝕劑製備方法簡單，成本較低，便於工業化大規模生產。

附圖說明

圖1是25℃時，銅在不同濃度的單一鉬酸鈉緩蝕劑中的tafel極化曲線；

圖2是25℃時，銅在不同濃度的單一鉬酸鈉緩蝕劑中的nyquist曲線；

圖3是25℃時，銅在不同濃度的復配緩蝕劑中的tafel極化曲線；

圖4是25℃時，銅在不同濃度的復配緩蝕劑中的nyquist曲線；

圖5是25℃時，銅在不同濃度的復配緩蝕劑中的bode曲線；

圖6是在酸性介質中，不同緩蝕劑的緩蝕效率比較圖；

圖7(a)是金屬銅在15％鹽酸中的sem圖；

圖7(b)是金屬銅在0.05mol/l鉬酸鈉溶液中的sem圖；

圖7(c)是金屬銅在0.05mol/l鉬酸鈉+0.015mol/l香草醛復配溶液中的sem圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明作具體的介紹。

一、配製鉬酸鈉溶液

鉬酸鈉為國藥集團化學試劑，分析純，白色固體晶粒。

用分析天平稱取適量鉬酸鈉晶體顆粒，溶解於一定體積的蒸餾水中，得到鉬酸鈉溶液。

鉬酸鈉是一種常用的陽極型緩蝕劑，屬於無機緩蝕劑，對人體和環境都無害。

二、配製香草醛溶液

香草醛為國藥集團化學試劑，分析純，白色粉末狀。

用分析天平稱取適量香草醛粉末，溶於一定體積的蒸餾水中，得到香草醛溶液。

香草醛是一種醛類有機物，大量存在於甜菜、香草豆等植物體內，易於提取，環保、健康，屬於有機緩蝕劑，對人體和環境都無害。

三、復配

取適量鉬酸鈉溶液和適量香草醛溶液，將兩種溶液混合到一起，攪拌均勻即可，復配後，鉬酸鈉的濃度為0.01mol/l～0.1mol/l，香草醛的濃度為0.005mol/l～0.015mol/l。

在本實施例中，復配後，鉬酸鈉的濃度為0.05mol/l，香草醛的濃度為0.015mol/l。

本發明將對人體和環境都無害的鉬酸鈉和香草醛進行復配，有效減少了有害緩蝕劑對環境和人類的危害，是一種綠色環保型複合緩蝕劑。

四、性能評價試驗及結果

1、性能評價試驗

(1)處理金屬銅樣品

先用線切割法將銅片加工成規格為ф14.5mm×3mm的圓片，然後把樣品測試面用400#、800#、1000#和1200#的金相砂紙逐級打磨，再用拋光機拋光，最後依次用丙酮、乙醇和重蒸水清洗，乾燥後備用。

(2)對金屬銅樣品進行腐蝕試驗

以質量分數為15％的鹽酸溶液為酸性介質，將金屬銅樣品放入不同濃度的50ml單一鉬酸鈉緩蝕劑中(25℃)和不同濃度的55ml復配緩蝕劑中(25℃)，浸泡12h-18h，然後取出置於20ml的鹽酸溶液中待測。

(3)進行電化學測試

對浸泡後的金屬銅樣品進行電化學實驗測試，包括：極化曲線和阻抗曲線(均重複三次)，同時利用軟體對所得曲線進行擬合，得到腐蝕動電位擬合參數和阻抗擬合參數。

(4)進行sem測試

將浸泡後的金屬銅樣品用乙醇清洗，乾燥後進行sem測試。

2、試驗結果

(1)電化學測試結果

銅在不同濃度單一鉬酸鈉緩蝕劑中的動電位極化曲線如圖1所示。

利用軟體對所得動電位極化曲線進行擬合，得到的腐蝕動電位擬合參數見表1。

表1銅在單一鉬酸鈉緩蝕劑中的動電位擬合參數

從圖1和表1可以看出：未加入緩蝕劑時，腐蝕電流密度為63.137×10-5a·cm-2；加入不同濃度的單一鉬酸鈉緩蝕劑之後，極化曲線均出現了不同程度的左移，表明緩蝕劑的加入降低了銅在鹽酸介質中的腐蝕電流密度，金屬的腐蝕速率減小；當鉬酸鈉的濃度為50mm(0.05mol/l)時，腐蝕電流密度最小，為15.716×10-5a·cm-2，說明此濃度下的緩蝕效果最佳。

銅在不同濃度的單一鉬酸鈉緩蝕劑中的nyquist曲線如圖2所示。

利用軟體對所得nyquist曲線進行擬合，得到的阻抗擬合參數見表2。

表2銅在單一鉬酸鈉緩蝕劑中的阻抗擬合參數

從圖2和表2可以看出：未加入緩蝕劑時，容抗弧的半徑較小，溶液中的電荷轉移電阻為10.63ω·cm2；加入不同濃度的鉬酸鈉緩蝕劑後，容抗弧的半徑均出現了不同程度的增大，表明緩蝕劑的加入使得溶液中的電荷轉移電阻增大，其中最大的電荷轉移電阻為20.44ω·cm2，此時溶液中金屬表面保護膜的覆蓋度最大，為47.99％，這與極化曲線的分子結果一致，說明緩蝕劑的加入使得腐蝕離子的擴散受到了不同程度的阻礙作用，金屬的腐蝕程度降低。

銅在不同濃度的復配緩蝕劑(此時鉬酸鈉的濃度取單一時的最佳緩蝕效果時的濃度，即50mm)中的tafel極化曲線如圖3所示。

利用軟體對所得tafel極化曲線進行擬合，得到的擬合動電位參數見表3(鹽酸濃度為4.865mol/l)。

表3銅在不同濃度復配緩蝕劑中的動電位擬合參數

從圖3和表3可以明顯地看出：加入不同濃度的復配緩蝕劑後，極化曲線均出現了左移，且與圖1中的左移程度相比，幅度更大一些；最小腐蝕電流密度為3.655×10-5a·cm-2，也比單一緩蝕劑的最小電流密度小。以上說明，復配緩蝕劑比單一緩蝕劑更能有效阻止銅在15％鹽酸介質中的腐蝕，緩蝕效果更好。

銅在不同濃度的復配緩蝕劑(此時鉬酸鈉的濃度取單一時的最佳緩蝕效果時的濃度，即50mm)中的nyquist曲線如圖4所示，bode曲線如圖5所示。

利用軟體對所得nyquist曲線和bode曲線進行擬合，得到的阻抗擬合參數見表4(鹽酸濃度為4.865mol/l)。

表4銅在不同濃度復配緩蝕劑中的阻抗擬合參數

從圖4、圖5和表4可以明顯地看出：當鉬酸鈉緩蝕劑的濃度為50mm時，加入不同濃度的香草醛緩蝕劑後，容抗弧的半徑均增大了，與圖2中的增大程度相比，幅度也更大；溶液中電荷轉移電阻最大為174.11ω·cm2，此時銅表面的保護膜層的覆蓋度為93.90％，遠大於單一緩蝕劑存在時的膜層覆蓋度。這說明該復配緩蝕劑加入後，兩種緩蝕劑發生了協同效應，使得金屬表面的膜層的緻密度更好，覆蓋度更大，有效地阻止了氯離子對銅的破壞，使得緩蝕效果更好。

與此同時，我們查閱相關文獻發現，大多數同種條件下各種銅緩蝕劑對金屬銅在質量分數為15％的鹽酸介質中的緩蝕效率比較如圖6所示。

在圖6中，第1組～第6組均為文獻中研究的銅緩蝕劑，第7組為本發明的復配緩蝕劑，不難發現，前6組銅緩蝕劑的緩蝕效率大多處於53.43％到92.37％之間，而本發明的復配緩蝕劑的緩蝕效率為93.90％，比較之下，本發明的復配緩蝕劑的發展前景更為廣闊。

註：pasp為聚天冬氨酸，mtz為1-(2-二甲基氨基乙基)-1h-5巰基四氮唑，gb為緩蝕劑(gr-912)和苯駢三氮唑，phen為鄰菲羅啉，4-bmim為1-甲基-3-(4-硫酸基丁基)咪唑硫酸鹽，2-heim為2-己基咪唑。

(2)sem測試結果

金屬銅在不同介質中的微觀形貌如圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)所示。其中：

圖7(a)是金屬銅在未加任何緩蝕劑的單獨鹽酸介質中的sem圖，從圖中可以看出，未加緩蝕劑時，腐蝕離子對銅表面的破壞較為嚴重，甚至出現了黑色的腐蝕坑；

圖7(b)是金屬銅在鹽酸介質中加入50mm的鉬酸鈉之後的sem圖，從圖中可以看出，銅表面覆蓋了一層不均勻的薄膜，保護了金屬使其表面未受到腐蝕離子的侵蝕；

圖7(c)是金屬銅在鹽酸介質中加入鉬酸鈉(50mm)和香草醛(15mm)的復配緩蝕劑後的sem圖，從圖中可以明顯的看出在金屬銅的表面覆蓋了一層不規則片狀的保護膜，覆蓋的面積比單獨鉬酸鈉存在時更大，這表明復配緩蝕劑能更好的阻止腐蝕離子進入金屬表面，對銅在鹽酸介質中的腐蝕有很好的緩蝕作用。

綜上所述，鉬酸鈉和香草醛復配後發生了協同效應，使得金屬表面的膜層的緻密度更好，覆蓋度更大，有效地阻止了氯離子對銅的破壞，使得緩蝕效果更好，有效地減小了金屬銅的腐蝕速率，延長了金屬銅的使用壽命。

需要說明的是，上述實施例不以任何形式限制本發明，凡採用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。