纳米材料聚合物对碳钢的缓蚀性能研究

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本文利用纳米SiO2和TiO2两种纳米粒子和四种单体:2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸(AMPS)、乙酸乙烯脂(VAC)、丙烯酸(AA)与N-乙烯吡咯烷酮(NVP)作为原料,使用化学手段合成了四种纳米材料聚合物。通过傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、透射电子显微镜方法对合成物中的成分和纳米粒子团聚状态进行了测定。通过静态失重法、电化学阻抗谱、动电位极化曲线评价了纳米材料聚合物对N80钢在3.5%NaCl饱和CO2溶液中的缓蚀性能。利用接触角测试、扫描电子显微镜-能谱仪、扫描电化学显微镜、原子力显微镜等方法研究了 N80钢在添加和未添加合成物的3.5%NaCl饱和CO2溶液中腐蚀后的润湿性、表面形貌和元素含量。最后利用量子化学计算理论研究了合成物的缓蚀作用机制。以上研究得到的主要成果如下:(1)通过阅读文献设计合成路线并合成出了四种纳米材料聚合物,并利用红外光谱、X射线衍射对这四种合成物的成分和物相进行表征;利用透射电子显微镜对合成物中纳米粒子的团聚状态进行测定。结果显示,成功合成得到了相对应的纳米材料聚合物。(2)失重法、电化学法等实验室方法的测试结果显示,合成的四种纳米材料聚合物均是混合型缓蚀剂,对N80钢在3.5%NaCl饱和CO2溶液中具有良好的缓蚀效果。其中缓蚀性能最好的是TiO2/P(A.N.A)和TiO2/P(A.V.A)。四种合成物缓蚀剂的缓蚀效率随着其浓度的增大而增大,且同一浓度下温度的升高会使缓蚀效率有所下降。(3)扫描电子显微镜-能谱仪的测试结果显示,TiO2/P(A.N.A)和TiO2/P(A.V.A)在碳钢表面吸附形成一层致密、稳固的保护膜,能有效抑制其腐蚀,而SiO2/P(A.N.A)和SiO2/P(A.V.A)在碳钢表面的吸附能力相对较弱。扫描电化学显微镜、原子力显微镜的测试结果也与SEM-EDS的测试结果一致。(4)纳米材料聚合物中含有较多的N-H、C=O和SO3H等带有孤对电子的基团,能吸附在N80钢表面形成吸附膜,达到抑制腐蚀的目的。它的吸附是一个热力学自发、放热的过程,遵循Langmuir等温吸附模型,物理吸附和化学吸附均会发生。(5)利用量子化学理论研究了纳米材料聚合物分子在金属表面的吸附机理,发现缓蚀剂的缓蚀效率与反应活性和吸附位点相关,反应活性越高、吸附位点越多缓蚀效果越好。
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