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腐蚀是现代工业和生活中的重要破坏因素,添加缓蚀剂是一种工艺简便、成本低廉、适用性强、应用广泛的防腐方法之一。随着社会对生态环境的关注越来越多,研究开发从植物中提取出来的,对环境不构成破坏作用的环境友好型缓蚀剂是缓蚀剂未来主要的研究方向。竹叶是一种再生速度快、一年四季均可采收、分布广泛、天然蓄积量大、可持续利用的天然资源。然而竹叶作为在竹材加工过程中的剩余物,目前还没有充分利用,故利用竹叶提取缓蚀剂可以起到资源的充分利用,并可以增加所在地区的经济收入。本文就竹叶缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀作用做了研究,以期为将来进一步的开发利用奠定理论基础。
本文选取4种云南常见竹:麻竹(Dendrocalamus latiflorus Munro)、撑绿杂交竹(Bambusa pervariabilis×Dendrocalamopsis oldhami)、巨龙竹(Dendrocalamussinicus Chia et J.L.Sun)与钓鱼慈竹(Bambusa emeiensis chia et H.L.Fung)进行研究,选择的依据是资源丰富,分布较广,便于采集。首先研究了4种竹叶缓蚀剂浓度、温度对冷轧钢腐蚀的影响,并探讨了竹叶缓蚀剂在冷轧钢表面的吸附模型:其次研究了同一温度下4种缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀作用;再次,通过4种竹叶缓蚀剂样品的红外图谱对竹叶缓蚀剂进行了结构表征;第四,为了证实竹叶缓蚀剂的后效性,研究了132小时下竹叶缓蚀剂的缓蚀率与腐蚀速度;第五,研究了钢片在不同浓度HCL介质一竹叶缓蚀剂中的腐蚀速度,第六,为探讨竹叶缓蚀剂最佳的缓蚀条件,设计了以盐酸浓度、缓蚀剂浓度、反应温度和反应时间为主要影响因子的4因子3水平正交实验;最后,用AB-8大孔树脂对竹叶缓蚀剂进行了分离纯化,并将分离纯化后的样品与未分离纯化的样品对冷轧钢的缓蚀作用进行了对比分析。
结果表明:
(1)在同一温度下,随着竹叶缓蚀剂浓度的增加,缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀作用不断增强,缓蚀率呈上升趋势,当浓度达到70mg/g时,缓蚀率趋于平衡。30℃下,在10mg/L、30mg/L、50mg/L、70mg/L、100mg/L、160mg/L、200mg/L时,麻竹竹叶缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀率依次为47.98%、74.76%、81.07、84.01%、86.58%、89.52%、90.63%;撑绿杂交竹竹叶缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀率依次为75.79%、87.10%、89.88%、90.87%、91.27%、92.26%、92.66%;巨龙竹竹叶缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀率依次为56.31%、77.67%、83.11%、85.24%、87.96%、90.10%、91.46%;钓鱼慈竹竹叶缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀率依次为54.95%、78.88%、84.11%、87.29%、88.04%、90.28%、91.59%。
(2)竹叶缓蚀剂在不同的温度下,缓蚀效果不同,浓度为70mg/L时,麻竹竹叶缓蚀剂在20℃、30℃、40℃和50℃时对冷轧钢的缓蚀率分别为76.09%、84.01%、83.45%和73.74%;撑绿杂交竹竹叶缓蚀剂在20℃、30℃、40℃和50℃时对冷轧钢的缓蚀率分别为85.86%、90.87%、90.71%、90.73%;巨龙竹竹叶缓蚀剂在20℃、30℃、40℃和50℃时对冷轧钢的缓蚀率分别为81.45%、85.24%、85.08%、80.17%;钓鱼慈竹竹叶缓蚀剂在20℃、30℃、40℃和50℃时对冷轧钢的缓蚀率分别为82.55%、87.29%、87.23%、82.18%。由此,4种竹叶缓蚀剂的缓蚀率在30℃和40℃时较好。
(3)根据表面覆盖度θ的计算,4种竹叶缓蚀剂在冷轧钢表面的分子吸附规律符合langrmuir吸附模型。
(4)通过对相同温度下,不同缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀率的对比,可以看出4种竹叶缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀率趋势相似。4种竹叶缓蚀剂中撑绿杂交竹竹叶缓蚀剂具有更优的缓蚀效果,在同样的缓蚀率时需要加入的缓蚀剂用量最小,30℃时,缓蚀率达到90%时,撑绿杂交竹竹叶缓蚀剂浓度只需70mg/L,而麻竹竹叶缓蚀剂浓度需200mg/L,巨龙竹和钓鱼慈竹竹叶缓蚀剂需160mg/L;麻竹竹叶缓蚀剂的缓蚀效果在4种竹叶缓蚀剂中略低,钓鱼慈竹和巨龙竹竹叶缓蚀剂的缓蚀率相差不多。
(5)通过4种竹叶缓蚀剂的红外光谱,可以看到,不同的竹叶缓蚀剂具有相似的红外表征,可以推测不同的竹叶缓蚀剂的有效成分可能由相同的基团组成。在3413cm-1处存在一个强吸收宽散峰,可能为羧基(-COOH)、缔合羟基O-H伸缩振动和N-H伸缩振动三个峰的重合;2931 cm-1处为C-H伸缩振动峰;2361cm-1的弱吸收峰可能为C≡N伸缩振动峰;1626cm-1处的强吸收峰可能为C=C和C=O伸缩振动峰,这可能是由于竹叶提取物中黄酮类化合物的C=C和C=O的大共轭效应使C=O吸收移向低波数,从而与C=C的吸收重合,1402cm-1处可能为杂环的骨架振动;1118 cm-1处为C-N伸缩振动峰;1061cm-1处为C-O伸缩振动峰,这些都表明竹叶缓蚀剂为含有机性团(氨基、羧基、羟基、羰基和杂环)的丕饱和有机化合物,故有成为酸性缓蚀剂的可能。
(6)通过132个小时的竹叶缓蚀剂的后效性测试,结果表明当缓蚀剂浓度在50mg/L、100 mg/L、200 mg/L时浸泡约24小时的时候,缓蚀率依次分别为94%、95%、96%,此后,缓蚀率不再明显增加,样品钢的腐蚀速度也开始分别稳定在0.375(g/㎡ h)、0.308(g/㎡h)、0.288(g/㎡ h),不再明显变化。由此可知,竹叶缓蚀剂具有良好的稳定性和后效性,可用于长时间酸洗过程。
(7)通过在1-7 mol/L的HCL介质中的缓蚀率及腐蚀速度的测定,结果表明,随着盐酸浓度的增大,撑绿杂交竹竹叶缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀率呈下降的趋势。当缓蚀剂浓度为100mg/L时,在1 mol/L的HCL中,其缓蚀率达到88.00%,2 mol/L时,缓蚀率达到86.27%,3 mol/L时,缓蚀率则达到75.04%,但在4 mol/L的HCL中其缓蚀率降为55.41%,5 mol/L缓蚀率为41.10%,6 mol/L缓蚀率为20.18%,7mol/L缓蚀率为14.21%。由此可见,竹叶缓蚀剂在1-4mol/L的HCl介质中都可达到较好的缓蚀效果,但不适宜于浓度在4 mol/L以上的HCl介质。
(8)通过正交实验的极差分析和方差分析,RD=10.28>R8=8.893>RA=7.704>RC=1.426和F值大小,可知盐酸浓度的影响>缓蚀剂浓度的影响>反应温度的影响>反应时间的影响,即盐酸浓度、缓蚀剂浓度、反应温度的影响显著。A1B3C3D1即竹叶缓蚀剂浓度为150mg/L,HCl浓度为0.5mol/L,温度为30℃时,反应36个小时,为本实验中的最佳反应条件。
(9)经过大孔树脂分离纯化,并对比分离前后各样品缓蚀剂对冷轧钢的缓蚀率的大小及各样品缓蚀剂在HCL介质中溶解度高低,结果表明,竹叶缓蚀剂在分离前后的缓蚀率分别为89.65%和92.16%。由此可得出结论,竹叶缓蚀剂在分离前后,的缓蚀率没有太大差异,因此在竹叶缓蚀剂被开发成为新型缓蚀剂时,当从成本与制造的工艺出发,进行直接提取即可,丕需要进一步纯化。
总之,竹叶缓蚀剂成本低廉,容易量化、储存和分析,对冷轧钢在1.0 mol/L HCl,溶液中具有良好的缓蚀作用,缓蚀率随竹叶缓蚀剂的浓度增加而增大,当缓蚀剂浓度为100mg/L时,最大缓蚀率高达95%以上,而常见的化学缓蚀剂要达到这个缓蚀率,缓蚀剂浓度至少为500mg/L;竹叶缓蚀剂在钢表面的吸附符合Langmuir吸附模型。在反应24小时后,缓蚀率随腐蚀浸泡时间的延长并无下降趋势,表现出优良的后效性,在工业应用方面具有广泛的应用前景。