具表面活性三嗪衍生物的合成及其对碳钢的缓蚀性能研究

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石油化工、化工清洗及酸洗除垢等工业过程中广泛使用酸溶液,造成严重的金属腐蚀问题,为提高工业设备使用寿命、降低工业成本,有必要进行金属防腐蚀保护。添加缓蚀剂作为简单有效的腐蚀抑制手段,设计开发新型高效缓蚀剂是当前研究热点。三嗪衍生物作为富氮化合物,不仅含有未成对的N杂原子,且具有丰富的π电子,能够和金属作用吸附于金属表面,是一种潜在的高效缓蚀剂。以三聚氯氰为基体,引入亲水基、疏水基合成具表面活性三嗪衍生物,在提高三嗪衍生物溶解性的同时增强其定向吸附能力,合成的具表面活性三嗪衍生物能够作为效率高、用量低的有机缓蚀剂应用于金属缓蚀。主要研究内容如下:(1)以三聚氯氰、脂肪胺(正己胺、正辛胺)和N,N-二甲基-1,3-丙二胺为原料,合成具表面活性三嗪衍生物(T1,T2,T3,T4,T5)。利用高分辨质谱(ESI-MS)、傅里叶红外(FT-IR)、核磁共振(1H NMR)表征目标缓蚀剂结构。(2)采用吊片法测定缓蚀剂在1 M HCl溶液中的表面活性,结果表明三嗪衍生物在1 M HCl中表现出良好表面活性,显著降低体系表面张力。T4的表面活性最好,cmc为0.21 mM,γcmc为22.87mN m-1,且T5、T3、T2、T1的表面活性次之。T4作为双不对称疏水链的表面活性剂,其表面活性优于对称表面活性剂(T1、T2和T3、T5)。(3)通过静态失重法和电化学法研究缓蚀剂在1 M HCl介质中对碳钢的缓蚀性能,考察缓蚀剂使用浓度、应用温度对缓蚀性能的影响。T4和T5分别在0.01 mM和0.05 mM浓度下缓蚀效果达到90%以上,说明缓蚀剂在低浓度下就具有良好的缓蚀性能,且在20℃下T4最佳缓蚀率达95.28%。缓蚀剂的缓蚀性能均随浓度增加而提高,随温度升高而降低。在相同条件下T4的缓蚀效果略优,证明不对称表面活性剂的缓蚀效果优于对称表面活性剂。电化学阻抗结果表明缓蚀剂的添加没有改变缓蚀机理;且动电位极化腐蚀电流密度随缓蚀剂添加明显降低,证明缓蚀剂能起到缓蚀效果,五个目标缓蚀剂均属于阴阳极混合型缓蚀剂。(4)表面分析方法证明缓蚀剂在碳钢表面吸附成膜,碳钢腐蚀得到极大抑制。扫描电镜分析添加缓蚀剂前后碳钢表面形貌,添加缓蚀剂后碳钢试样表面平整,证明缓蚀剂起到缓蚀效果;EDS分析添加缓蚀剂后碳钢试样表面O、N、Fe元素的变化,Fe元素减少、N元素出现证明缓蚀剂吸附于碳钢表面。腐蚀前后水在碳钢试样表面的接触角证明添加缓蚀剂后碳钢试样的表面粗糙度降低,且其水接触角大于原碳钢试样水接触角证明缓蚀剂吸附于碳钢表面且疏水链暴露于碳钢表面。XPS对碳钢的表面分析表明缓蚀剂分子中的C=N、C-N+、N-H、-N=键出现在碳钢试样表面,进一步证明缓蚀剂分子吸附于碳钢试样表面。(5)利用腐蚀动力学和吸附热力学探讨缓蚀剂分子的缓蚀机理。腐蚀动力学结果表明,随缓蚀剂的添加浓度增加腐蚀活化能Ea和指前因子Ar均增加,碳钢腐蚀反应能垒提高,即腐蚀体系中缓蚀剂的加入增加了腐蚀能垒,提高了缓蚀性能。吸附热力学结果表明缓蚀剂在碳钢表面符合Freundluich isotherm吸附,不同浓度下具表面活性三嗪衍生物在碳钢表面的吸附均呈三个阶段:低浓度下,具表面活性三嗪衍生物分子以单分子层吸附于碳钢表面;随着浓度升高,在中浓度下缓蚀剂分子进行多层吸附;在高浓度下,基本达到饱和吸附。(6)利用Material Studio 5.5进行分子动力学模拟,分析三嗪衍生物分子在1 M HCl介质中的吸附过程。T4在碳钢表面的吸附能力最强,且T5、T3、T2、T1次之。合成的五个具表面活性三嗪衍生物在1 M HCl中对碳钢具有良好的缓蚀性能,表面活性增强,缓蚀剂分子缓蚀性能增强,且表面活性剂分子以多分子层吸附于碳钢表面。
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