葡萄糖酸鈉對7003鋁合金的緩蝕性能及其與苯甲酸鈉的協(xié)同作用

仲亞男，閔鵬飛，卞 達，趙永武，黃華棟

（江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

葡萄糖酸鈉對7003鋁合金的緩蝕性能及其與苯甲酸鈉的協(xié)同作用

仲亞男，閔鵬飛，卞 達，趙永武＊，黃華棟

（江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

運用極化曲線、電化學(xué)阻抗譜等電化學(xué)測試技術(shù)研究了葡萄糖酸鈉對7003鋁合金在3.5% NaCl溶液中的緩蝕性能及其與苯甲酸鈉的協(xié)同作用，并利用掃描電鏡（SEM）觀察鋁合金的腐蝕形貌。研究結(jié)果表明，葡萄糖酸鈉能抑制7003鋁合金的腐蝕，是一種陽極型緩蝕劑；隨著葡萄糖酸鈉濃度的增加腐蝕率逐漸減?。划?dāng)葡萄糖酸鈉濃度為0.005mol／L時，緩蝕效率最高為76.92%。此外，葡萄糖酸鈉與苯甲酸鈉具有良好的協(xié)同作用，當(dāng)葡萄糖酸鈉與苯甲酸鈉比例為3∶2時，緩蝕率達到86.49%。

葡萄糖酸鈉；緩蝕劑；7003鋁合金；3.5%NaCl

鋁合金由于質(zhì)量密度小、比強度高、易加工成型，在大氣中耐蝕性好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用［1］。鋁是活潑的兩性金屬，在酸性或堿性溶液中會形成均勻腐蝕［2］。在中性溶液中，由于鋁合金表面有一層保護膜，腐蝕呈局部腐蝕特性，其耐蝕性與介質(zhì)中所含陰離子的種類、活性與含量有關(guān)，尤其在Cl－的侵蝕下，保護膜遭到破壞造成鋁合金的點蝕、孔蝕等，所以在海洋大氣條件下，鋁合金的耐蝕性能顯著降低［3－5］。7003鋁合金屬于中高強Al－Zn－Mg系合金，具有優(yōu)良的焊接性能與抗彈性能以及較好的加工成型性能，目前作為炮架和裝甲結(jié)構(gòu)件被廣泛應(yīng)用。然而其合金相中的η相（MgZn2）自腐蝕電位非常低，在潮濕的大氣或水溶液中極易發(fā)生腐蝕，從而造成嚴(yán)重損失。緩蝕劑是有效防止金屬腐蝕的方法之一。傳統(tǒng)的緩蝕劑如鉻酸鹽等有毒、難降解且污染環(huán)境，因此開發(fā)高效、耐氯、無害、穩(wěn)定性好和廉價的緩蝕體系是目前人們研究的重點。目前對于7003鋁合金的腐蝕性質(zhì)鮮有報道，本文利用極化曲線、電化學(xué)阻抗譜等方法研究了葡萄糖酸鈉對7003鋁合金在3.5%NaCl溶液（由去離子水配制）中的緩蝕性能以及它與苯甲酸鈉的協(xié)同作用。

1 實驗

實驗材料為7003鋁合金，其成分如表1所示。將鋁合金加工成2cm×2cm×0.8cm的試樣，用400＃、800＃、1000＃、1500＃的金相砂紙逐級打磨至光亮平整，然后用無水乙醇在超聲波儀中清洗5min，再用蒸餾水沖洗并用冷風(fēng)吹干，放于干燥器皿中備用。

表1 7003鋁合金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical components of 7003 aluminum alloy%

電化學(xué)實驗在荷蘭IVIUM電化學(xué)工作站上進行，采用三電極體系，工作電極為7003鋁合金，工作面積為2cm2，非工作表面用環(huán)氧樹脂密封，參比電極為Ag－AgCl電極，輔助電極為鉑電極。極化曲線的掃描速度為1mV／s，交流阻抗實驗的激勵信號是幅值為10mV的正弦波信號，頻率范圍為0.01～105Hz，相對于開路電位進行。

掃描電鏡（SEM）所用的樣品經(jīng)過拋光處理后，分別在3.5%NaCl溶液、添加了不同濃度葡萄糖酸鈉的NaCl溶液以及添加了不同比例的葡萄糖酸鈉和苯甲酸鈉的NaCl溶液中浸泡24h后，用掃描電子顯微鏡觀察其腐蝕形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 極化曲線

圖1所示為7003鋁合金在3.5%NaCl溶液中和添加不同濃度的葡萄糖酸鈉后的極化曲線圖。從圖中可以看出，陽極電流密度明顯下降，說明葡萄糖酸鈉明顯抑制了鋁合金的陽極反應(yīng)。試樣的腐蝕電位隨著葡萄糖酸鈉濃度的增加向正電位方向移動，且陰極極化曲線的Tafel斜率沒有明顯變化，即葡萄糖酸鈉沒有抑制鋁合金的陰極反應(yīng)，說明葡萄糖酸鈉是一種陽極型緩蝕劑。

極化曲線的擬合數(shù)據(jù)見表2。從表中可以看出，隨著葡萄糖酸鈉濃度的增加，自腐蝕電流密度逐漸減小，并且當(dāng)葡萄糖酸鈉濃度為0.005mol／L時，自腐蝕電流達到最小值，即緩蝕效率最高，此后再逐漸加大葡萄糖酸鈉的濃度，自腐蝕電流變化較小。

圖1 7003鋁合金在含不同濃度葡萄糖酸鈉的3.5%NaCl溶液中的極化曲線Fig.1 The polarization curves of 7003 aluminum alloy in 3.5% NaCl solution with different concentrations of sodium gluconate

表2 圖1擬合的電化學(xué)參數(shù)Tab.2 Fitting electrochemical parameters according to Fig.1

2.2 電化學(xué)阻抗譜

圖2所示為7003鋁合金在含不同濃度葡萄糖酸鈉的3.5%NaCl溶液中的Nyquist圖，其等效電路如圖3所示。從Nyquist圖中可以看出，鋁合金在所有3.5%NaCl溶液體系中的特征相似，即一個容抗弧后接一個感抗弧，說明添加葡萄糖酸鈉后并沒有改變鋁合金的腐蝕機理。一般認(rèn)為，容抗弧反映的是電荷轉(zhuǎn)移電阻，其大小代表金屬材料的耐蝕性能［6］。感抗弧可歸因于金屬表面發(fā)生了點蝕，氧化膜遭到破壞變得不完整，或者是因為體系中存在反應(yīng)中間體或緩蝕劑產(chǎn)生的吸脫附［7－8］。圖2中容抗弧的曲率半徑隨著緩蝕劑的添加先增大后減小，說明腐蝕速率先減小后增大，當(dāng)葡萄糖酸鈉濃度為0.005mol／L時緩蝕效率最高。在3.5%NaCl溶液體系中，感抗弧是由于鋁合金表面某些區(qū)域鈍化膜發(fā)生點蝕，其溶解速度大于其生成速度，鈍化膜變得不完整導(dǎo)致。

圖2 7003鋁合金在含不同濃度葡萄糖酸鈉的3.5%NaCl溶液中的Nyquist圖Fig.2 Nyquist of 7003 aluminum alloy in 3.5%NaCl solution with different concentrations of sodium gluconate

圖3 7003鋁合金在含不同濃度葡萄糖酸鈉的3.5%NaCl溶液中電化學(xué)等效電路

Fig.3 The electrochemical equivalentcircuit of 7003 aluminum alloy in 3.5%NaClsolution with different concentrations of sodium gluconate

根據(jù)等效電路用Zview擬合得到的電化學(xué)參數(shù)如表3所示。從表中數(shù)據(jù)可知，隨著葡萄糖酸鈉濃度的增加，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rt先增大后減小并趨于穩(wěn)定，結(jié)果跟極化曲線一致。

表3 阻抗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of impedance

2.3 葡萄糖酸鈉與苯甲酸鈉的協(xié)同作用

葡萄糖酸鈉是一種多羥基羧酸型緩沖阻垢劑，具有許多良好的特性，能與多種緩蝕劑配合后使用［9］，本文將探討其與苯甲酸鈉之間的協(xié)同作用。為了尋求最佳配比，固定了復(fù)配緩蝕劑的總濃度為0.005mol／L，通過改變兩者之間的比例，從而測試它們的極化曲線，并對其數(shù)據(jù)進行擬合（擬合后的電化學(xué)參數(shù)見表4）。

圖4 7003鋁合金在不同比例葡萄糖酸鈉和苯甲酸鈉混合溶液中的極化曲線Fig.4 The polarization curve of 7003 aluminum alloy in different corrosion inhibitors

表4 C6H11NaO7／C7H5NaO2不同比例下的電化學(xué)參數(shù)Tab.4 Electrochemical parameters of C6H11NaO7／C7H5NaO2at different proportions

從圖4及表4的參數(shù)可以得出，葡萄糖酸鈉與苯甲酸鈉具有良好的協(xié)同效應(yīng)，當(dāng)葡萄糖酸鈉與苯甲酸鈉的比例為3∶2時，緩蝕率可以達到86.49%。

分析其原因可能如下，葡萄糖酸鈉具有優(yōu)異的螯合性能，對Fe3+的螯合性能尤為突出，它能與溶液中的鈣離子、鐵離子等形成配合物保護膜覆蓋于鋁合金表面。苯甲酸鈉的緩蝕作用是由苯甲酸根在金屬表面的吸附引起的［10］。當(dāng)腐蝕介質(zhì)中加入苯甲酸鈉后，苯甲酸根與Cl－產(chǎn)生競爭吸附，減弱了腐蝕性Cl－在界面的吸附。兩者相互作用，共同抵制Cl－對鋁合金表面的腐蝕。

2.4 傅里葉紅外光譜（FTIR）分析

圖5所示為鋁合金光亮表面和鋁合金在不同溶液中浸泡24h后的傅里葉紅外光譜圖，其相應(yīng)的特征峰列于表5中?？梢钥闯觯噍^于空白鋁合金表面，在含0.005mol／L葡萄糖酸鈉溶液中浸泡后的鋁合金表面在2 920cm－1處出現(xiàn)—CH2的不對稱伸縮振動，在1 740cm－1處出現(xiàn)— ==C O伸縮振動，在1 228cm－1處出現(xiàn)C—H伸縮振動，在1 056cm－1處出現(xiàn)C—O伸縮振動，在670cm－1處出現(xiàn)O—H搖擺振動，這些特征峰的出現(xiàn)說明鋁合金表面有葡萄糖酸根的存在；而在葡萄糖酸鈉與苯甲酸鈉比例為3∶2的溶液中浸泡后的鋁合金表面又多了在3 110cm－1處的苯環(huán)內(nèi)＝C—H伸縮振動和1 594 cm－1、1 545cm－1處的苯環(huán)特征峰 ==C C伸縮振動，以及837cm－1處的＝C—H搖擺振動和747cm－1處的苯環(huán)內(nèi)C—H彎曲振動，這些特征峰的出現(xiàn)則證明了鋁合金表面苯甲酸根的存在。這些特征峰的出現(xiàn)有助于證實2.3中關(guān)于葡萄糖酸鈉于苯甲酸鈉在鋁合金表面作用的猜想。

圖5 空白鋁合金表面和在不同溶液浸泡后的鋁合金表面傅里葉紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of blank aluminum surface and aluminum surface after soaking in different solutions

表5 圖5對應(yīng)的紅外光譜峰值Tab.5 FTIR spectra peaks from Fig.5

2.5 電鏡掃描顯微鏡（SEM）分析

圖6是7003鋁合金浸泡24h后的SEM效果圖，其中圖6a是鋁合金在未添加緩蝕劑的空白溶液中的形貌，可以看出鋁合金表面發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，存在明顯的點蝕現(xiàn)象，其原因可能是溶液中的Cl－所致；圖6b是在添加了0.005mol／L葡萄糖酸鈉的溶液中的鋁合金形貌，可以發(fā)現(xiàn)點蝕坑明顯減少；圖6c是鋁合金在添加了葡萄糖酸鈉與苯甲酸鈉比例為3∶2的溶液中的形貌，表面光滑平整，基本無腐蝕坑，說明鋁合金表面已生成一層較為致密的保護膜。

圖6 7003鋁合金的SEM形貌圖Fig.6 SEM images of 7003 aluminum alloy sheet after treatment in different solution

3 結(jié)論

在3.5%NaCl溶液中，添加葡萄糖酸鈉能抑制7003鋁合金的腐蝕，且隨著葡萄糖酸鈉濃度的增加，緩蝕效率逐漸提高，在葡萄糖酸鈉濃度為0.005 mol／L時，緩蝕率達到最高為76.92%，此后緩蝕率隨濃度變化趨于平緩。當(dāng)葡萄糖酸鈉與苯甲酸鈉復(fù)配總濃度為0.005mol／L時，若比例為3∶2，則可對7003鋁合金產(chǎn)生明顯的緩蝕協(xié)同效應(yīng)，緩蝕率達到86.49%。

［1］韋玉堂.鹽水介質(zhì)鋁合金復(fù)合緩蝕劑的研究［J］.河北化工，2005（1）：45－47.

［2］余存燁.鋁的緩蝕劑（上）［J］.化學(xué)清洗，1997，13（3）：46－49.

［3］孔小東，劉信.兩種緩蝕劑對ZL102鋁合金的緩蝕作用［J］.腐蝕與防護，2010，31（1）：61－63.

［4］李星，向斌.含氯溶液中蛋氨酸對鋁合金的緩蝕作用［J］.海洋科學(xué)，2009（8）：48－53.

［5］焦慶祝.鹽酸介質(zhì)中鋁緩蝕劑SH－904和JA－1性能研究［J］.高師理科學(xué)刊，2004，4：23－25.

［6］曹楚南，張鑒清.電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：175－178.

［7］Epelboin I，Keddam M.Faradie impedance：Diffusion impedance and reaction impedance［J］.Journal of the Electrochemical Society，1970，117：1052－1059.

［8］Keddam M，Mattos O R，Takenouti H.Reaction model for iron diffusion studied by electrodeimpedance［J］. Journal of the Electrochemical Society，1959，55：1586－1591.

［9］張?zhí)靹?，張?緩蝕劑［M］.2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：240－241.

［10］李凌杰，姚志明.苯甲酸鈉對AZ31鎂合金的緩蝕作用［J］.材料保護，2009，42（11）：24－26.

〔責(zé)任編輯 王 勇〕

Inhibition effect of sodium gluconate on corrosion of 7003 aluminum alloy and the synergistic effect with sodium benzoate

ZHONG Yanan，MIN Pengfei，BIAN Da，ZHAO Yongwu＊，HUANG Huadong
（School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，Jiangsu，China）

The inhibition effect of sodium gluconate（SG）on corrosion of 7003aluminum alloy in 3.5%NaCl solution and its synergistic effect with sodium benzoate（SB）were studied by potentiodynamicpolarization and electrochemical impendence spectroscopy（EIS）.The corrosion morphology of the alloy was observed by scanning electron microscope（SEM）.The results indicated that SG can inhibit the corrosion of 7003alloy and possesses a good synergistic effect with SB. The main effect of SG is used as anodic corrosion inhibitor.The corrosion rate decreases with increasing the concentration of SG.The collesponding inhibition efficiency reaches up to 76.92% when the concentration of SG is 0.005mol／L.When SG∶SB is 3∶2，the inhibition efficiency reaches up to 86.49%.

sodium gluconate；corrosion inhibitor；7003aluminum alloy；3.5%NaCl

TG174.42

：A

1672－4291（2015）06－0054－05

10.15983／j.cnki.jsnu.2015.06.363

2015－04－14

國家自然科學(xué)基金（51305166，51005102）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20130143）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（JUDCF13028）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃（CXZZ13－0738）

仲亞男，女，碩士研究生，研究方向為表面工程。E－mail：13013604462＠163.com

＊通信作者：趙永武，男，教授，博士生導(dǎo)師。E－mail：zhaoyw＠jiangnan.edu.cn