水基防銹液研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

李妲麗 鄧象賢

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

本文依據(jù)所使用的水溶性緩蝕劑類型，介紹了水基防銹液產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀；展望了水基防銹液的發(fā)展趨勢。

水基防銹液是在水中加入各種水溶性緩蝕劑、表面活性劑、成膜劑、消泡劑、殺菌劑等能抑制金屬制品發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的一種防銹產(chǎn)品，可以對(duì)金屬制品提供暫時(shí)性防護(hù)。

金屬材料受周圍空氣、水、雜質(zhì)等的影響發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)多相反應(yīng)而產(chǎn)生金屬銹蝕。金屬銹蝕非常普遍，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因腐蝕造成的鋼鐵損失約占當(dāng)年鋼鐵產(chǎn)量的10%～20%[1]。因金屬腐蝕引起的停產(chǎn)、停電等間接的損失就更無法計(jì)算。為降低經(jīng)濟(jì)損失，用水基防銹液來保護(hù)金屬材料是一種常見的防護(hù)方法。近年來，隨著金屬加工技術(shù)的提升，對(duì)水基防銹液產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求，我國水基防銹液在開發(fā)研制、產(chǎn)品更新及應(yīng)用等方面均取得了較大的進(jìn)展。

水基防銹液研究現(xiàn)狀

水基防銹液的種類很多，其中水溶性緩蝕劑起主要作用，主要有以下幾類。

無機(jī)鹽類水基防銹液

亞硝酸鈉水基防銹液是最早使用的水基防銹產(chǎn)品。亞硝酸鹽型水基防銹液的成本較低、使用方便、防銹性能好，曾被廣泛使用。但亞硝酸鹽能轉(zhuǎn)化成致癌物，危害人員健康，所以其使用受到了限制[2]。

鉻酸鹽型防銹液具有很好的防銹效果，至今在某些領(lǐng)域仍被大量使用，但鉻金屬能造成重金屬污染，所以在使用上受到了限制，并且隨著各種禁止法規(guī)、替代品的出現(xiàn)，其使用量不斷減少[3]。

磷酸鹽型防銹液能形成堅(jiān)硬的磷化膜，從而起到工序間防銹的作用，但傳統(tǒng)的工藝復(fù)雜，能耗高，且產(chǎn)生磷化殘?jiān)鼘儆谖ｋU(xiǎn)固廢物，易造成水的富營養(yǎng)化，因此磷化型防銹液受到限制。

目前研究較多的替代方案有：鈦、鋯系防銹產(chǎn)品，其具有較高的穩(wěn)定性，良好的防銹能力，且形成的膜能有效加強(qiáng)涂層與金屬基體的結(jié)合力。江峰等[4]研究了新型納米鋯鹽在冰箱行業(yè)的應(yīng)用，用鋯膜涂裝后進(jìn)行了漆膜附著力、鹽霧試驗(yàn)等方面的性能測試，測試結(jié)果顯示新型納米鋯鹽技術(shù)具有很好的應(yīng)用潛力。劉華寧[5]以鈦酸鹽、鋯酸鹽為主鹽，與其他添加劑復(fù)配，室溫條件下，在鋁合金上得到了具有優(yōu)良緩蝕性能的膜層。

近年來，研究較多的還有硅酸鹽。硅酸鹽是一種環(huán)境友好型防銹劑，具有資源豐富、價(jià)廉、無毒等優(yōu)點(diǎn)，硅酸鹽主要由硅、氧及金屬元素三部分組成。但硅酸鹽的耐水性耐堿性較差、易粉化，一定程度上縮短了其防銹期，提高其防銹性能有待進(jìn)一步研究。鄭典模[6]等以低濃度硅酸鋰溶液，復(fù)配多種助劑，研制出了環(huán)保型硅酸鋰水基防銹液，該防銹液無毒環(huán)保，防銹性能好，存儲(chǔ)60 d后仍具有理想的防銹效果，性能穩(wěn)定。杜天源[7]等以環(huán)保型防銹劑硅酸鹽為主要原料，添加酰胺型表面活性劑制備水基防銹劑，涂抹該水基防銹劑可明顯改善碳鋼的耐蝕性能，具有良好的應(yīng)用前景。

醇胺與酸的復(fù)配水基防銹液

醇胺與酸常溫下復(fù)配能生成醇胺鹽。乙醇胺是較常用的醇胺，有一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺3種，酸可以分為有機(jī)酸和無機(jī)酸。史寧[8]等以三乙醇胺、硼酸等為原料合成了一種環(huán)保型水基防銹劑，該水基防銹劑的穩(wěn)定性在2周以上，且成膜后可明顯延緩冷軋鋼板的腐蝕速率，其大氣腐蝕試驗(yàn)通過時(shí)間可達(dá)35 d，且該水基防銹劑價(jià)格較低。

宋揚(yáng)揚(yáng)[9]等在堿性溶液中，以天門冬氨酸、辛酸酰氯、三乙醇胺為原料制備了N-辛酰天門冬氨酸三乙醇胺鹽水基防銹劑，該物質(zhì)含有的極性基團(tuán)，可吸附在金屬表面形成保護(hù)膜，具有良好的潤滑和防銹性能，且該類物質(zhì)可生物降解，對(duì)環(huán)境友好。

蔣海珍[10]等合成了一種水溶性有機(jī)羧酸醇胺鹽防銹劑，并對(duì)該防銹劑的分子結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明其防銹性與分子中的極性基團(tuán)種類及數(shù)目、分子烷鏈長度有關(guān)，并進(jìn)一步合成出了有機(jī)羧酸醇胺鹽防銹劑，0.25%的水溶液可使得一級(jí)灰口鑄鐵制品的銹蝕試驗(yàn)的不銹時(shí)間達(dá)48 h。

焦龍[11]等以癸二酸、硼酸、十一碳二元酸、三乙醇胺、單乙醇胺為原料合成的水基防銹劑用于熱軋和冷軋鋼板上均能表現(xiàn)出良好的防銹性能，其5%工作液在濕熱條件（相對(duì)濕度≥95%、50 ℃）下防銹期均可達(dá)5 d。

多元醇酯防銹液

近年來，多元醇酯防銹液的研究逐漸增多。植酸是一種性能優(yōu)良的多元醇酯防銹劑，其他還有失水山梨醇單油酸酯、季戊四醇酯等。鐘雪麗[12]使用植酸為主緩蝕劑，再添加成膜劑及助劑等，調(diào)配出一種無毒環(huán)保水基防銹液。試驗(yàn)結(jié)果證明聚天冬氨酸與植酸復(fù)配最佳，加入成膜劑能顯著提高防銹液的整體防銹效果，并用硫酸銅點(diǎn)滴試驗(yàn)證明了該水基防銹液成膜的完整性。

王培鵬等[13]在植酸為主要成分的工序間防銹液中，添加生物緩蝕劑、稀土緩蝕劑，對(duì)機(jī)加工零件經(jīng)過工序間防銹處理的試樣進(jìn)行濕熱(相對(duì)濕度90%、50 ℃)環(huán)境下的加速腐蝕、中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)，濕熱試驗(yàn)120 h 出現(xiàn)銹蝕，中性鹽霧試驗(yàn)150 min 出現(xiàn)銹蝕，其防銹性能遠(yuǎn)高于只有植酸的防銹試樣，說明稀土緩蝕劑和生物緩蝕劑與植酸具有協(xié)同緩蝕作用，可有效提高鋼鐵零件的防銹能力。植酸對(duì)環(huán)境影響小，成本低，其作為一種環(huán)境友好型防銹液，值得進(jìn)一步研究探索。

硅烷偶聯(lián)型防銹液

硅烷偶聯(lián)劑按照化學(xué)結(jié)構(gòu)分為單硅烷和雙硅烷偶聯(lián)劑兩大類，其化學(xué)通式分別為：Y-(CH2)n-Si-(OR)3和(RO)3-Si(CH2)n-Y-(CH2)n-Si-(OR)3，RO- 為可水解的烷氧基，Y 為官能團(tuán)。單超[14]采用硅酸鈉與一甲三氯硅醇的復(fù)合物，添加成膜劑聚乙二醇、儲(chǔ)備堿、成膜助劑、硅烷偶聯(lián)劑等復(fù)配出適于輸油管道內(nèi)腔的水基防銹液。經(jīng)試驗(yàn)考察得出了最佳配方。硫酸銅點(diǎn)滴試驗(yàn)可過120 s，驗(yàn)證該配方成膜均勻致密，該配方對(duì)廢物進(jìn)行再利用，值得推廣。

吳海江[15]等先用鋼板進(jìn)行鉬酸鹽鈍化，再對(duì)硅烷鈍化的處理，得到的雙層膜層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且同時(shí)具備了兩個(gè)膜層的性質(zhì)，增強(qiáng)了膜層的耐蝕性能，有效提高其防銹性能。

因?yàn)楣柰榕悸?lián)劑環(huán)保性好，來源廣泛，價(jià)格低廉，防銹性能好，且可處理鐵、鋁等很多金屬[16]，所以對(duì)硅烷偶聯(lián)劑的研究及應(yīng)用已逐漸顯示出了巨大的潛力。

苯并三氮唑類防銹液

焦斌[17]等用以改性苯丙乳液為主要原料，與防銹劑苯并三氮唑、助劑乙二醇等復(fù)配，制備的改性苯丙乳液水基防銹劑能較好地將金屬基體與外界腐蝕環(huán)境隔絕，從而防止金屬腐蝕。該水基防銹液涂于Q235 鋼板后，其防銹性改善明顯，其防銹性明顯能優(yōu)于市售 403 防銹劑，且該防銹膜與面漆配套性能良好，其附著力達(dá)到了1 級(jí)，具有良好的應(yīng)用前景。

金屬表面自組裝防銹液

一些有機(jī)物分子在溶液中能自發(fā)吸附在金屬表面，形成一層排列緊密的疏水性單分子層，可有效阻止H2O、O2及電子向金屬表面的傳輸，金屬基體發(fā)生氧化的臨界電位正移，金屬表面的氧化-還原電流降低[18]，從而起到了防止金屬銹蝕的作用，該過程就是防銹劑分子在金屬基體表面的自組裝。李道華等[19]研究了MoS42-和WS42-在金屬基體表面形成的簇合物膜，其具有極好的防銹效果。

氣相防銹液

氣相緩蝕劑在常溫下具有較大的蒸氣壓，其揮發(fā)后吸附到金屬表面，能使金屬表面鈍化或活性點(diǎn)失活，從而防止金屬銹蝕。因氣相防銹液的氣體無孔不入，使得不能直接與防銹液接觸的表面如金屬制品內(nèi)腔、溝槽和縫隙等都得到保護(hù)，且防銹周期長，無污染，使用方便，成本低，所以能在金屬防護(hù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[20]。羅永秀[21]等研制的黑色金屬水基氣相防銹液Z-55，對(duì)低碳鋼和硅鋼均具有優(yōu)越的防銹性，既可涂于原紙上用于制作氣相防銹紙，又可用于黑色金屬制品的工序間防銹和內(nèi)腔封存防銹。

水基防銹液的發(fā)展趨勢

隨著水基防銹液應(yīng)用的持續(xù)深入，經(jīng)過不斷研究與實(shí)踐，對(duì)水基防銹劑的要求也將更高。隨著能源危機(jī)的不斷加聚，以及人們對(duì)健康、環(huán)保問題的日益重視，發(fā)展環(huán)境友好型水基防銹劑將成為熱點(diǎn)課題[22]。近年來，越來越多的科研工作者以天然植物為原料，從中提取高效、無毒防銹劑，或是從廢料中提取有效物質(zhì)等，變廢為寶，充分利用資源。

另外，開發(fā)多功能的水基防銹劑也將成為熱點(diǎn)。在金屬防護(hù)領(lǐng)域中，對(duì)防銹劑的要求不僅僅局限于防銹性能，同時(shí)還需具備如殺菌、潤滑等其他性能。開發(fā)的多功能防銹劑如具有一劑多效的特點(diǎn)，能擴(kuò)大其使用領(lǐng)域，有效降低成本[23]。