噴氣燃料銀片腐蝕微波法研究

佟麗萍 宗 營 王岸英

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000; 2.空軍后勤部軍需能源質(zhì)量監(jiān)督站，北京 100000)

1 微波催化加速銀片腐蝕機(jī)理

1.1 微波對晶態(tài)物質(zhì)表面極化影響分析

微波對晶態(tài)物質(zhì)表面性能的影響，主要是對晶態(tài)電介質(zhì)表面性能的影響。電介質(zhì)作為一種電阻率很高、導(dǎo)電性能很差的物質(zhì)，其所帶的帶電粒子被約束在電介質(zhì)的分子中，而不能做宏觀運(yùn)動[1]。

在外電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)的帶電粒子發(fā)生微觀位移，使分子產(chǎn)生極化。電介質(zhì)的偶極子轉(zhuǎn)向極化和界面極化對物質(zhì)在微波下的能量吸收起主要作用。

1.2 微波對銀片腐蝕反應(yīng)的催化機(jī)理

微波主要從銀片表面空間電荷的局部積聚、銀片表面晶格缺陷部分與微波產(chǎn)生共振吸收、以及腐蝕產(chǎn)物硫化銀共價鍵結(jié)構(gòu)所具有的反應(yīng)擴(kuò)散特性等方面，催化加速噴氣燃料銀片腐蝕。

(1) 微波催化化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)表現(xiàn)在微波以光速滲入物體內(nèi)部，由電子、離子的移動或缺陷偶極子的極化而被吸收，對反應(yīng)體系中的帶電粒子做功，導(dǎo)致體系溫度升高，形成反應(yīng)物質(zhì)內(nèi)外部“整體”加熱效果，加快反應(yīng)的進(jìn)行。

(2) 微波催化化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)[2]表現(xiàn)在電磁場作用和微波特性兩個方面，它同時影響了相撞“分子對”整體的運(yùn)動和兩分子相對于其共同質(zhì)心的運(yùn)動，使反應(yīng)體系中極性分子、極性原子和極性離子等帶電粒子發(fā)生轉(zhuǎn)動能級間的躍遷，改變它們的活化狀態(tài)，從而引起始態(tài)反應(yīng)分子內(nèi)能和位能的提高，最終得以加快化學(xué)反應(yīng)的速度。

(3) 微波作用下的金屬銀片的界面極化效應(yīng)會引起表面自由電荷的移動，使其產(chǎn)生宏觀偶極矩，形成表面空間電荷的局部積聚，使得金屬銀片更易于吸收微波能，提高了銀片與硫化物的反應(yīng)活性。

(4) 在微波場中，銀片表面弱鍵和缺陷部位與微波發(fā)生局域共振耦合傳能，暴露出新鮮表面，增加了反應(yīng)界面，導(dǎo)致銀片表面能量的不均勻而形成“微波熱點”和腐蝕反應(yīng)活性中心，硫化腐蝕就發(fā)生在這些部位，而且體系中的極性分子具有“相互摩擦效應(yīng)”和“分子攪拌效應(yīng)”，通過破壞銀片表面的物理吸附膜來提高硫化物離子與銀片反應(yīng)的活度。

(5) 銀片和噴氣燃料中的活性硫作用生成的硫化銀具有共價鍵成分，電導(dǎo)性低，介電損耗因子小，與微波作用深度淺，不易發(fā)生深度腐蝕反應(yīng)，易發(fā)生蔓延式的腐蝕反應(yīng)。

2 微波催化銀片腐蝕反應(yīng)影響因素分析

2.1 噴氣燃料銀片腐蝕催化劑加入量研究

分別取為質(zhì)量百分比為8、10、12、14、20、30%(對應(yīng)體積為4、5、6、7、10、15 ml)的催化劑，倒入銀片腐蝕為2級的噴氣燃料中，組成50 mL混合溶液。把銀片按照SH/T0023-1990(2000)標(biāo)準(zhǔn)方法處理后，懸置在腐蝕檢測瓶的油樣中。把盛放油樣的腐蝕檢測瓶放入專用微波容器中，放在微波快速測定儀的中心處(為最大限度的減少誤差，每次試驗專用微波容器均放在同一位置)，調(diào)節(jié)微波功率150 mA。反應(yīng)時間為10 min。反應(yīng)結(jié)束后觀察銀片表面腐蝕情況，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 催化劑加入量對銀片腐蝕的影響

反應(yīng)結(jié)束后，專用微波容器內(nèi)有大量溶液，腐蝕檢測瓶中的溶液的體積隨著催化劑加入量的增加而減少，說明隨著催化劑加入量的增加，反應(yīng)體系爆沸現(xiàn)象嚴(yán)重，蒸發(fā)出來的混合液遇玻璃容器壁迅速冷凝，流到容器底部而形成。從試驗現(xiàn)象可以看出，催化劑的加入量不是越多越好，而是有一個最佳值。從反應(yīng)結(jié)果看，催化劑的加入量為12%時銀片腐蝕現(xiàn)象為：藍(lán)色、紫色、麥黃色，反應(yīng)的效果最好。

2.2 微波試驗時間對腐蝕反應(yīng)結(jié)果影響分析

選用腐蝕級別為2級的油樣，用微波快速測定方法進(jìn)行腐蝕試驗，觀察不同試驗時間結(jié)果如表2。

從上述試驗結(jié)果看，試樣在試驗前2 min對銀片幾乎不發(fā)生作用，大約3 min時，開始對銀片產(chǎn)生作用，并隨時間延長，對銀片的腐蝕逐漸加重。試驗時間在10～15 min段的結(jié)果與SH/T 0023-1990(2006)標(biāo)準(zhǔn)法的試驗結(jié)果有較好的可比性。

表2 不同試驗時間銀片腐蝕情況

2.3 微波功率對腐蝕反應(yīng)結(jié)果影響分析

腐蝕級別為2級的油樣，用微波快速測定方法進(jìn)行腐蝕試驗，調(diào)節(jié)微波功率分別為50、100、150、200 mA，試驗結(jié)果如表3所示：

表3 不同微波功率下銀片腐蝕情況

可以看出，當(dāng)微波功率為50 mA，腐蝕現(xiàn)象較輕，可定為1級腐蝕，隨著微波功率的加大，腐蝕現(xiàn)象也隨著增大，當(dāng)微波功率為150mA時，2級腐蝕現(xiàn)象較明顯，可見在微波功率接近150 mA時，銀片腐蝕微波快速試驗法的結(jié)果與SH/T 0023-1990(2006)標(biāo)準(zhǔn)法的試驗結(jié)果有較好的可比性。

2.4 微波負(fù)載對腐蝕反應(yīng)結(jié)果影響分析

取8組油樣，其中6個2級油樣，1個3級油樣，1個4級油樣，測定結(jié)果如表4。

結(jié)果表明，與2～3級腐蝕基本吻合，稍微有減輕，但不明顯，仍可定為2級腐蝕。說明增加微波負(fù)載對腐蝕結(jié)果影響不明顯。

表4 多組油樣同時試驗的情況

3 微波催化銀片腐蝕反應(yīng)最佳試驗條件研究

通過微波催化噴氣燃料銀片腐蝕反應(yīng)影響因素的研究結(jié)果，表明微波功率、試驗時間、催化劑用量對銀片腐蝕程度都有很大的影響。所以，為了考察微波功率、試驗時間、催化劑用量、反應(yīng)體系體積與銀片腐蝕速度的關(guān)系，本論文采用正交試驗法，根據(jù)每個因素選取三個水平，構(gòu)成四因素三水平的正交表，用銀片腐蝕級別為2級的噴氣燃料樣品，按表中條件因素進(jìn)行試驗，以達(dá)到相應(yīng)腐蝕級別(2級)所需時間為測試結(jié)果，得出四因素的最優(yōu)組合，即最佳試驗條件。

3.1 銀片腐蝕反應(yīng)正交試驗表設(shè)計

四個因素，即催化劑用量A、實驗時間B、微波功率C、反應(yīng)體系體積D。每個因素選取三個水平，即催化劑的用量A：A1、A2、A3；實驗時間B：B1、B2、B3；微波功率C：C1、C2、C3；反應(yīng)體系的體積D：D1、D2、D3。因素水平見表5。

表5 銀片腐蝕反應(yīng)正交試驗表

3.2 銀片腐蝕反應(yīng)正交試驗研究

通過正交試驗得到催化劑用量(5 mL～7 mL)、實驗時間(8 min～12 min)、微波功率(100～300 mA)、反應(yīng)體系的體積(40 mL～60 mL)四個因素對銀片腐蝕速度的影響趨勢。從表6中可以看出四個因素對銀片腐蝕影響從大到小依次是：反應(yīng)時間、催化劑用量、反應(yīng)體積、微波功率?？紤]到進(jìn)行銀片腐蝕時噴氣燃料是揮發(fā)性的，以及微波快速測定儀的使用壽命、微波負(fù)載等因素，本論文最終確定的微波催化銀片腐蝕反應(yīng)快速試驗方法的條件為：催化劑用量為5 ml，反應(yīng)時間為15 min、微波功率為150 mA，反應(yīng)體系體積為50 mL。

表6 銀片腐蝕反應(yīng)正交試驗結(jié)果

注：(1) 顏色評分是根據(jù)和水浴加熱顏色比較，吻合程度來判斷；(2) 表中K1、K2、K3分別表示各因素取1、2、3、4水平時相應(yīng)試驗結(jié)果之和；k1、k2、k3為各次實驗結(jié)果的平均值。(3) R表示極差。

4 結(jié)論

通過微波催化噴氣燃料銀片腐蝕反應(yīng)影響因素的研究結(jié)果，表明微波功率、試驗時間、催化劑用量對銀片腐蝕程度都有很大的影響。

采用正交試驗法，考察了微波功率、試驗時間、催化劑用量、反應(yīng)體系體積對銀片腐蝕速度的影響。得出了四因素的最優(yōu)組合，確定了微波催化銀片腐蝕反應(yīng)快速試驗條件：催化劑用量為5 ml，反應(yīng)時間為15 min、微波功率為150 mA，反應(yīng)體系的體積為50 ml。