淺析環(huán)保型水溶性防銹劑的研究與性能測試

賈進(jìn)營 郭國偉 范海玲

1 河南青山環(huán)?？萍加邢薰?，河南 鄭州 450000

2 鄭州啟杉防腐防護(hù)新材料技術(shù)研究院，河南 鄭州 450000

鋼鐵作為工業(yè)生產(chǎn)的重要材料，在生活當(dāng)中的應(yīng)用也十分廣泛?；跇O大的應(yīng)用需求，如何保障鋼鐵生產(chǎn)效率，避免過度銹蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失，是工業(yè)研究和生產(chǎn)工作的重點。鋼鐵暴露在環(huán)境中，通常采用的辦法是利用水溶性防銹劑進(jìn)行防護(hù)，能夠很好地實現(xiàn)金屬的防銹，且隨著研究應(yīng)用的不斷深入，黑色金屬與有色金屬均能夠很好地受益。問題在于，傳統(tǒng)的水溶性防銹劑對于環(huán)境會造成一定破壞，對人體健康造成不同程度的損害，嚴(yán)重的能夠致癌。將環(huán)保友好型作為研究方向，實現(xiàn)環(huán)保型的成品研究與應(yīng)用，同時降低生產(chǎn)成本，對于多方利益來說均十分被看好[1]。本研究以硅酸鈉、三乙醇胺、硼酸、乙二胺四乙酸和鎢酸鈉作為原料，經(jīng)測試能夠達(dá)到以上的目標(biāo)效果。

1 國內(nèi)外的研究成果分析

1.1 國外研究成果

從美國方面來看，在制作防銹劑的原料中，因亞硝酸鈉的成本較低，來源比較廣，實際成品的功效突出，推廣到市場上較受好評。到1976 年，美國相關(guān)研究學(xué)會對于該成品進(jìn)行了學(xué)術(shù)質(zhì)疑，尤其對于亞硝酸鈉產(chǎn)生的負(fù)面效果來說，較其他原料更具毒性，甚至因很強(qiáng)的致癌基因造成人們的器官癌變。因?qū)嶋H后果趨于惡化，環(huán)保部門也對其環(huán)境破壞性提出質(zhì)疑，隨后亞硝酸鈉在水基液當(dāng)中的應(yīng)用就被禁止，法律直接規(guī)定該原料不得用于制作防水防銹劑。其后，美國致力于環(huán)保型防銹劑的研究，以新型水溶性防銹劑的研制為目標(biāo)，將烷基和鹵代基等作為原料，加上烷氧基、硼酸鹽和硼酸酯等，通過組合實驗及排除優(yōu)化的辦法，最終明確了將烷基一元與多元羧酸作為生產(chǎn)原料，結(jié)合相應(yīng)衍生物的組合配比，制作出了新型的環(huán)境友好型的水溶性防銹劑，在此基礎(chǔ)上，能源利用和污染排放方面的成效也更為突出，受到環(huán)保部門的肯定[2]。

從日本方面來看，日本也經(jīng)歷了非環(huán)保型向環(huán)保型轉(zhuǎn)變的探索過程。1977年以前，日本廣泛應(yīng)用的水溶性防銹劑當(dāng)中也以亞硝酸鈉為主要原料，日本機(jī)械振興協(xié)會在技術(shù)研究當(dāng)中，明確了亞硝酸鈉同樣出現(xiàn)致癌效果，檢測到的致癌物質(zhì)N－亞硝基二乙醇胺不僅造成人體損傷，致癌效果尤為突出。隨后，日本也據(jù)此對亞硝酸鈉為原料的防銹劑制作叫停，禁止亞硝酸鈉作為水基液的原料，且對其在其他化工領(lǐng)域的應(yīng)用也進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管。結(jié)合美國的研究成果，日本也在研發(fā)當(dāng)中對其他原料的應(yīng)用效果進(jìn)行測試分析，鹵代基、萘酸類原料也曾作為配比部分，最終形成了環(huán)保效果好、除銹效果突出的水溶性防銹劑。

1.2 國內(nèi)研究成果

1984年，我國也關(guān)注到了防銹劑的環(huán)境污染和人體損害等負(fù)面效果，對于其制作原料中的亞硝酸鈉、亞硝基胺的致癌性進(jìn)行分析并最終確定，在環(huán)保部門的督促下，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)在原料的使用上也有了嚴(yán)格的限制，亞硝酸鈉的應(yīng)用與排放均要在嚴(yán)格的監(jiān)管之下。雖然我國將替代亞硝酸鈉作為研究的目標(biāo)，也在實際研制上開展了大量工作，但因當(dāng)時技術(shù)限制，實際推廣也面臨不小的困難，90 年代的相關(guān)工作未有突出成果。近年來，隨著社會環(huán)保意識的不斷強(qiáng)化，加上環(huán)保部門在環(huán)保監(jiān)管工作上的不斷努力，相應(yīng)工作的研制越來越多，不僅大學(xué)院校和科研機(jī)構(gòu)在學(xué)術(shù)方面有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)備，企業(yè)的配合與支持也使得研究推廣工作有了長足進(jìn)步[3]。三乙醇胺、苯甲酸鈉、硼酸、四硼酸鈉、鎢酸鈉和碳酸鈉、葡萄糖酸鈉等均被納入實驗研究當(dāng)中，交互配比實驗成果也頗為豐富。

2 環(huán)保型水溶性防銹劑的研制要求

2.1 環(huán)保性與防銹性為基礎(chǔ)

基于研究方向為環(huán)保型水溶性防銹劑的研制，故研究的關(guān)鍵與基礎(chǔ)就在于成品的環(huán)保性與除銹性的兼得。在防銹性方面，可供選擇的多種化合物均能達(dá)到防銹效果，包括正辛酸單乙醇胺和三嗪三氨基己酸鈉，防銹效果顯著，壬二酸酰胺鈉的試驗應(yīng)用結(jié)果也同樣突出。在實驗選擇中做好原料配比，就能得到很好的防銹效果。在此基礎(chǔ)上，在明確取代亞硝酸鈉的同時，避免選取其他環(huán)境破壞型原料，對每項化合物單個效用及組合效用進(jìn)行具體分析，剔除潛在的環(huán)境威脅，保證優(yōu)異防銹性的同時確保突出的環(huán)保性[4]。

2.2 抗硬水性與抗雜油性

在實際成品應(yīng)用中，水溶性防銹劑應(yīng)確保不會在環(huán)境和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中遭受排異導(dǎo)致無法發(fā)揮防銹效果。尤以硬水與雜油，作為潛在的生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)對物，化合物原料配比應(yīng)起到對抗作用，保證基礎(chǔ)功效的發(fā)揮。

2.3 微生物穩(wěn)定性

在應(yīng)用當(dāng)中，防銹劑還會面臨微生物的威脅。如微生物作用下可能造成防銹劑出現(xiàn)變色，嚴(yán)重的造成發(fā)霉變質(zhì)，氣味惡化，對于應(yīng)用體驗造成損害之外，還可能導(dǎo)致防銹劑不再具備防銹功能。另外，微生物的繁衍物還可能造成金屬設(shè)備的腐化，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。實現(xiàn)微生物的穩(wěn)定性，確保良好的使用效果，讓水基液具備更長久的使用壽命，在保證防銹劑實際作用的同時，在廢液排放時也能避免微生物及其衍生物帶來的環(huán)境破壞[5]。

2.4 廢液可處理性

廢液可處理性的實現(xiàn)，也就是在微生物穩(wěn)定性實現(xiàn)的基礎(chǔ)之上，通過化合物配比實現(xiàn)環(huán)保性，讓應(yīng)用到水溶性防銹劑的工廠在進(jìn)行廢液排放時不因污染物影響，可在相應(yīng)的處理手段下實現(xiàn)廢液的有效排放，減少甚至避免造成污染物排放。

3 環(huán)保型水溶性防銹劑的評定與性能測試

3.1 水溶性防銹劑的評定方法

首先，在防銹劑的防銹性能評定上，將GB/T 6144-2010 作為參考依據(jù)，通過防銹劑作用于鑄鐵上的反應(yīng)，分析其防銹效果。鑄鐵應(yīng)確保其材質(zhì)達(dá)標(biāo)，以一級灰口為準(zhǔn)，設(shè)定實驗環(huán)境，使得環(huán)境的溫度和濕度均在標(biāo)準(zhǔn)實驗范圍，以(35±2)℃為溫度設(shè)定值，95%為濕度設(shè)定值，實驗時間以24 小時為標(biāo)準(zhǔn)時間區(qū)間，并設(shè)定單片與疊片的試驗時間。在實驗稀釋劑的選擇上，避免水質(zhì)影響，將蒸餾水作為實驗稀釋原料。同時，為明確實驗各化合物的劑量，通過初步的篩查工作，將亞硝酸鈉作為參照，篩取硅酸鈉、三乙醇胺和硼酸，結(jié)合乙二胺四乙酸和鎢酸鈉，以亞硝酸鈉為對比參照，依據(jù)實驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試片處理，經(jīng)冷風(fēng)干化處理，并利用濾紙進(jìn)行包裝，用干燥器作進(jìn)一步的干化處理，于處理完成的24 小時后作實驗標(biāo)的。將各實驗防銹液對試驗標(biāo)的表面進(jìn)行滴涂，再回到干燥器內(nèi)作干化處理，記錄實驗時間。各實驗標(biāo)的的觀察記錄準(zhǔn)確并作分析，得出各單疊片的腐蝕級別[6]。此外，可通過鹽水浸泡實驗的方法作為對比實驗，實驗方法為，將鑄鐵片同樣用HG/T3523-2008所示方法處理好，然后浸入制備好的試劑中，約1h 后取出，晾干，浸入3%的鹽水中，連續(xù)觀察并且記錄銹蝕情況。

其次，在以上實驗研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定水溶性防銹劑的防銹性能評定。選取目標(biāo)原料合成水溶性化合物，包括以烷基一元和多元羧酸等，結(jié)合硅酸鈉、三乙醇胺和硼酸等的對比參照，以上述研究路徑作進(jìn)一步的實驗分析，明確評定結(jié)果并作對比。組成的數(shù)十種化合物當(dāng)中，硅酸鈉、三乙醇胺和硼酸的防銹性能突出，相較亞硝酸鈉的性能也十分優(yōu)異，尤其在水中的試驗環(huán)境下，防銹劑的試驗效果也十分突出[7]。

3.2 水溶性防銹劑的性能測試

水溶性防銹劑的性能測試需經(jīng)過幾個參數(shù)實現(xiàn)，包括目測觀察、設(shè)備測試和大氣腐蝕試驗檢測等。

首先，對水溶性防銹劑進(jìn)行目測法測試，觀察其透明度，對液體的均勻度進(jìn)行分析。依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，需確保其達(dá)到均勻和無分層的要求，在雜質(zhì)和沉淀物等含量方面也依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠通過初步的測試。具體來說，防銹劑應(yīng)當(dāng)為無色透明狀態(tài)，液體無分層且質(zhì)地均勻，無雜質(zhì)且無沉淀。

其次，通過周期內(nèi)的觀察，對防銹劑的穩(wěn)定性進(jìn)行測試。將防銹劑放置在室溫狀態(tài)，以14 天為觀察周期，如過程中且結(jié)束后防銹劑均呈現(xiàn)為均勻透明無異變狀態(tài)，則其符合穩(wěn)定性要求并達(dá)到相應(yīng)的應(yīng)用合格標(biāo)準(zhǔn)。

此外，運用金相顯微鏡對防銹劑作細(xì)微觀察，利用試片進(jìn)行涂抹和未涂抹的對照觀察，通過試片表面形貌的觀察，得出水溶性防銹劑能很好地覆蓋試片表面，不出現(xiàn)基體裸露現(xiàn)象，結(jié)成的膜層能均勻分布，不出現(xiàn)渾濁和流掛情況，則通過該測試步驟。

同時，運用專門設(shè)備做極化曲線測試，PA R STAT-2273型電化學(xué)工作站能很好地完成該測試步驟。運用三電極對測試樣本進(jìn)行電極測試和掃描，工作面積為1cm2。電解液為3.5%的氯化鈉水溶液。掃描速率為5 mV/s，正弦波激勵信號為 5mV，掃描頻率范圍為100kHz ～10mHz。實驗得出試片的防銹性能，對比得出防銹性能的最優(yōu)配比。

3.3 性能測試結(jié)果分析

研究測試得出，將硅酸鈉、三乙醇胺、硼酸、乙二胺四乙酸和鎢酸鈉作為原料制備的防銹劑符合實驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在各性能要求方面均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。通過對比分析，明確該配比下水溶性防銹劑能很好地成膜，試片表面均勻無裸露，試片表面生成的保護(hù)膜達(dá)到了腐蝕介質(zhì)的良好抵抗作用，在實驗環(huán)境乃至大氣環(huán)境下，不僅性能達(dá)標(biāo)，防銹效果也實現(xiàn)了最好。需明確的是，經(jīng)實驗對比，防銹劑應(yīng)與適當(dāng)?shù)乃M(jìn)行稀釋，能夠?qū)Ψ冷P期限進(jìn)行調(diào)控，滿足目標(biāo)期限。經(jīng)過該配比制作的防銹劑，作化學(xué)拋光處理能夠很好地實現(xiàn)防銹和除銹，金屬表層光亮且平整，而且長時間質(zhì)地穩(wěn)定，不會對金屬產(chǎn)生銹蝕作用，不出現(xiàn)裂紋，確保金屬質(zhì)地的良好品質(zhì)，確保金屬產(chǎn)品的完整性[8]。

該測試結(jié)果之下生產(chǎn)出的水溶性防銹劑，能夠達(dá)到環(huán)保性目標(biāo)。對于實際生產(chǎn)的防銹劑成品而言，使用該環(huán)保型水溶性防銹劑可以安全、經(jīng)濟(jì)地防止銹蝕。只需涂一層，就可以通過使用水性防銹劑來實現(xiàn)腐蝕控制，該防銹劑包含用于室內(nèi)和室外儲存條件的平衡防銹體系。研究得到的環(huán)保型水溶性防銹劑為穩(wěn)定、不易燃、無毒、不可逆的溶液，易于施工，排水快，干燥快。盡管它們通常會干燥成透明或半透明的棕色薄膜，需要的話，可以將這些防銹產(chǎn)品做成不同顏色。這種水基防銹劑可以對從非常軟到非常硬的不同硬度金屬材質(zhì)進(jìn)行腐蝕防護(hù)。該防銹涂層可以通過刷涂、噴涂或浸涂來施工。環(huán)保型水溶性防銹劑減少了施工前的復(fù)雜清理工作，如果使用了噴涂設(shè)備，可使前清理、防銹施工、后整理系列施工流程一氣呵成。

4 結(jié)語

環(huán)保型水溶性防銹劑的測試與研究，通過對數(shù)種化合物的配比分析，利用多種測試方法，選擇出能夠很好替代亞硝酸鈉的防銹劑。研究得出的防銹劑不僅在化合物微生物的穩(wěn)定性方面表現(xiàn)突出，結(jié)合合成反應(yīng)以及進(jìn)一步的復(fù)配優(yōu)化，實現(xiàn)了防銹功能突出的水溶性防銹劑的制備。該防銹劑無毒，穩(wěn)定性強(qiáng)，應(yīng)用在金屬防銹操作中也能很好地施工，干燥過程快，產(chǎn)生的廢液無污染，在工廠節(jié)能減排應(yīng)用中有很好的效果，在環(huán)保性的實現(xiàn)上也能達(dá)到預(yù)期，更為未來的水基液新品種研發(fā)提供了更多的可能性。