環(huán)保緩蝕劑在金屬管材中的應(yīng)用研究進(jìn)展

唐曉軍

（重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401120）

金屬管材的應(yīng)用遍布于能源、建筑、化工、食品、交通、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，這歸結(jié)于碳鋼、合金等金屬材料所具備的良好可塑性、易加工性以及優(yōu)異的力學(xué)性能［1-3］。但在自然條件下，這類金屬材料往往會與周圍環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而使其化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致大量的金屬成分隨腐蝕介質(zhì)一同剝落。如若不及時采取有效的解決措施，酸性介質(zhì)對鋼結(jié)構(gòu)材料的侵蝕將可能導(dǎo)致管道破裂、泄漏等問題，甚至可能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生命安全隱患。因此，為減少金屬腐蝕所造成的損失，經(jīng)過科研人員大量的實(shí)驗(yàn)研究，陸續(xù)發(fā)展出了以電鍍、防腐涂層、添加緩蝕劑等方式進(jìn)行的金屬防腐方法［4］。其中緩蝕劑由于具有化學(xué)鍵豐富、溶解性好、安全環(huán)保、能耗低等特點(diǎn)，是目前主流的金屬防腐手段之一［5-6］。常規(guī)金屬緩蝕劑多采用對自然環(huán)境和健康存在嚴(yán)重威脅的化學(xué)助劑，因此該領(lǐng)域未來的發(fā)展走向?qū)⒏杏趯Νh(huán)保型金屬緩蝕劑的開發(fā)。為此，本文綜述了金屬管材腐蝕的類型及成因、環(huán)保型緩蝕劑作用機(jī)理以及環(huán)保型緩蝕劑在金屬管材中的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)分析了各類緩蝕劑的技術(shù)優(yōu)勢和短板，并對其未來的發(fā)展走向進(jìn)行了展望。

1 金屬管材腐蝕類型及成因分析

1.1 腐蝕類型

（1）化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是指金屬與非電解質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的金屬腐蝕。腐蝕過程是一種氧化和還原的純化學(xué)反應(yīng)，即腐蝕介質(zhì)直接同金屬表面的原子相互作用而形成腐蝕產(chǎn)物。反應(yīng)進(jìn)行過程中沒有電流產(chǎn)生，其過程符合化學(xué)動力學(xué)規(guī)律［7］。

（2）電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕是一種金屬在電化學(xué)反應(yīng)的作用下發(fā)生腐蝕的過程。電化學(xué)腐蝕過程中涉及到電化學(xué)電池的形成，其中金屬表面的不同區(qū)域分別充當(dāng)了陽極（腐蝕區(qū)域）和陰極（相對不腐蝕的區(qū)域）。在電解質(zhì)存在的環(huán)境中，電子和離子的流動會引發(fā)腐蝕反應(yīng)。

（3）物理腐蝕

物理腐蝕，也稱為機(jī)械腐蝕，是一種通過物理力量作用在金屬表面上引起的腐蝕形式。與化學(xué)腐蝕不同，物理腐蝕不涉及化學(xué)反應(yīng)，而是由于外部力量或運(yùn)動引起的磨損、疲勞或其他形式的損害。物理腐蝕通常是由外部環(huán)境和應(yīng)力因素引起的，而不涉及金屬與環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)。

（4）生物腐蝕

生物腐蝕是一種由生物體引起的金屬腐蝕現(xiàn)象。這種腐蝕通常涉及微生物、植物或動物，它們在金屬表面生長或活動（代謝產(chǎn)生酸性物質(zhì)，或形成能促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的生物膜等方式），引發(fā)了一系列與化學(xué)、生物和環(huán)境因素相互作用的過程。生物腐蝕不僅可以降低金屬的性能和壽命，還可能對工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施造成損害。

1.2 腐蝕因素分析及防治措施

（1）腐蝕因素分析

金屬化學(xué)腐蝕受到多種因素的影響，主要有金屬的本體性質(zhì)、物理/化學(xué)（環(huán)境）腐蝕因素。在本體性質(zhì)方面，不同的金屬對腐蝕的敏感性不同，如Au、Pt 等貴金屬能表現(xiàn)出較高的抗腐蝕性，而Fe、Al 等金屬則更容易腐蝕，但鋁材、不銹鋼等金屬會在表面形成鈍化層，作為防止金屬進(jìn)一步腐蝕的屏障；而在化學(xué)腐蝕因素方面，當(dāng)兩種不同的金屬接觸并存在電位差時，則會發(fā)生電偶腐蝕導(dǎo)致陽極端腐蝕加劇，且水分、pH、溫度、濕度、氧氣、腐蝕劑（硫化物、氯化物、鹽、酸、堿等）的存在同樣會因化學(xué)作用而加速金屬腐蝕；在物理腐蝕因素方面，主要受金屬表面積和應(yīng)力作用，金屬暴露在腐蝕性環(huán)境中的表面積越大，或處于機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變條件下，腐蝕速度越快［8］。

（2）防治措施

在金屬腐蝕防治方面，當(dāng)前可從如下幾點(diǎn)進(jìn)行改善：1）改變金屬本性或結(jié)構(gòu)：這包括使用不易腐蝕的金屬，或通過混合不同種類的金屬制成合金替代易腐蝕的金屬，以此改變金屬的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而增加其抵抗腐蝕的能力，如使用不銹鋼合金、鋁合金、鈦合金、鎳基合金及銅鎳合金等；2）保護(hù)層法：創(chuàng)建一個耐蝕性強(qiáng)的保護(hù)層，阻隔金屬與環(huán)境的直接接觸，從而減緩或阻止腐蝕。常見的保護(hù)層方法包括涂層、涂漆、鍍層等；3）緩蝕劑法：這是通過在金屬表面施加一層緩慢腐蝕的化學(xué)物質(zhì)，來保護(hù)金屬表面。這些化學(xué)物質(zhì)可以與金屬表面反應(yīng)，形成一層保護(hù)性的物質(zhì)，阻止進(jìn)一步腐蝕；4）電化學(xué)方法：這包括陽極保護(hù)和陰極保護(hù)。陽極保護(hù)是通過將金屬表面變成陽極，從而犧牲金屬，以保護(hù)更重要的金屬部分。陰極保護(hù)則是通過在金屬表面提供電子，使其成為陰極，從而減緩腐蝕。

為了防止或減輕金屬管材的腐蝕，重要的是要考慮這些因素并采取適當(dāng)?shù)拇胧＿@些方法的選擇取決于金屬類型、使用環(huán)境以及具體需求。通常，多種方法可能會結(jié)合使用，以最大限度地減少金屬腐蝕對設(shè)施、設(shè)備的影響。

2 環(huán)保緩蝕劑的主要作用機(jī)制

2.1 抑制電化學(xué)反應(yīng)

許多環(huán)保緩蝕劑會在金屬表面生成一個致密的氧化物層，阻隔金屬與腐蝕性環(huán)境的接觸。同時，這類緩蝕劑能有效抑制金屬腐蝕過程中的陽極反應(yīng)，通過犧牲自身，以保護(hù)金屬不受腐蝕。此外，這類緩蝕劑可在金屬表面釋放出電子，將金屬表面轉(zhuǎn)化為電子供體，這些電子可以干擾腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，從而降低金屬的腐蝕速率。例如，Hameed R 等［9］探究了菠菜提取物（SPINOLE）對碳鋼腐蝕過程的影響，發(fā)現(xiàn)SPINOLE主要起到陽極抑制劑的作用，當(dāng)緩蝕劑分子釋放至腐蝕性介質(zhì)中時，陰極反應(yīng)會延遲，從而導(dǎo)致開路電位出現(xiàn)負(fù)移。

2.2 形成復(fù)雜絡(luò)合物

一些含有機(jī)酸、多酚類的植物提取物緩蝕劑能與參與腐蝕過程的金屬離子發(fā)生配位作用，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。這些絡(luò)合物通常不易溶于水，因此金屬離子的溶解度降低。這就減少了環(huán)境中可供腐蝕反應(yīng)的金屬離子的數(shù)量。此外，這些絡(luò)合劑可以提供額外的電子，減緩金屬的氧化過程，進(jìn)而降低腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)速率。此類緩蝕劑尤其適用于銅、鐵等易與有機(jī)化合物形成絡(luò)合物的金屬。例如：Hassannejad H 等［10］于室溫下對葵花籽殼提取物在1 mol/L HCl 溶液中進(jìn)行72 h 的 UV-vis 分析，發(fā)現(xiàn)其吸光度峰值隨加量的提升迅速降低，這歸結(jié)于葵花籽殼提取物的官能團(tuán)與碳鋼表面金屬離子之間反應(yīng)形成絡(luò)合物所致，進(jìn)而有效降低了碳鋼與腐蝕介質(zhì)間的有效接觸面，使得金屬表面電荷和離子轉(zhuǎn)移量減少。

2.3 成膜作用

環(huán)保緩蝕劑的成膜作用主要包括以下幾種類型：1）物理吸附膜：一些環(huán)保緩蝕劑中的分子可以通過范德華力、靜電吸引力等物理作用與金屬表面發(fā)生吸附，形成一層物理性膜。這種膜可以阻止腐蝕介質(zhì)接觸金屬表面，降低腐蝕的發(fā)生；2）化學(xué)吸附膜：部分環(huán)保緩蝕劑中的成分可以與金屬表面的氧化物、氫氧化物等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)性吸附膜。這種膜可以通過與金屬表面共價鍵或離子鍵的形式穩(wěn)定地連接在一起，提供保護(hù)性屏障；3）生物膜：由某些環(huán)保緩蝕劑中的微生物或生物產(chǎn)物在金屬表面所形成，這種膜同樣可以作為保護(hù)性屏障，阻止腐蝕介質(zhì)的接觸。例如，Wang Q等［11］通過原子力顯微鏡（AFM）和X射線光電子能譜（XPS）對蛋白質(zhì)提取物（PWE）緩蝕劑的作用機(jī)制進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)PWE 中所含的亮氨酸、丙氨酸、蘇氨酸等具有較高的電子供給和接收能力，從而使其在金屬表面形成吸附膜并減少氧化物的形成。

2.4 阻滯作用

一部分環(huán)保緩蝕劑能利用其微小尺寸，使之更容易附著于金屬表面，并填充微小的孔隙和凹陷。這種填充作用可以減少腐蝕介質(zhì)進(jìn)入金屬表面的機(jī)會，從而延緩腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。例如，Deepa K 等［12］研究發(fā)現(xiàn)，CuO 納米顆粒相較CuO 微粒對Zn-金屬基質(zhì)的腐蝕抑制效果更為明顯，并具有更高的極化電阻，這是由于CuO 納米顆粒能對金屬表面活性位點(diǎn)進(jìn)行充分填堵，且顆粒粒徑越小，所覆蓋和填堵的面積更大，最終形成均勻的抗腐蝕惰性表面。

總體而言，環(huán)保緩蝕劑主要通過阻止電化學(xué)反應(yīng)、形成復(fù)雜絡(luò)合物、成膜作用、阻滯作用等機(jī)制，減緩金屬與腐蝕性介質(zhì)之間的相互作用，從而延長金屬的使用壽命。但這些緩蝕劑的機(jī)理可能會因其化學(xué)性質(zhì)和使用環(huán)境而有所不同，選擇適當(dāng)?shù)木徫g劑要考慮到金屬類型、環(huán)境條件以及所需的保護(hù)水平。

3 環(huán)保緩蝕劑在金屬管材中的應(yīng)用

環(huán)保緩蝕劑不僅需要具備低毒、低揮發(fā)性、生物降解性強(qiáng)以及能夠有效地減緩金屬的腐蝕，延長設(shè)備的使用壽命，還需要在生產(chǎn)、儲存和使用過程中能夠符合環(huán)境保護(hù)法規(guī)。正因如此，也凸顯了環(huán)保緩蝕劑的研究價值，以下分別介紹了植物提取物緩蝕劑、離子液體緩蝕劑、生物聚合物緩蝕劑及納米顆粒緩蝕劑在金屬管材中的應(yīng)用情況。

3.1 植物提取物緩蝕劑

植物提取物緩蝕劑是從植物中提取的天然物質(zhì)，可用于防止或減少金屬的腐蝕。這類緩蝕劑通常由植物中所提取的各種有機(jī)化合物組成，如單寧、多酚、類黃酮和生物堿等［13］。使用植物提取物作為緩蝕劑是基于該緩蝕劑分子可通過吸附于金屬表面形成保護(hù)層，該保護(hù)層能在金屬和腐蝕性環(huán)境之間形成了屏障，從而防止或減緩導(dǎo)致腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)。

Ehsani A 等［14］探究了百里香（TV）植物提取物作為環(huán)保緩蝕劑在1.0 mol/L HCl溶液中對304不銹鋼（SS 304）的緩蝕作用，并采用電化學(xué)阻抗譜（EIS）、電化學(xué)噪聲測量（EN）和動電位極化法研究緩蝕劑濃度對腐蝕過程的影響，發(fā)現(xiàn)其緩蝕效率隨緩蝕劑濃度的增加而增加，表現(xiàn)為混合型緩蝕劑。Shahini H 等［15］探究了洋甘菊花提取物（CFe）對低碳鋼金屬表面腐蝕過程的影響。發(fā)現(xiàn)CFe加入后的金屬表面光滑度增加，腐蝕過程受到抑制。CFe 可以顯著抑制腐蝕擴(kuò)散，其腐蝕特性遵循Langmuir 吸附等溫式，在600 mg/L HCl 溶液8 h 時能使低碳鋼的緩蝕效率提高至98%。Maizia R 等［16］探究了蕁麻提取物（NE）在0.5 mol/L H2SO4中對低碳鋼的緩蝕效率。發(fā)現(xiàn)NE 的緩蝕性能隨著濃度的增加而提高，在4 g/L 時的緩蝕效率達(dá)95%。NE 作為混合型抑制劑發(fā)揮作用，在低碳鋼上的吸附遵循Langmuir 吸附模型，能同時發(fā)生物理吸附和化學(xué)吸附。其主成分能有效吸附于金屬表面，增加電荷轉(zhuǎn)移電阻的同時能有效降低雙電層電容。Aziz M 等［17］以麻瘋樹和洛神花提取物作為綠色緩蝕劑，探究了其在3.5%NaCl溶液中對低碳鋼的緩蝕性能，發(fā)現(xiàn)麻風(fēng)樹和洛神花提取物的緩蝕效率分別為90.84%和77.35%。動電位極化試驗(yàn)表明兩種提取物均為混合型抑制劑，而EIS 分析則證明這是由于該提取物在低碳鋼樣品表面形成的吸附保護(hù)膜所致。

植物提取物緩蝕劑作為一種能有效提高金屬腐蝕抗性的環(huán)保型外加劑，具有成本低、功能多以及獲取難度低等優(yōu)勢，因而在取代常規(guī)合成緩蝕劑方面表現(xiàn)出了較強(qiáng)的應(yīng)用潛力，且植物提取物的可再生特性更符合當(dāng)前的可持續(xù)發(fā)展理念。但目前這類緩蝕劑無法達(dá)到與合成抑制劑相同的防腐效果，并存在作用周期較短、性能方面難以標(biāo)準(zhǔn)化等問題。

3.2 生物聚合物緩蝕劑

生物聚合物緩蝕劑是用于保護(hù)金屬和合金免受腐蝕的天然或合成聚合物，由于其生物降解性、低毒性和可再生性，在用作緩蝕劑方面很有吸引力。目前常用的生物聚合物有多糖（殼聚糖、纖維素和藻酸鹽等）、蛋白質(zhì)和核酸等［18］，這類聚合物能通過吸附于金屬表面形成阻隔腐蝕介質(zhì)侵入的保護(hù)層，有效抑制腐蝕產(chǎn)物形成的同時也能保護(hù)金屬免受侵蝕。

Zhang Q 等［19］探究了兩種環(huán)境友好的殼聚糖衍生物（CS-PT，CS-PT-Bn）在1 mol/L HCl 溶液中對碳鋼的緩蝕作用，分析發(fā)現(xiàn)CS-PT和CS-PT-Bn能通過形成Fe-N 和Fe-S 鍵吸附在鋼/溶液界面上。且與CS-PT 分子相比，芐基的引入賦予CS-PT-Bn 分子更強(qiáng)的靜電效應(yīng)和疏水性，有利于CS-PT-Bn分子在碳鋼表面的界面吸附。Nadi I 等［20］探究了富含海藻酸鹽生物聚合物的鼠尾藻提取物（ESM）在1 mol/L HCl 介質(zhì)中對碳鋼（CS）的緩蝕作用。發(fā)現(xiàn)隨著緩蝕劑濃度的增加，ESM 緩蝕效率逐漸增大，在1 g/L時的緩蝕效率高達(dá)97%。進(jìn)一步分析表明，ESM 分子在CS 表面的吸附遵循Langmuir 等溫模型，其吸附機(jī)制主要為化學(xué)吸附，其中保護(hù)屏障主要由吸附的生物大分子形成。Obot I 等［21］研究了多糖生物聚合物海藻酸鈉（SA）作為API X60 鋼在3.5% NaCl溶液中的腐蝕抑制效果。發(fā)現(xiàn)SA 的緩蝕效率隨著濃度的增加而增加，最高緩蝕率可達(dá)80%以上，但會隨升溫而下降?；诮佑|角測量表明，SA能通過形成減輕鋼材表面潤濕的吸附層，使鋼腐蝕電位向更正值移動以降低其腐蝕動力學(xué)，且SA 中羧酸氧的物理吸附作用能減少API X60 鋼的局部點(diǎn)蝕。Gowraraju N 等［22］研究了生物聚合物Iota 卡拉膠（IC）和菊粉（INU）在0.5 mol/L H2SO4溶液中對低碳鋼的緩蝕性能，發(fā)現(xiàn)IC 和INU 均能有效提高低碳鋼的緩蝕效率，其吸附特性均遵循Langmuir 吸附等溫線模型。其中IC 表現(xiàn)出比INU 更高的保護(hù)性能，這可能是由于-OSO3-的存在增強(qiáng)了IC 在帶電金屬表面的吸附。因?yàn)镮C 通過化學(xué)吸附機(jī)制吸附在低碳鋼鋼表面，而INU 的吸附通過物理吸附機(jī)制。Biswas A 等［23］以原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）合成出生物聚合物——糊精基接枝共聚物（Dxt-gpVAc），通過探究其在15% HCl 溶液中對低碳鋼的緩蝕作用發(fā)現(xiàn)，Dxt-g-pVAc 的緩蝕效率（98.39%）遠(yuǎn)高于天然糊精（Dxt）的84.56%。此外，極化研究結(jié)果表明這兩種聚合物均為混合型，其在金屬表面的吸附均遵循Langmuir吸附等溫線，且Dxt-g-pVAc具有更高的穩(wěn)定性和效率，這是由于Dxt-g-pVAc 具有更多反應(yīng)中心的大分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致對低碳鋼的更強(qiáng)吸附。

生物聚合物是以形成保護(hù)層的方式提高對金屬表層的保護(hù)作用，在具備無毒環(huán)保和高兼容性特性的基礎(chǔ)上，還能作為螯合劑和清除劑使用，這為開發(fā)環(huán)境友好型緩蝕劑提供了一條新的途徑。但生物緩蝕劑的有效性低于合成緩蝕劑，且無法實(shí)現(xiàn)性能上的標(biāo)準(zhǔn)化。同時，生物緩蝕劑的成果較高，未來的發(fā)展還應(yīng)著力于提高其耐久性及成本控制方面。

3.3 離子液體緩蝕劑

離子液體（IL）是一種在室溫或更低溫度下以液態(tài)存在的鹽，通常由有機(jī)陽離子和無機(jī)或有機(jī)陰離子組成，其高極性使其牢固結(jié)合于金屬表面［24］。離子液體的低揮發(fā)性能使其與金屬表面保持長時間的接觸。同時，由于離子液體是由各種陽離子和陰離子組合合成，因此可以針對特定類型的金屬表面和腐蝕性環(huán)境進(jìn)行定制，在通過浸漬、噴霧或電化學(xué)沉積應(yīng)用于金屬表面后能顯著改善對金屬表層的防護(hù)能力［25］。

Schmitzhaus T 等［26］探究了［m-2HEA］［Ol］離子液體在不同濃度NaCl 溶液中對AISI 鋼的局部腐蝕過程的影響，發(fā)現(xiàn)［m-2HEA］［Ol］加入后的緩蝕作用即刻生效，它能有效吸附于鋼材表面并與氯離子形成競爭吸附，而且不受NaCl 溶液濃度的影響。Mobin M 等［27］分別制備了甲酸膽堿（ChF）和醋酸膽堿（ChA）兩種基于生物活性離子的IL，并探究其在5% HCl 中對低碳鋼的緩蝕作用。發(fā)現(xiàn)其緩蝕效果隨IL 濃度和溫度（＜50 ℃）的增加而增加，其最適濃度為2×10-3mol/L。但溫度高于50 ℃時的緩蝕性能發(fā)生衰減，其中ChF 的緩蝕效率為77.6%，ChA 的緩蝕效率為79.3%。極化測量表明兩者均為混合型緩蝕劑，其吸附均遵循Langmuir 吸附等溫線。Haldhar R 等［28］探究了1-（2-甲氧基-2-氧代乙基）-3-甲基咪唑溴化物（ILR1）、1-（2-乙氧基-2-氧代乙基）-3-甲基咪唑溴化物（ILR2）和1-（2-丙氧基-2-氧乙基）-3-甲基咪唑溴化物（ILR3）這三種具有不同陰離子碳鏈的緩蝕劑在硫酸腐蝕介質(zhì)中的作用效果。發(fā)現(xiàn)在0.001 mol/L濃度下，ILR1、ILR2和ILR3的緩蝕效率分別為90%、92%和95%，這說明緩蝕作用隨著連接在咪唑環(huán)上的烷基鏈的長度而提高。此外，三者均遵循Langmuir 吸附等溫線，其吸附包含物理吸附和化學(xué)吸附。Hajjaji F 等［29］探究了三種不同鏈長的新型環(huán)保型咪唑離子液體（［Eth-IM+，Br-］、［Met-IM+，Br-］和［Prop-IM+，Br-］）在1 mol/L HCl 中對低碳鋼腐蝕過程的影響，發(fā)現(xiàn)其緩蝕效率均能達(dá)到90%以上，而電化學(xué)測量表明這些有機(jī)化合物均為混合型緩蝕劑。EIS 結(jié)果表明，該有機(jī)緩蝕劑主要通過吸附在金屬表面起作用。Berdimurodov E等［30］探究了基于葫蘆［6］脲基［3］輪烷的超分子離子液體（CB6-［3］輪烷）作為一種綠色高效緩蝕劑對碳鋼的緩蝕作用效果。結(jié)果證實(shí)，CB6-［3］輪烷在1 mol/L OH-+ 1 mol/L Cl-下的緩蝕效率為97.97%。電化學(xué)結(jié)果證實(shí)CB6-［3］輪烷為混合型陽極緩蝕劑，主要以化學(xué)吸附為主，該離子液體的超分子部分能有效阻斷金屬表面的電荷轉(zhuǎn)移過程。

離子液體緩蝕劑具有高穩(wěn)定、低揮發(fā)、低毒性等特性，并能基于其定制特性最大化實(shí)現(xiàn)對緩蝕過程的控制，從而有效提高對金屬管材表層的腐蝕防護(hù)能力。但離子液體在現(xiàn)階段還存在成本較高、溶解度有限，以及處理難度大等問題，還需進(jìn)行針對性的優(yōu)化處理，以降低其應(yīng)用難度。

3.4 納米顆粒緩蝕劑

納米顆粒緩蝕劑由分散在基質(zhì)或涂層中的納米顆粒所組成，其中的納米顆粒在用于金屬緩蝕的同時，還能作為消耗腐蝕性物質(zhì)的反應(yīng)的催化位點(diǎn)。這類緩蝕劑既可以摻入涂層中，也可以直接添加至金屬表面進(jìn)行處理。在涂層中，納米顆粒通常分散在聚合物基質(zhì)中并附著于金屬表面。當(dāng)涂層暴露在腐蝕性環(huán)境中時，納米顆粒被釋放并提供腐蝕保護(hù)［31］。目前常見的環(huán)保型納米顆粒緩蝕劑有納米氧化物顆粒（氧化鋅、氧化鋁等）、納米碳材料（納米碳管、石墨烯等）、納米粒子（納米氧化鐵、納米硫化物等）等。

Pais M等［32］以合成出的納米生物聚合物牛血清白蛋白（BSA-Np）作為綠色緩蝕劑，探究其在磺胺酸（NH2SO3H）中對金屬的緩蝕作用。發(fā)現(xiàn)BSA-Np在0.1 g/L 的最低濃度值下的緩蝕效率為90%。該緩蝕劑作為一種混合緩蝕劑，其吸附方式符合化學(xué)吸附，遵循Langmuir 吸附等溫式。此外，Pais M等［33］還采用微波介導(dǎo)的納米沉淀法合成了糖原納米顆粒（GLY-Np），并探究其在NH2SO3H 中作為金屬緩蝕劑的可行性，發(fā)現(xiàn)GLY-Np 在0.02 g/L 濃度下緩蝕效率為92%，其抑制效率隨其濃度和溫度的增加而增加，GLY-Np 作為一種混合型緩蝕劑，其主要以化學(xué)吸附為主，并且遵循Frumkin 吸附等溫式。Umoren S 等［34］探究了二氧化鈰（CeO2）納米顆粒和果膠在0.5 mol/L 中對典型X60 管道鋼的協(xié)同緩蝕作用。發(fā)現(xiàn)果膠單獨(dú)存在時，當(dāng)溫度從25 ℃提高到60 ℃時，緩蝕效率從62.9%提高到94.0%，而果膠-CeO2混合物的緩蝕效率則從87.6%提高到91.3%，并認(rèn)為這是由于緩蝕劑分子的離域電子與Fe 表面原子的低能空d 軌道相互作用的化學(xué)吸附所致，兩者均為混合型緩蝕劑，通過接觸角測量表明，果膠單獨(dú)或與CeO2結(jié)合被吸附在金屬表面形成保護(hù)膜。Mobin M 等［35］在合成杏仁膠-銀納米復(fù)合材料（AGAgNC）的基礎(chǔ)上，探究其在1 mol/L HCl環(huán)境下對低碳鋼（MS）的緩蝕作用。發(fā)現(xiàn)AG-AgNC 在60 ℃、150 mg/L 時的最大緩蝕效率為96.5%，近乎是原始AG 的兩倍。EIS測試表明AG-AgNC 在質(zhì)液界面能形成了一層緩蝕吸附膜，其吸附遵循Langmuir 等溫線，并是一種以陽極移位為主的混合型抑制劑。Cen H 等［36］通過溶膠-凝膠法及熱解-硫化/氧化制備了N、S 共摻雜碳包覆MnS/MnO/Mn 納米顆粒（MnS/MnO/Mn@SNC），并探究了 MnS/MnO/Mn@SNC 在3 wt.% NaCl 溶液（已飽和CO2）中對碳鋼的緩蝕作用，結(jié)果證實(shí)MnS/MnO/Mn@SNC 能有效抑制碳鋼的腐蝕，在200 mg/L 時緩蝕效率可達(dá)90%以上。這是由于金屬界面處積累了大量含有單質(zhì)Mn 的層狀納米材料，并能分別作為陽極材料和致密腐蝕產(chǎn)物來保護(hù)碳鋼。Sayed M 等［37］探究了所合成的Cu1-2xSnxZnxO 納米顆粒（x=0.000、0.005、0.010和0.020）在30 ℃、0.5 mol/L HCl 溶液中對低碳鋼的緩蝕性能。極化測量表明，該納米顆粒表現(xiàn)為混合型緩蝕劑，其緩蝕效率為83%。

納米顆粒緩蝕劑較高的表面積與體積比，能為金屬管材提供優(yōu)異的緩蝕保護(hù)，延長其作用年限。并能通過調(diào)整納米顆粒的尺寸、形狀和表面化學(xué)性質(zhì)來定制納米顆粒緩蝕劑的性能，且該緩蝕劑可設(shè)計成生物降解型以減少對環(huán)境的沖擊。但納米顆粒的生產(chǎn)和純化成本高于常規(guī)緩蝕劑，在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定局限性。

3.5 環(huán)保緩蝕劑綜合評價

在對目前常見環(huán)保緩蝕劑的研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述和分析的基礎(chǔ)上，分別就植物提取物緩蝕劑、生物聚合物緩蝕劑、離子液體緩蝕劑以及納米顆粒緩蝕劑的優(yōu)缺點(diǎn)、作用方式、作用效果和適用領(lǐng)域進(jìn)行了歸納對比，具體結(jié)果如表1所示。

表1 主流環(huán)保緩蝕劑的綜合評價Tab.1 Comprehensive evaluation of mainstream environmental protection corrosion inhibitors

由表1 可知，以植物提取物、生物聚合物、離子液體等為主的緩蝕劑均表現(xiàn)出一定的緩蝕效果，其作用效果先后順序依次為：納米顆粒緩蝕劑＞離子液體緩蝕劑＞生物聚合物緩蝕劑＞植物提取物緩蝕劑。其中，植物提取物緩蝕劑和生物聚合物緩蝕劑的環(huán)保性更高，但還存在作用時限短、性能不穩(wěn)定、適用條件苛刻等缺陷，而離子液體緩蝕劑和納米顆粒緩蝕劑雖然性能優(yōu)異，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)緩蝕劑，但處理和加工成本高，使其更多還停留在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)階段。

4 結(jié)語與展望

腐蝕是一種自然現(xiàn)象，它會降低金屬中的結(jié)合能并削弱其綜合性能。目前腐蝕是工業(yè)領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施失效的主要原因之一，其影響與自然災(zāi)害類似且難以規(guī)避。因此，通常需要采取預(yù)防措施來抑制金屬表面的腐蝕，但由于傳統(tǒng)合成緩蝕劑毒性較高，易對環(huán)境造成不可逆破壞，發(fā)展環(huán)保型緩蝕劑的研究已成當(dāng)前主流趨勢。通過對國內(nèi)外大量研究成果進(jìn)行調(diào)研總結(jié)如下：在環(huán)保緩蝕劑中，以動植物、微生物等為原料的緩蝕劑的環(huán)保性更高，但這類緩蝕劑通常存在作用時限短、性能不穩(wěn)定、限制因素多等問題。以離子液體、納米顆粒為原料的緩蝕劑具有優(yōu)異的緩蝕性能，但制備難度較大。未來的研究重心應(yīng)著力于實(shí)現(xiàn)其性能上的標(biāo)準(zhǔn)化、降低制備成本、延長其作用時限。相信通過科研人員的不斷探索和創(chuàng)新，環(huán)保型緩蝕劑勢必引發(fā)一次新的革命。