环保型水溶性防锈剂的研究及性能测试

史　宁,　张书弟,　李德顺

(沈阳理工大学，辽宁 沈阳　110159)



环保型水溶性防锈剂的研究及性能测试

史宁,张书弟,李德顺

(沈阳理工大学，辽宁 沈阳110159)

摘要：研制了一种环保型水基防锈剂。以硅酸钠、三乙醇胺、硼酸、乙二胺四乙酸和钨酸钠为原料，通过正交试验，确定了水溶性防锈剂的最优配方。防锈剂组成为:250g/L硅酸钠，1.0g/L三乙醇胺，2.0g/L硼酸，0.12g/L乙二胺四乙酸，0.8g/L钨酸钠。该防锈剂稳定性在两周以上，且防锈剂成膜后可使冷轧板的腐蚀速率明显降低，大气腐蚀挂片试验可达到35d，防锈效果良好、成本低，具有很好的应用前景。

关键词:水溶性； 防锈剂； 环保

Keyword: water-soluble； rust inhibitor； environmental friendly

引言

钢铁应用于工业生产和生活中的各个方面，在人类的生活和工作中有着十分重要的作用，是科技发展的基础[1]，但钢铁在大气中易锈蚀且锈蚀过程相当复杂[2-3]，对工业生产及人们的生活产生不同程度的不利影响，带来不必要的经济损失。在我国，据中国工业和自然环境腐蚀调查项目组2008年调查结果显示，由腐蚀造成的直接经济损失达2300亿元，间接经济损失为5000～6000亿元，相当于当年我国国民生产总值的5%。因此，研究防止钢铁腐蚀的方法就变得很重要。金属的暂时性防护方法包括涂覆防锈油、防锈水和包裹气相防锈包装材料[4]。目前对钢板采取的防锈措施主要是水基型防锈剂[5-6]。钟雪丽等[7]以植酸、聚天冬氨酸为主要成分，添加钼酸钠和苯甲酸钠作为助剂，研制出了一种无毒高效的水基防锈剂，耐中性盐雾试验可达28h。李璐等[8]以三乙醇胺、苯甲酸钠、四硼酸钠、碳酸钠和葡萄糖酸钠为主要原料，研制出一种环保型水基防锈剂，对黑色金属及有色金属均有良好的防锈效果。相对于防锈油[4]来说，此类水溶性防锈剂更易去除，在工序间处理方便，可间接提高经济效益。传统的亚硝酸盐型防锈水虽然防锈效果良好但是对环境及人体有毒[5]，目前防锈剂的研究方向均向着环境友好型方向发展。为了克服目前水基防锈剂防锈效果差、含有有毒物质，以及成本偏高、污染较严重等缺点，本实验运用正交试验方法研究了一种不含亚硝酸盐的水溶性防锈剂，主要材料为硅酸钠、三乙醇胺、硼酸、乙二胺四乙酸和钨酸钠，经查这几种药品毒副作用很小，环保且防锈效果良好，主要用于工序间防锈。

1实验材料及方法

1.1试样制备

本实验采用普通冷轧板，试样尺寸为30mm×60mm×0.5mm。

1.2前处理流程

普通冷轧板前处理工艺流程为：打磨→水洗→除油→水洗→活化→水洗。

除油液组成，10～15g/L氢氧化钠，30～40g/L碳酸钠，25～35g/L磷酸钠,常温浸洗2～4min。

活化液组成，盐酸(35%～38%)与水1∶3(体积比)混合，室温下处理1～2min。

因为冷轧板易锈蚀，所以前处理工艺流程各步骤均应连续及时进行，以防冷轧钢板返锈。

1.3正交试验

按照表1中各因素水平，分别配制500mL防锈剂在常温条件下搅拌直至溶解完全，溶液呈无色透明。将配制的防锈液浸涂在冷轧板试片上，测试防锈剂中各成分对试片的影响，确定防锈液最佳组成。

正交试验因素水平如表1所示,正交试验表结果见表2。

表1因素水平表

水平ABCDEρ(硅酸钠)/(g·L-1)ρ(三乙醇胺)/(g·L-1)ρ(硼酸)/(g·L-1)ρ(乙二胺四乙酸)/(g·L-1ρ(钨酸钠)/(g·L-1)12001.00.50.040.222503.01.00.080.433005.01.50.120.643507.02.00.160.8

表2正交试验表L16(45)

试验号ABCDEφ/mV111111-606.584212222-633.979313333-565.531414444-494.012521234-494.420622143-554.797723412-553.262824321-606.666931342-554.9821032431-557.608

续表

试验号ABCDEφ/mV1133124-566.5481234213-633.8881341423-559.1861442314-586.4211543241-598.3901644132-505.645K1-2300.106-2215.172-2233.574-2380.155-2369.248―K2-2209.145-2332.805-2360.677-2366.379-2247.868―K3-2313.026-2283.731-2313.600-2123.204-2313.402―K4-2249.642-2240.211-2164.068-2202.181-2141.401―k1-575.027-553.793-558.394-595.039-592.312―k2-552.286-583.201-590.169-591.595-561.967―k3-578.257-570.933-578.400-530.801-578.351―k4-562.411-560.053-541.017-550.545-535.350―R25.97129.40849.15264.23856.962―最优配方A2B1C4D3E4―

根据极差R分析，R值的顺序依次为D>E>C>B>A，即乙二胺四乙酸>钨酸钠>硼酸>三乙醇胺>硅酸钠，乙二胺四乙酸影响最大，钨酸钠其次，硅酸钠的影响最小，说明乙二胺四乙酸对防锈膜的形成影响最大。正交试验优化的最优方案为：A2B1C4D3E4。即250g/L硅酸钠，1.0g/L三乙醇胺，2.0g/L硼酸，0.12g/L乙二胺四乙酸，0.8g/L钨酸钠。对最优配方的防锈剂及浸涂的试片进行各项性能测试。

2性能测试

2.1水溶性防锈剂性能

用目测法观察水溶性防锈剂的透明度及均匀性。防锈剂的质量要求，应具有均匀、无沉淀、无杂质、无分层现象。

2.1.1防锈剂外观

经目测所配制的防锈剂无色透明、均匀液体，无分层及无沉淀现象。

2.1.2防锈剂稳定性

在室温下将水溶性防锈剂存放两周，观察到防锈剂无分层、无沉淀现象，依旧呈透明状。

2.2防锈膜形貌

在冷轧板表面浸涂防锈剂，采用BM-4XL型金相显微镜观察防锈剂成膜前后试片表面形貌，如图1所示。

图1　冷轧板表面微观形貌照片×400

由图1可以看出，配制的水溶性防锈剂可以将金属试片基体完全覆盖，无基体裸露，且膜层均匀透明。

2.3极化曲线测试及分析

极化曲线测试采用PARSTAT-2273型电化学工作站(美国)进行。采用三电极体系，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，工作电极为待测冷轧板试样，工作面积为1cm2。电解液为3.5%的氯化钠水溶液。扫描速率为5mV/s，正弦波激励信号为5mV，扫描频率范围为100kHz～10mHz。

一般生产用防锈剂均用自来水配制，本实验将正交试验确定的最优配方分别用蒸馏水和自来水配制，浸涂在试片上，然后测试极化曲线来比较试片的防锈性能，测试结果见图2。

由图2拟合得出，未浸涂防锈剂的试片φcorr=-707.875mV，Icorr=10.87μA；用蒸馏水配制的防锈剂处理的试片φcorr=-485.488mV，Icorr=4.508μA；用自来水配制的防锈剂处理的试片φcorr=-490.391mV，Icorr=5.728μA，相对于未浸涂防锈剂的试片采用最优配方配制的防锈剂防锈效果显著提高，用蒸馏水和自来水配制的防锈剂自腐蚀电流只差了1.220μA，说明自来水中的杂质对防锈效果影响不大，所以生产中应用的防锈剂可直接用自来水配制。

图2　极化曲线

2.4大气腐蚀试验

用正交试验确定的溶液组成配制的防锈液浸涂试片，进行户外暴露挂片试验(暴露条件为沈阳春季气候)，将浸涂防锈液的冷轧板试样在室外悬吊起来，及时观察暴露挂片出现锈点的时间。每组进行3组平行试验，取平均值。记录数据如图3。

通过图3看到，浸涂4#和5#防锈液的试片出现锈蚀的时间最长，在16组试验中防锈效果最好；2#出现锈点最快，防锈效果最差。试验得出浸涂最优配方(17#)防锈液的试片出现锈点t为36d，图3中4#和5#防锈液的防锈效果稍次于正交最优配方。

图3　试片出现锈点时间

在生产过程中根据冷轧板需要的防锈期长短，可以将此防锈剂与水以一定比例混合，以达到需要的防锈期限，同时还可以降低经济成本。将防锈液与水分别以1∶1、1∶2和1∶3体积比的比例混合，浸涂在冷轧板试片表面，进行大气腐蚀试验。大气腐蚀试验出现锈蚀的时间列于表3。

表3不同配比防锈液试片出现锈蚀时间

V液∶V水t锈蚀/d1∶1311∶2251∶318

由表3可以看出，配制的防锈液与水按不同比例混合，浸涂在试片上，大气腐蚀试验防锈时间有差别。生产中根据防锈期限的要求配制防锈液，可以降低成本。

3结论

1)以硅酸钠、三乙醇胺、硼酸、乙二胺四乙酸和钨酸钠为原料，配制水溶性防锈剂。正交试验确定了水溶性防锈剂的最优配方为：250g/L硅酸钠，1.0g/L三乙醇胺，2.0g/L硼酸，0.12g/L乙二胺四乙酸，0.8g/L钨酸钠。

2)实验配制的水溶性防锈剂在冷轧板表面成膜均匀，涂防锈液后试片表面无裸露现象。在外界大气环境下，进行大气腐蚀挂片试验，防锈t可达30d以上，防锈效果良好。

3)根据冷轧板需要的防锈期长短将最优配方配制的防锈剂与水以一定比例混合，可达到不同需要的防锈期限。

参考文献

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[2]俎喜红,胡剑青,王锋,等.环境友好防锈涂料的研究进展[J].化工进展,2008,27(9):1394-1399.

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[6]刘旭麟,彭乔,刘顺华,等.成膜剂对黑色金属防锈水防锈性能的影响[J].腐蚀与防护,2010,31(12):970-972.

[7]钟雪丽,杨志霞,郭培宽.一种无毒水基防锈剂的研制及其性能[J].表面技术,2014,43(3):115-128.

[8]李璐,白宁宁,何荣幸.水溶性环境友好型防锈剂的研制[J].化学研究与应用，2014,26(12):1958-1963.

Research and Performance Test of Environmental Friendly Water-Soluble Rust Inhibitor

SHI Ning, ZHANG Shudi, LI Deshun

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159,China)

Abstract:An environmental friendly water-based rust inhibitor was developed.The optimized formulation was determined by orthogonal tests and using sodium silicate,triethanolamine,boric acid,ethylene diamine tetraacetic acid and sodium tungstate as raw materials.The optimized formulation were obtained as following：250g/L of sodium silicate,1.0g/L of triethanolamine,2.0g/L of boric acid,0.12g/L of EDTA and 0.8g/L of sodium tungstate.Stability of the rust inhibitor was more than two weeks,and this rust inhibitor could reduce the corrosion rate of cold-rolled steel significantly after the antirust film was formed.In addiition,atmospheric corrosion coupon experiments could reach to 35 days.So the rust inhibitor has good antirust protection effect,low cost and good application prospect.

中图分类号：TG174.42

文献标识码：A

收稿日期：2015-09-08修回日期： 2015-11-10

doi：1994,33(2):182-186.10.3969/j.issn.1001-3849.2016.03.003