以氯化苄为季铵化试剂的多环咪唑啉季铵盐在酸性条件下对钢的缓蚀性能研究

马彩梅，薛 斌，刘婷婷

（新疆石河子职业技术学院，新疆石河子 832000）

金属腐蚀普遍存在于各个行业，造成巨大的经济损失和环境污染。缓蚀剂的合理使用是防止金属及其合金在环境介质中发生腐蚀的一种经济有效的防护技术[1]，甚至在某些工业生产中成为不可取代的重要防护措施。目前，缓蚀剂的研究正向高效率、多功能、无公害的目标发展[2]。咪唑啉是近年发展起来的一类性能优异的酸化缓蚀剂，对碳钢等金属在盐酸介质中有优良的缓蚀性能，这类缓蚀剂无特殊的刺激性气味，热稳定性好，毒性低，有良好的生物降解性，因而有着广阔的应用前景[3]。本文合成了四种基于氯化苄的季铵化试剂，并通过失重法、极化曲线法、交流阻抗法分别研究了它们在酸性条件下对钢的缓蚀性能，分析了季铵盐对钢材表面的作用机制，为缓蚀剂的开发和优化提供理论支持。在钢表面上的吸附机制，为进一步开发优选更高效、实用的多环咪唑啉季铵盐金属缓蚀剂提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

丁二酸，AR，上海市昊海化学试剂有限公司；二甲苯，AR，天津市福化化学试剂有限公司；四乙烯五胺，AR，福晨（天津）化学试剂有限公司；氯化苄，AR，福晨（天津）化学试剂有限公司。

三颈圆底烧瓶，天津玻璃仪器厂；球形冷凝管，天津玻璃仪器厂；DF-Ⅱ集热式磁力加热搅拌器，常州爱华仪器制造有限公司；分水器，天津市中锋实验器材有限公司；电化学工作站，德国ZAHNER 公司。

1.2 实验方法

（1）制备双咪唑啉化合物[4]。按照合成产物不同，将丁二酸和二甲苯以200 r/min 在三口烧瓶中电动搅拌，加热至90℃，将盛有适量四乙烯五胺的恒压漏斗连接到三口烧瓶中，缓慢滴加至完毕，按10℃/h 的速率升温，在150~170℃进行脱水反应2 h，此时二甲苯和水共沸蒸出，升温至230℃，反应3 h，至不再有水生成时结束反应，黏稠液体即为双咪唑啉化合物。

（2）合成单环和双环咪唑啉季铵盐：将制备所得的多环咪唑啉化合物在90℃时加入适量的氯化苄，反应3 h 得到黏稠状膏体即为单环咪唑啉季铵盐（SO-1）或双环咪唑啉季铵盐（SO-2）。SO-1与SO-2见图1~图2。

图1 单环咪唑啉季铵盐：SO-1

图2 双环咪唑啉季铵盐：SO-2

（3）合成三环和四环咪唑啉季铵盐：将制备所得的多环咪唑啉化合物在90℃时加入适量的氯化苄和油酸，反应3 h 得到黏稠状膏体即为三环咪唑啉季铵盐（SO-3）或四环咪唑啉季铵盐（SO-4）。结构式见图3~图4。

图3 三环咪唑啉季铵盐：SO-3

图4 四环咪唑啉季铵盐：SO-4

2 结果与分析

2.1 产物表征

产物表征见图5，说明合成了咪唑啉产物，并通过失重法、电化学方法[5]及交流阻抗法[6]比较四种产物的缓蚀性能。

图5 四种化合物的红外谱

（1）1646 cm-1处 为C=N伸 缩 振 动 吸 收 峰，2 854 cm-1、2 930cm-1处 为CH2伸 缩 振 动 吸 收 峰，1157cm-1、1299 cm-1处为C-N伸缩振动吸收峰。

（2）1610 cm-1处 为C=N伸 缩 振 动 吸 收 峰，2850、2932cm-1处为CH2伸缩振动吸收峰，1125、1275cm-1处为C-N 伸缩振动吸收峰。

（3）1605cm-1处 为C=N伸 缩 振 动 吸 收 峰，2853、2929cm-1处为CH2伸缩振动吸收峰，1 128、1 299 cm-1处为C-N 伸缩振动吸收峰。

（4）1 603 cm-1处为C=N 伸缩振动吸收峰，2 854、2 928 cm-1处为CH2伸缩振动吸收峰，1 299 cm-1处为C-N 伸缩振动吸收峰。

2.2 失重法

失重法测得30℃条件下N80钢在含有和未含有缓 蚀 剂 的1 mol/L HCl 溶 液 中 浸 泡48 h 之 后 的 结 果显示，在本文所给定的浓度范围中，SO-1、SO-2、SO-3、SO-4的最佳浓度均为40 mg/L。但就同样浓度下，不同化合物的缓蚀效率来看的话，随着环数的增加，四种化合物的缓蚀效率大小顺序为SO-3>SO-2>SO-4>SO-1。

2.3 极化曲线法

图6 是N80 钢电极在1 mol/L HCl 溶液和分别加入最佳浓度（40 mg/L）的四种多环咪唑啉季铵盐化合物溶液极化曲线。测试结果显示，腐蚀电位正移，ΔE>0，所以这四种化合物属于阳极型缓蚀剂。通过极化曲线法得出四种化合物的缓蚀作用大小顺序为SO-3>SO-2>SO-4>SO-1，这与失重法所得结果相同。

图6 四种多环咪唑啉季铵盐化合物溶液极化曲线

2.4 交流阻抗法

采用交流阻抗法测试，结果显示，在1 mol/L HCl中分别加入四种多环咪唑啉季铵盐后，N80 钢的腐蚀传递电阻先增大后减小，而金属-溶液的界面电容则先减小后增大。四种多环咪唑啉季铵盐对N80钢在1 mol/L HCl 溶液中的腐蚀有明显减缓作用。同时，四种多环咪唑啉季铵盐的缓蚀性能作用的大小顺序为

SO-3>SO-2>SO-4>SO-1。

2.5 温度对四种多环咪唑啉季铵盐缓蚀性能的影响

在30~60℃条件下，测试N80钢分别在未加和加有最佳浓度的四种多环咪唑啉季铵盐的1 mol/L HCl溶液中浸泡48 h 后的失重量，结果显示，四种多环咪唑啉季铵盐对N80钢在1 mol/L HCl 溶液中的缓蚀效率随着温度升高而均略有减小，但在60℃时缓蚀效率仍达到85%以上，这说明四种化合物对N80钢有较好的缓蚀效果。

2.6 四种多环咪唑啉季铵盐在N80钢表面的吸附行为

四种多环咪唑啉季铵盐SO-1、SO-2、SO-3 和SO-4在1 mol/L HCl 溶液中对N80钢均属于阳极型缓蚀剂，其在钢表面的吸附均服从Langmuir 吸附等温式，属于化学吸附。化合物的缓蚀性能一般与化合物的结构有关[7]。一般多环咪唑啉季铵盐随着其所含环数的增加使其在钢表面的吸附能力也随之增强，可以很明显看到SO-1、SO-2、SO-3的缓释性能的变化情况，SO-3>SO-2>SO-1。

3 结论

四种多环咪唑啉季铵盐SO-1、SO-2、SO-3 和SO-4对N80钢在1 mol/L HCl 溶液中均有较好的缓蚀性能，缓蚀效率大小顺序为SO-3>SO-2>SO-4>SO-1。在所研究的温度范围内（30~60℃），四种多环咪唑啉季铵盐SO-1、SO-2、SO-3和SO-4对N80钢在1 mol/L HCl 溶液中的缓蚀效率随温度的升高而降低。四种多环咪唑啉季铵盐SO-1、SO-2、SO-3 和SO-4 在1 mol/L HCl 溶液中对N80 钢均属于阳极型缓蚀剂，其在钢表面的吸附均服从Langmuir 吸附等温式，属于化学吸附。

因此，充分利用咪唑啉季铵盐缓蚀剂优异的缓蚀性能和环境友好性，今后的研究方向可以考虑开发更高效的咪唑啉季铵盐缓蚀剂[8]，探索咪唑啉季铵盐缓蚀剂在不同领域的应用，开发基于咪唑啉季铵盐缓蚀剂的新型材料，提高咪唑啉季铵盐缓蚀剂的生产工艺和成本效益等，使其更加广泛地应用于实际生产中。