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【技术分享】金属防锈知识--缓蚀剂


发布者:拉菲官网 日期:2020-11-06 23:45


  在长期与金属锈蚀抗争的生产实践中,人们发现一些物质能在腐蚀性介质中抑制金属腐蚀,这些物质就叫缓蚀剂(也叫腐蚀抑制剂或阻蚀剂)。在ASTM-G15中将缓蚀剂定义为:“缓蚀剂是一种当其以适当的浓度和形式存在于介质中时,可防止或减缓腐蚀的化学物质或复合物。”

  用缓蚀剂防止金属锈蚀,设备简单,使用方便,成本低,效果显著,已广泛用于金属防腐蚀领域。对于暂时性防锈材料中所用的缓蚀剂,人们习惯称其为防锈添加剂。

  缓蚀剂的种类较多,作用原理也不尽相同,并且有的还一剂多功能,因此,很难按某一具体的方式既能严格地将众多缓蚀剂分门别类,又能反映出缓蚀剂的内在结构和缓蚀机理。因此,通常从不同的侧面对它们进行分类,常见的分类方法有:

  ⑵按电化学作用机理分类:阳极抑制型缓蚀剂、阴极抑制型缓蚀剂和混合抑制型缓蚀剂。

  ⑷按被保护金属分类:黑色金属缓蚀剂、铜及铜合金缓蚀剂、铝及铝合金缓蚀剂等。

  所谓暂时性防锈材料,并非指这些材料的防锈有效期短,而是在必要时,可容易将它们从金属表面去除掉。

  常用的暂时性防锈材料主要有:水基防锈剂、防锈油脂和气相防锈材料。为方便起见,下面就按水溶性缓蚀剂、油溶性缓蚀剂和气相缓蚀剂的分类方法对常用的缓蚀剂作简要介绍。

  水溶性缓蚀剂就是能溶解于水中的一类缓蚀剂。金属在潮湿的大气中或浸在水中是极易发生锈蚀的,原因是在金属表面形成水膜,为电化学腐蚀提供了条件,若在水中加入少量特定的水溶性缓蚀剂,就可抑制电化学过程,就可减缓或防止金属锈蚀。常见的这类缓蚀剂如表2-1所示:

  ⑴在金属表面形成致密的氧化膜。这类缓蚀剂能和金属表面发生反应,形成一层不溶性的致密的氧化保护膜,从而阻止金属的阳极过程,减缓或终止腐蚀的电化学过程,实现对金属的保护。这类缓蚀剂也可能吸附在金属表面的活性点,降低金属表面的反应活性而起缓蚀作用,如钼酸盐和钨酸盐就属这一类缓蚀剂。

  ⑵在金属表面生成难溶的盐类保护膜。缓蚀剂分子能与金属上溶下来的金属离子作用而生成难溶的盐,沉积在金属的表面,形成一层致密的保护层,阻止金属的进一步溶解,起保护作用,如磷酸盐和硅酸盐就属于这一类缓蚀剂。

  ⑶生成难溶的络合物覆盖膜。这类缓蚀剂的分子中大多含有N、O、S等元素的杂环基团,它们能与金属表面的金属原子或金属表面附近的金属离子络合,附着在金属的表面形成一层难溶的络合物保护膜,阻止金属的溶解,起缓蚀作用。苯骈三氮唑对铜的缓蚀就属于这一类。

  为了充分发挥各种缓蚀剂的作用,实现正的协同效果,通常将多种缓蚀剂复合使用,因此,在金属缓蚀防护中各种缓蚀作用可能同时存在。

  油溶性缓蚀剂是一种当其以适当的浓度和形式存在于基础油中时可以防止或明显减缓金属锈蚀的油溶性化学物质或复合物。

  油溶性缓蚀剂是防锈油、脂中的主要添加剂,是油的表面活性剂,这类缓蚀剂分子结构的共同点通常是具有结构不对称性,一般由极性基团和非极性基团组成,常见的极性基团有:—OH、—NH2、—COO—、等,它们与水和金属离子有亲和力;非极性基团一般为烃基,它有亲油性,有的缓蚀剂由多个极性基团和非极性基团组成。按极性基团的种类可将油溶性缓蚀剂分成五大类:磺酸盐及其含硫化合物、胺类及其它含氮化合物、酯类化合物、羧酸及其金属皂、含磷化合物及其它。常用的油溶性缓蚀剂如表2-2所示。

  优良的抗湿热和表面吸附能力, 是防锈油中的主添加剂,由于其原料来源受限,现已逐渐被合成重烷基磺酸钡替代

  常用其过碱性化合物,有清净分散性,同时能中和油中的酸性物质,可用于成型油的防锈,抗大气性差

  在金属表面的吸附能力强,有较好的抗湿热和抗盐雾能力,常与其它添加剂成盐后用于防锈油脂,抗大气性能不及石油磺酸盐

  是铜及其合金的有效缓蚀剂,常用司本-80或邻苯二甲酸二丁酯等助溶剂将其溶入油中

  溶于油,对黑色金属和铜及其合金均有气相和油相防护防锈性,用于配制气相防锈油

  咪唑啉类防锈添加剂对黑色金属有较好的抗湿热和抗盐雾性,但抗大气性能不及磺酸盐类防锈添加剂

  较好的抗湿热性能,乳化能力强,常作其它防锈添加剂的助剂,但使防锈油更易吸湿,抗大气性能差

  表面吸附能力强,是防锈油中的常用添加剂,但呈酸性,常与其它防锈添加剂配合使用

  油溶性缓蚀剂的作用机理常用吸附理论来解释:金属晶体中的原子相互是以金属键结合的,其内部的原子与表面的原子所受到的作用力是不同的,内部的原子在各个方向上所受到的作用力是相同的,而表面上的原子受内部原子对它的引力远大于外部气体分子或液体分子对它的吸引力,结果使表面原子受到一个向内的合力,即表面原子所受到的作用力是不平衡的,表面自由能很大,是热力学上的不稳定状态,当外界分子因各种原因到达金属表面时,就会被表面吸附,使表面自由能在一定程度上得到了降低,趋向稳定。吸附理论认为,缓蚀剂对金属的缓蚀作用,就是缓蚀剂分子在金属表面上被吸附的结果。按缓蚀剂分子与金属表面间的作用力的不同,吸附有物理吸附、化学吸附、沉淀吸附和感应吸附。

  按照吸附理论,溶入油中的缓蚀剂,部分以单分子分散在油中,部分则以胶束状态存在于油中(见图2-1油溶性缓蚀剂在油膜中的分布简图)。分散状态的缓蚀剂分子的极性基团按上述各种吸附方式密集地吸附在金属表面上,同时非极性基团的一端伸向油中。非极性的基础油分子链插入吸附在金属表面上的相邻两个缓蚀剂分子的非极性端之间,加强了缓蚀剂分子的吸附层。由于表面竞争作用,这些缓蚀剂可将原来吸附在金属表面上的有害物质赶走,形成缓蚀剂吸附层,一旦形成一层完整牢固的吸附层,就将油中的有害物与金属表面隔离;缓蚀剂分子还在油与大气或其它介质的界面上也形成了一层定向吸附层,起屏蔽作用;此外,分散在油中的缓蚀剂胶束可将油中的有害物质收集包裹在其中,避免有害物对金属的侵蚀。

  气相缓蚀剂又叫挥发性缓蚀剂,它是一类在常温下能挥发而充满整个包装空间、吸附在金属表面起阻滞金属腐蚀作用的化合物或混合物。与其它缓蚀剂比较,气相缓蚀剂有如下特点:

  ⑴依靠缓蚀剂本身挥发的气体起缓蚀作用。缓蚀剂气体无孔不入,故对于表面不平、结构复杂、有细小孔隙的制件或组合件很适用。

  ⑵使用方便,启封容易,劳动强度低,生产效率高。与防锈油封存相比,能省掉包装前的涂油和启封后的清洗,最适合于工具、零部件、军械的封存防锈。

  ⑶防锈期长。用气相缓蚀剂封存防锈,在密封情况下防锈期可达10年以上。气相缓蚀剂也可用于工序间的短期防锈。由于气相缓蚀剂有上述优点,在金属防锈领域的应用面不断拓宽,量不断增加。常用的气相缓蚀剂见表2-3。

  对黑色金属有较好防锈性,油溶性随羧酸碳原子数的增加而增加,常需与助溶剂配合用于配制气相防锈油

  气相缓蚀剂的作用机理。从分子组成及其特征看,气相缓蚀剂在常温下有适当的蒸气压,能充满被密闭的包装空间,其分子中都含有一定的缓蚀性能的基团,如:

  ⑴气相缓蚀剂在潮湿空气中先水解或离解,分离出有缓蚀保护作用的基团,这些基团挥发后飘浮在密闭空间,其中部分附着在金属表面,按吸附、钝化、络合机理对金属起保护作用,属于这类缓蚀剂的有:(NH4)2CO3·H2O、NH4HCO3、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4。

  ⑵密封包装空间中的气相缓蚀剂借助其中的挥发性有机基团,挥发而漂落在金属表面上,与金属表面的微量水作用而离解出具有缓蚀作用的基团,如亚硝酸二环已胺可离解出

  缓蚀剂的种类多,性能各异,即使同一种缓蚀剂在不同的环境中或对不同的保护对象所起的作用也不同,因此,在选用缓蚀剂时应注意如下几点:

  ⑵阴极型缓蚀剂是一种安全的缓蚀剂,即使用量偏低也不会引起副作用;在使用阳极型缓蚀剂时,要保证有足够的缓蚀剂加入量,否则会引起严重的点蚀。

  ⑷对于同一种缓蚀剂,如果使用条件有变化,可能得不到预期的防护效果,因此,使用前须作相应的试验。

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