表面活性劑對(duì)鑄鐵防銹性能影響的研究

楊 丹，費(fèi)艷寧，李廣宇,

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)鹿森潤(rùn)滑技術(shù)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179）

鑄鐵是含碳量大于2.1%的鐵碳合金，是工業(yè)中最常見的一種鑄造金屬材料。由于具有良好的機(jī)械物理性能，易于生產(chǎn)加工，且價(jià)格低廉，被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。

鑄鐵加工中常使用水基金屬加工液優(yōu)化加工過(guò)程，水基金屬加工液由于具有以水代油、節(jié)省能源、不危害操作者健康、減少污染、保護(hù)環(huán)境、清洗成本低等特點(diǎn)，近十年來(lái)在我國(guó)得到迅速發(fā)展[2]。而水基金屬加工液常會(huì)帶來(lái)腐蝕問(wèn)題，影響表面質(zhì)量。水基金屬加工液的主要成分是表面活性劑，因此表面活性劑的防銹性很大程度影響金屬加工液的防銹性。本文選用應(yīng)用廣泛的陰離子和非離子表面活性劑研究其不同濃度下的防銹性，為水基金屬加工液表面活性劑選擇提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方法

采用IP287（鐵屑濾紙法）方法，在濾紙上稱取2 g 鐵屑，均勻鋪展，放入培養(yǎng)皿內(nèi)，將表面活性劑稀釋液傾倒足夠量，使之超過(guò)鐵屑。將培養(yǎng)皿蓋上，室溫下放置4 h。之后移走濾紙，除去其上的鐵屑，觀察濾紙上鐵屑留下的銹跡面積。以銹蝕面積的大小來(lái)評(píng)價(jià)切削液對(duì)鐵的防銹性[3]。

此法評(píng)價(jià)防銹性，具有用時(shí)短、結(jié)果準(zhǔn)確性高、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[4]。

1.2 試驗(yàn)試劑

1.2.1 陰離子表面活性劑

（1）磺酸鹽型

十二烷基苯磺酸鈉：分子式為C18H29NaO3S，分子量為348.48；

石油磺酸鈉：分子式為R-SO3Na（R 為C14～C18的烷基）；

石油磺酸鈉T702B 的分子量為410，有效成分含量為50%；

石油磺酸鈉HL 的分子量為465，有效成分含量為60%～62%。

（2）硫酸酯型

十二烷基硫酸鈉：化學(xué)式為CH3(CH2)10CH2-OSO3Na，分子量288.38；

太古油：混合物，主要成分的化學(xué)名稱為蓖麻酸硫酸酯鈉鹽，分子式為C18H12O6Na2，分子量為390.4。

（3）脂肪醇醚羧酸型

脂肪醇醚羧酸4561：C16/18脂肪醇，酸值為60～70。

1.2.2 非離子表面活性劑

（1）壬基酚聚氧乙烯型

壬基酚聚氧乙烯醚(NP-7)結(jié)構(gòu)式如下：

其中n=7；

壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯(E9600)：是由磷酸單酯﹑雙酯和微量三酯組成的混合物。

（2）多元醇聚氧乙烯型

聚氧乙烯山梨糖醇酐三油酸酯(T-85)。

（3）丙二醇嵌段聚醚型

L44 結(jié)構(gòu)式：

（4）酰胺型

超酰胺：化學(xué)式為CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CONH(C2H4OH)2，分子量為356；

油酸烷醇酰胺183：高含量油酸烷醇酰胺；

椰子油二乙醇酰胺6501：分子式為C11H23CON(CH2CH2OH)2，分子量為287.16。

1.3 試驗(yàn)試劑

將表面活性劑用自來(lái)水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%和5%的溶液，用于試驗(yàn)。

1.4 主要儀器

SSX-550 型掃描電子顯微鏡及其附件元素分析譜儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型表面活性劑對(duì)鑄鐵防銹性能的影響

圖1 陰離子表面活性劑銹蝕面積與質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線

圖2 非離子表面活性劑銹蝕面積與質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線

從圖1 可以看出，隨著陰離子表面活性劑的濃度增加，銹蝕面積呈減少趨勢(shì)。陰離子表面活性劑中，防銹效果硫酸酯型整體優(yōu)于脂肪醇醚羧酸型和磺酸鹽型。整體來(lái)看，在磺酸鹽型陰離子表面活性劑中，防銹效果最好的是石油磺酸鈉HL，這是由于HL 有效成分含量最高，分子量大，可更有效進(jìn)行吸附；脂肪醇醚羧酸型陰離子表面活性劑中，4561 防銹效果較好是由于4561 的酸值高，吸附基團(tuán)-COOH 多，吸附能大，能更緊密吸附在金屬表面；硫酸酯型陰離子表面活性劑中，太古油防銹效果最好，因?yàn)樘庞捅仁榛蛩徕c多-COONa 基團(tuán)，-COONa 可以與金屬表面較好的結(jié)合，形成牢固的保護(hù)膜，起到防銹作用。

從圖2 可知，隨著非離子表面活性劑的濃度增加，銹蝕面積呈減少趨勢(shì)。壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯(E9600)的防銹性能顯著優(yōu)于壬基酚聚氧乙烯醚(NP-7)；聚氧乙烯山梨糖醇酐三油酸酯T-85 的防銹能力明顯隨濃度的增加變好，到達(dá)一定濃度甚至可以無(wú)銹跡；隨著L44 濃度的增加，達(dá)到2%以后銹跡面積基本不再減少，對(duì)防銹效果沒(méi)有明顯影響。酰胺型陰離子表面活性劑中，防銹效果最好的是超酰胺，當(dāng)其濃度為5%時(shí)無(wú)銹蝕；E9600 分子中含有磷酸酯基團(tuán)，磷酸酯基團(tuán)具有很強(qiáng)的吸附性，在Fe 的表面發(fā)生化學(xué)吸附[5]緊密吸附在金屬表面，形成完整的堅(jiān)固的保護(hù)膜，阻止腐蝕性離子進(jìn)入金屬表面，阻止外界空氣對(duì)金屬表面的氧化，從而阻止鐵的銹蝕。而且E9600中具有長(zhǎng)鏈烴基，磷酸酯基團(tuán)相連的長(zhǎng)鏈烴基多，更有可能有效地覆蓋全部的金屬表面[6]，防銹效果好；T-85 中酯基的含量高，在金屬表面發(fā)生較強(qiáng)的物理吸附，吸附力強(qiáng)使得形成的吸附膜穩(wěn)固，能有效防止腐蝕介質(zhì)進(jìn)入金屬表面；酰胺類含有極性基-CONH-，防銹效果好，是由于-X-基團(tuán)的吸電子效應(yīng)，使羧基酸性增強(qiáng)更有利于產(chǎn)生化學(xué)吸附；也有人認(rèn)為這是由于產(chǎn)生鰲合化合物的緣故[7]。

2.2 表面分析

選取三種防銹效果及水溶性較好的表面活性劑做表面分析，見圖3～圖5。從SEM 照片中可看出使用E9600 后，鐵屑表面有輕微腐蝕，表面光滑。而使用其它兩種表面活性劑后，鐵屑表面發(fā)生局部腐蝕或點(diǎn)蝕。通過(guò)比較局部腐蝕和輕微腐蝕的EDS 圖可知氧原子含量大幅增多，表明腐蝕產(chǎn)物為鐵的氧化物或氫氧化物。

圖3 太古油濃度為3%時(shí)鐵屑的SEM 照片和EDS 圖

圖4 超酰胺濃度為3%時(shí)鐵屑的SEM 照片和EDS 圖

圖5 E9600 濃度為3%時(shí)鐵屑的SEM 照片和EDS 圖

3 結(jié)論

（1）陰離子表面活性劑中，防銹效果：硫酸酯型>脂肪醇醚羧酸型>磺酸鹽型，防銹效果最好的是太古油；非離子中酰胺類整體優(yōu)于其它類型，但防銹效果最好的是E9600，是由于E9600 含有磷酸酯基團(tuán)，在鐵表面有強(qiáng)的化學(xué)吸附。表明表面活性劑的防銹性與吸附基結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

（2）對(duì)于具有相同有效基團(tuán)的表面活性劑，防銹效果：石油磺酸鈉HL>T702B，太古油>十二烷基硫酸鈉，表明有效基團(tuán)含量越高，防銹效果越好；酰胺類防銹效果：超酰胺>椰子油二乙醇酰胺6501，表明分子量越大，吸附效果越好，防銹效果越好。

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[3]Designation IP287/83.Rust prevention characteristics of soluble oil emulsions CHIP/FILTER PAPER METHOD.

[4]何紅波,張文杰.鐵屑法快速評(píng)定金屬加工液的防銹性能[J].汽車工藝與材料,2002(7):34-35.

[5]夢(mèng)瑤.水基微乳化切削液的防銹和防腐蝕性能的研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)理工大學(xué),2009.

[6]王洪斌,張二水,劉順濤.表面活性劑與水溶性防銹劑相互作用的研究[J].石油學(xué)報(bào)(石油化工),2002,18(2):92-98.

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