以氯化芐為季銨化試劑的多環(huán)咪唑啉季銨鹽在酸性條件下對鋼的緩蝕性能研究

馬彩梅，薛 斌，劉婷婷

（新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆石河子 832000）

金屬腐蝕普遍存在于各個行業(yè)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。緩蝕劑的合理使用是防止金屬及其合金在環(huán)境介質(zhì)中發(fā)生腐蝕的一種經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)技術(shù)[1]，甚至在某些工業(yè)生產(chǎn)中成為不可取代的重要防護(hù)措施。目前，緩蝕劑的研究正向高效率、多功能、無公害的目標(biāo)發(fā)展[2]。咪唑啉是近年發(fā)展起來的一類性能優(yōu)異的酸化緩蝕劑，對碳鋼等金屬在鹽酸介質(zhì)中有優(yōu)良的緩蝕性能，這類緩蝕劑無特殊的刺激性氣味，熱穩(wěn)定性好，毒性低，有良好的生物降解性，因而有著廣闊的應(yīng)用前景[3]。本文合成了四種基于氯化芐的季銨化試劑，并通過失重法、極化曲線法、交流阻抗法分別研究了它們在酸性條件下對鋼的緩蝕性能，分析了季銨鹽對鋼材表面的作用機(jī)制，為緩蝕劑的開發(fā)和優(yōu)化提供理論支持。在鋼表面上的吸附機(jī)制，為進(jìn)一步開發(fā)優(yōu)選更高效、實用的多環(huán)咪唑啉季銨鹽金屬緩蝕劑提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

丁二酸，AR，上海市昊?；瘜W(xué)試劑有限公司；二甲苯，AR，天津市福化化學(xué)試劑有限公司；四乙烯五胺，AR，福晨（天津）化學(xué)試劑有限公司；氯化芐，AR，福晨（天津）化學(xué)試劑有限公司。

三頸圓底燒瓶，天津玻璃儀器廠；球形冷凝管，天津玻璃儀器廠；DF-Ⅱ集熱式磁力加熱攪拌器，常州愛華儀器制造有限公司；分水器，天津市中鋒實驗器材有限公司；電化學(xué)工作站，德國ZAHNER 公司。

1.2 實驗方法

（1）制備雙咪唑啉化合物[4]。按照合成產(chǎn)物不同，將丁二酸和二甲苯以200 r/min 在三口燒瓶中電動攪拌，加熱至90℃，將盛有適量四乙烯五胺的恒壓漏斗連接到三口燒瓶中，緩慢滴加至完畢，按10℃/h 的速率升溫，在150~170℃進(jìn)行脫水反應(yīng)2 h，此時二甲苯和水共沸蒸出，升溫至230℃，反應(yīng)3 h，至不再有水生成時結(jié)束反應(yīng)，黏稠液體即為雙咪唑啉化合物。

（2）合成單環(huán)和雙環(huán)咪唑啉季銨鹽：將制備所得的多環(huán)咪唑啉化合物在90℃時加入適量的氯化芐，反應(yīng)3 h 得到黏稠狀膏體即為單環(huán)咪唑啉季銨鹽（SO-1）或雙環(huán)咪唑啉季銨鹽（SO-2）。SO-1與SO-2見圖1~圖2。

圖1 單環(huán)咪唑啉季銨鹽：SO-1

圖2 雙環(huán)咪唑啉季銨鹽：SO-2

（3）合成三環(huán)和四環(huán)咪唑啉季銨鹽：將制備所得的多環(huán)咪唑啉化合物在90℃時加入適量的氯化芐和油酸，反應(yīng)3 h 得到黏稠狀膏體即為三環(huán)咪唑啉季銨鹽（SO-3）或四環(huán)咪唑啉季銨鹽（SO-4）。結(jié)構(gòu)式見圖3~圖4。

圖3 三環(huán)咪唑啉季銨鹽：SO-3

圖4 四環(huán)咪唑啉季銨鹽：SO-4

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)物表征

產(chǎn)物表征見圖5，說明合成了咪唑啉產(chǎn)物，并通過失重法、電化學(xué)方法[5]及交流阻抗法[6]比較四種產(chǎn)物的緩蝕性能。

圖5 四種化合物的紅外譜

（1）1646 cm-1處 為C=N伸 縮 振 動 吸 收 峰，2 854 cm-1、2 930cm-1處 為CH2伸 縮 振 動 吸 收 峰，1157cm-1、1299 cm-1處為C-N伸縮振動吸收峰。

（2）1610 cm-1處 為C=N伸 縮 振 動 吸 收 峰，2850、2932cm-1處為CH2伸縮振動吸收峰，1125、1275cm-1處為C-N 伸縮振動吸收峰。

（3）1605cm-1處 為C=N伸 縮 振 動 吸 收 峰，2853、2929cm-1處為CH2伸縮振動吸收峰，1 128、1 299 cm-1處為C-N 伸縮振動吸收峰。

（4）1 603 cm-1處為C=N 伸縮振動吸收峰，2 854、2 928 cm-1處為CH2伸縮振動吸收峰，1 299 cm-1處為C-N 伸縮振動吸收峰。

2.2 失重法

失重法測得30℃條件下N80鋼在含有和未含有緩 蝕 劑 的1 mol/L HCl 溶 液 中 浸 泡48 h 之 后 的 結(jié) 果顯示，在本文所給定的濃度范圍中，SO-1、SO-2、SO-3、SO-4的最佳濃度均為40 mg/L。但就同樣濃度下，不同化合物的緩蝕效率來看的話，隨著環(huán)數(shù)的增加，四種化合物的緩蝕效率大小順序為SO-3>SO-2>SO-4>SO-1。

2.3 極化曲線法

圖6 是N80 鋼電極在1 mol/L HCl 溶液和分別加入最佳濃度（40 mg/L）的四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽化合物溶液極化曲線。測試結(jié)果顯示，腐蝕電位正移，ΔE>0，所以這四種化合物屬于陽極型緩蝕劑。通過極化曲線法得出四種化合物的緩蝕作用大小順序為SO-3>SO-2>SO-4>SO-1，這與失重法所得結(jié)果相同。

圖6 四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽化合物溶液極化曲線

2.4 交流阻抗法

采用交流阻抗法測試，結(jié)果顯示，在1 mol/L HCl中分別加入四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽后，N80 鋼的腐蝕傳遞電阻先增大后減小，而金屬-溶液的界面電容則先減小后增大。四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽對N80鋼在1 mol/L HCl 溶液中的腐蝕有明顯減緩作用。同時，四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽的緩蝕性能作用的大小順序為

SO-3>SO-2>SO-4>SO-1。

2.5 溫度對四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽緩蝕性能的影響

在30~60℃條件下，測試N80鋼分別在未加和加有最佳濃度的四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽的1 mol/L HCl溶液中浸泡48 h 后的失重量，結(jié)果顯示，四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽對N80鋼在1 mol/L HCl 溶液中的緩蝕效率隨著溫度升高而均略有減小，但在60℃時緩蝕效率仍達(dá)到85%以上，這說明四種化合物對N80鋼有較好的緩蝕效果。

2.6 四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽在N80鋼表面的吸附行為

四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽SO-1、SO-2、SO-3 和SO-4在1 mol/L HCl 溶液中對N80鋼均屬于陽極型緩蝕劑，其在鋼表面的吸附均服從Langmuir 吸附等溫式，屬于化學(xué)吸附?；衔锏木徫g性能一般與化合物的結(jié)構(gòu)有關(guān)[7]。一般多環(huán)咪唑啉季銨鹽隨著其所含環(huán)數(shù)的增加使其在鋼表面的吸附能力也隨之增強(qiáng)，可以很明顯看到SO-1、SO-2、SO-3的緩釋性能的變化情況，SO-3>SO-2>SO-1。

3 結(jié)論

四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽SO-1、SO-2、SO-3 和SO-4對N80鋼在1 mol/L HCl 溶液中均有較好的緩蝕性能，緩蝕效率大小順序為SO-3>SO-2>SO-4>SO-1。在所研究的溫度范圍內(nèi)（30~60℃），四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽SO-1、SO-2、SO-3和SO-4對N80鋼在1 mol/L HCl 溶液中的緩蝕效率隨溫度的升高而降低。四種多環(huán)咪唑啉季銨鹽SO-1、SO-2、SO-3 和SO-4 在1 mol/L HCl 溶液中對N80 鋼均屬于陽極型緩蝕劑，其在鋼表面的吸附均服從Langmuir 吸附等溫式，屬于化學(xué)吸附。

因此，充分利用咪唑啉季銨鹽緩蝕劑優(yōu)異的緩蝕性能和環(huán)境友好性，今后的研究方向可以考慮開發(fā)更高效的咪唑啉季銨鹽緩蝕劑[8]，探索咪唑啉季銨鹽緩蝕劑在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，開發(fā)基于咪唑啉季銨鹽緩蝕劑的新型材料，提高咪唑啉季銨鹽緩蝕劑的生產(chǎn)工藝和成本效益等，使其更加廣泛地應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。