影響金屬腐蝕的因素及其金屬緩蝕劑
2024-08-01 16:19:45
作者：玩轉物理化學 來源：玩轉物理化學
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腐蝕被人們稱為生銹，它會破壞材料的光澤和美觀并縮短其壽命。腐蝕，作為金屬失效的主要方式，廣泛存在于我們生活當中。如汽車的車身面板上出現的銹跡，常用鋼鐵用品、工具在戶外生銹，都是非常常見的現象。不僅鋼鐵，腐蝕還常見于陶瓷、塑料和橡膠等其他材料。幾乎所有環境都帶有一定腐蝕性，這是材料失效的主要原因，會造成重大經濟損失。
EMF中的位置：金屬在電化學序列（Electromotive Force Series，簡稱EMF系列）中的位置決定了其相對于其他金屬的腐蝕傾向。位置越靠前，越容易成為陽極而遭受腐蝕。陽極與陰極面積比：金屬陽極與陰極部分的相對面積比例會影響腐蝕速率，面積比大通常意味著腐蝕速率高。金屬純度：金屬的純度影響其電化學性質，雜質可能引發局部腐蝕或加速整體腐蝕。物理性質：金屬的晶體結構、機械性能等物理性質也間接影響腐蝕行為。表面膜特性：金屬表面形成的保護膜可以阻止腐蝕，但膜的性質、完整性和穩定性決定了其抗腐蝕效果。產品溶解度：金屬腐蝕產物的溶解度影響腐蝕過程，溶解度低時，腐蝕產物可能沉積在金屬表面，影響后續腐蝕。揮發性腐蝕產物：某些金屬腐蝕過程中會產生揮發性產物，這些產物可能進一步影響腐蝕環境或加速腐蝕進程。溫度：溫度是影響腐蝕速率的關鍵因素，通常溫度升高會加速腐蝕反應。空氣濕度：濕度高時，金屬表面易形成水膜，為腐蝕提供了電解質環境。水中雜質：水中的溶解物質，如鹽類、酸類、堿類等，都可能影響金屬的腐蝕行為。大氣懸浮顆粒：空氣中的懸浮顆粒可能沉積在金屬表面，形成局部電池，加速腐蝕。pH值：環境的酸堿度對金屬的腐蝕有顯著影響，不同金屬對pH值的敏感性不同。溶解氣體與鹽類：溶解在環境中的氣體（如氧氣、二氧化碳等）和鹽類會改變腐蝕環境的電化學性質。電導率：腐蝕介質的電導率決定了電流在金屬與環境之間的流動能力，從而影響腐蝕速率。氧濃差電池：環境中氧氣的濃度差可以形成氧濃差電池，導致局部腐蝕。工藝蒸汽流速：在某些工藝過程中，蒸汽流速可能影響金屬表面的腐蝕行為。電極極化：腐蝕過程中電極的極化現象會改變金屬的電化學性質，影響腐蝕速率和機制。緩蝕劑是一種特殊的化學物質，當以低濃度添加到特定環境中時，能夠顯著減少金屬的腐蝕，有效降潛在風險，并防止金屬遭受點蝕的侵害。此外，它還能減少酸洗過程中酸與堿性金屬反應時產生的酸煙，進而降低酸的消耗量。這一保護機制主要是通過抑制劑在金屬表面形成一層吸附層，作為一道屏障，或通過延緩陰極、陽極反應或兩者同時延緩，從而有效減緩腐蝕過程。向系統中引入這類緩蝕劑后，緩蝕過程或金屬氧化速率的降低，主要歸因于緩蝕劑的存在。緩蝕劑不僅易于應用，而且具備原位應用的優點，即在金屬表面直接發揮作用，不會對整體工藝造成顯著干擾。因此，使用緩蝕劑成為了對抗金屬腐蝕的一種高效且實用的方法，被廣泛認為是保護金屬材料的最佳手段之一。化學緩蝕劑是一類具有顯著平衡電位（氧化還原或電極電位）和較低過電位的物質，它們在金屬表面形成鈍化膜，從而顯著降低腐蝕速率。常見的化學鈍化劑包括亞硝酸鹽（用于防凍冷卻水系統）、鉻酸鹽（常用于循環冷卻水）以及鉬酸鋅（作為油漆中的抑制顏料）。吸附緩蝕劑是最廣泛應用的腐蝕抑制劑類別之一。它們主要由有機化合物構成，能夠吸附在金屬表面上，通過覆蓋效應在整個表面（包括陰極和陽極區域）發揮保護作用。這類緩蝕劑通常對陰極和陽極反應的影響相似，但在特定情況下，其效果可能有所不同。它們常用于熱軋產品的酸洗過程中，以去除氧化皮，因此也被稱為酸洗抑制劑。典型的吸附抑制劑包括含有孤對電子的化合物，如胺、喹啉中的氮原子、硫代化合物中的硫原子以及醛中的氧原子。與吸附緩蝕劑不同，成膜抑制劑通過形成除抑制物質本身之外的阻塞或阻擋膜來防止腐蝕。這類材料通常對陰極或陽極具有特定作用。鋅鹽和鈣鹽是陰極成膜緩蝕劑的典型代表，而苯甲酸鹽則是陽極成膜緩蝕劑的常見選擇，特別是在航海應用中。氣相緩蝕劑，也稱為揮發性抑制劑，用于防止封閉空間（如包裹）中金屬的大氣腐蝕。它們具有較低的蒸氣壓，蒸氣能夠與金屬表面接觸并吸附，隨后通過水解釋放具有腐蝕抑制特性的保護離子。二環己胺鉻酸鹽和苯并三唑是保護銅的常用氣相緩蝕劑，而苯基硫脲和環己胺鉻酸鹽則用于保護黃銅。亞硝酸二環己胺適用于黑色金屬和有色金屬部件的保護。揮發性腐蝕緩蝕劑（VCI）在封閉環境中通過揮發從源轉移到腐蝕部位，為金屬提供保護。然而，若腐蝕產物本身具有揮發性，一旦形成便會揮發，導致下方金屬表面暴露并受到進一步侵蝕，從而引發快速且持續的腐蝕。例如，氧化鉬（MoO3）就是具有揮發性的腐蝕產物。在密閉蒸氣工藝（如海運集裝箱）中，二環己胺、環己胺和六亞甲基胺等鹽的揮發性固體常被用作揮發性腐蝕緩蝕劑。協同緩蝕劑通常用于冷卻水系統，通過結合使用不同類型的緩蝕劑（如陽極和陰極緩蝕劑）來獲得更優異的腐蝕防護性能。常見的協同抑制劑包括磷酸鉻酸鹽、聚磷酸硅酸鹽、單寧鋅和磷酸鋅等。沉淀緩蝕劑通過在金屬表面形成沉淀物來提供保護膜。硅酸鹽和磷酸鹽是這類緩蝕劑中的常見代表。例如，硅酸鈉在家用軟水器中廣泛應用，用于防止金屬生銹。“環保”或“綠色”腐蝕緩蝕劑的定義尚未明確和公認。然而，隨著對人類健康和環境安全的關注增加，腐蝕抑制研究已逐漸轉向使用環保化合物，如植物提取物和過期無毒藥物。這些化合物中的有機成分，如氨基酸、生物堿、色素和單寧，已被研究作為傳統有毒有害化合物的綠色替代品。由于具有生物降解性、環境友好性、成本低廉和易獲取等優點，許多常見植物和藥用植物的提取物及其產品已被廣泛研究，作為不同環境條件下各種金屬和合金的緩蝕劑。參考文獻：Corrosion Inhibitors，Geethamani Palanisamydoi: 10.5772/intechopen.80542
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