傳統防腐害處多多，環保時代悄然來臨

    全世界每年都會因腐蝕造成巨額經濟損失，因此，防腐蝕研究受到了世界各國的普遍重視。傳統防腐涂料含有毒性揮發物質，對人體有害，研發綠色環保型涂料已成為腐蝕防護領域的研究熱點之一。

    新的防腐姿勢，你get了嗎

    胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）是微生物在一定條件下分泌于體外的高分子聚合物。近年來的研究發現，某些微生物分泌的EPS對金屬腐蝕具有抑制作用。

    本文擬針對EPS中的主要成分蛋白質和多糖，通過試驗研究其對金屬腐蝕的影響，提出抑制金屬腐蝕的最佳配比，為研發新型防腐涂料提供技術支持。

    如何開展研究，且聽我娓娓道來

    1.試樣和溶液

    試樣：國家Ⅰ型金屬試片

    尺寸：50 mm×25 mm×2 mm

    成分：見表1。

    處理：逐級打磨呈光亮后用去離子水沖洗、酒精除油、吹風干燥后，稱量待用。

    表1 試驗用材料的化學成分（質量分數/%）

    擬EPS含量參考具有腐蝕抑制作用的羅伊氏乳桿菌EPS中蛋白質和多糖含量來確定，具體EPS組分為：蛋白質1.3mg/mL，多糖2.0mg/mL。其中蛋白質為分子量67000的牛白蛋白，多糖為右旋糖酐40。

    試驗溶液中各組份含量為：NaCl 58.5mg/L、Na2SO4 213mg/L、NaHCO3 4.2mg/L; pH為8.3，拉森指數為2.0。

    2.試驗方法

    掛片試驗

    采用掛片試驗研究模擬EPS對碳鋼、鑄鐵、黃銅和304不銹鋼4種金屬材料耐蝕性的影響。

    試驗裝置為自制的環形反應器，見圖1。

    圖1 試驗裝置示意圖

    將試片置于實驗裝置中，加入4L試驗溶液，試驗溫度為30℃、轉速為155 r/min，試驗時間為16d。試驗結束后，按照GB/T 16545-1996處理掛片表面腐蝕產物，稱量并計算腐蝕速率。模擬EPS的浸涂過程如下：將處理后的掛片浸入模擬EPS溶液中，24h后取出；自然風干6h；置干燥器中，24h后稱量待用。

    腐蝕速率按式（1）計算：

    式中：Vw——腐蝕速率（g·m-2·h-1）；

    ΔW——為腐蝕前后試片重量的差值（g）；

    S——為金屬的表面積（m2）；

    t——為腐蝕的時間（h）。

    分析

    圖2 浸涂與未浸涂EPS工況下的碳鋼、鑄鐵、黃銅、304不銹鋼的掛片試驗結果

    由圖2可見，與未浸涂工況相比，浸涂模擬EPS后，碳鋼和鑄鐵的腐蝕速率分別有所下降；但黃銅和304不銹鋼的腐蝕速率卻有所上升。說明浸涂模擬EPS抑制了碳鋼和鑄鐵的腐蝕，卻促進了黃銅和304不銹鋼的腐蝕。

    EPS中蛋白質和多糖含有羥基、羧基、磷酸基、氨基等多種功能基團，可通過絡合、螯合、離子交換等物理-化學作用與金屬離子發生反應；金屬離子不同，作用機制也存在較大差異。模擬EPS中氨基、羥基對鉻、鎳具有較強的螯合作用[19]，這可能是導致304不銹鋼腐蝕加劇的主要原因。

    綜上所述，與鑄鐵、黃銅、304不銹鋼相比，模擬EPS能有效抑制碳鋼腐蝕。下階段將針對碳鋼，通過單因素試驗研究，探討不同含量蛋白質、多糖對碳鋼腐蝕的抑制作用。

    蛋白質、多糖抑制碳鋼腐蝕的單因素試驗研究

    根據1.2.1中試驗研究結果，選取具有較好腐蝕抑制效果的碳鋼為研究對象，分別開展蛋白質和多糖抑制腐蝕單因素試驗研究，試驗工況如表1所示。試驗裝置與試驗方法同1.1節。

    表1  蛋白質、多糖抑制碳鋼腐蝕的單因素研究工況

    分析

    圖3  浸涂不同含量蛋白質或多糖的碳鋼的腐蝕速率

    由圖3可見，不同含量蛋白質或多糖均可抑制碳鋼的腐蝕，且隨著蛋白質或多糖含量的增加，碳鋼腐蝕速率變化呈現三個階段：（1）當蛋白質或多糖質量濃度≤1mg/L時，碳鋼的腐蝕速率蛋白質或多糖含量的增加而顯著降低，并在其質量濃度為1.0mg/mL時降至最低；（2）當蛋白質或多糖質量濃度為4mg/mL時，隨著含量的升高，碳鋼腐蝕速率快速上升，并在蛋白質或多糖質量濃度為4.0mg/L時達到最大；（3）當蛋白質或多糖質量濃度>4.0mg/mL后，碳鋼腐蝕速率基本穩定，約為0.2433~0.2505 g/（m2?h），說明此時蛋白質或多糖含量對碳鋼腐蝕速率的影響較小。

    多糖是一種由若干葡萄糖脫水形成的高分子聚合物，研究發現，多糖中含有羧基基團，其C-O、C=O鍵可以與鐵離子結合形成致密的保護層，起到抑制碳鋼腐蝕的作用2。

    蛋白質含有自由氨基NH4+和羧基COO-，可吸附或螯合鐵離子，在碳鋼表面形成保護層，在隔絕碳鋼與氧氣接觸的同時，也阻礙了腐蝕性離子的運輸，從而抑制腐蝕。

    在本試驗條件下，蛋白質或多糖抑制碳鋼腐蝕的最佳質量濃度均為1.0mg/mL。

    抑制碳鋼腐蝕的最佳組合工況試驗研究

    按照正交試驗設計要求，開展抑制碳鋼腐蝕的蛋白質、多糖、浸涂時間的正交試驗；根據1.2節研究結果，確定3因素3水平的正交試驗方案如表2所示。試驗裝置與試驗方法同1.1節。

    表2  正交試驗方案

    分析

    表3  蛋白質、多糖及浸涂時間抑制碳鋼腐蝕的正交試驗結果

    由表3可見，碳鋼在不同工況下的腐蝕速率從低到高，依次為：工況2>工況1>工況5>工況4>工況3>工況6>工況7>工況8>工況9。試驗條件下，工況9下碳鋼腐蝕速率的最高值為0.2488g/（m2h）約是工況2時的兩倍。

    根據表3還可見，各因素中，對碳鋼腐蝕抑制作用最為顯著的是多糖，其次為蛋白質，浸泡時間的影響最小。試驗條件下，最佳組合工況為多糖0.7mg/mL，蛋白質0.7mg/mL，浸涂時間36h。

    結論

    （1）浸涂模擬EPS對碳鋼和鑄鐵腐蝕具有抑制作用，但卻加速了黃銅和304不銹鋼的腐蝕。試驗條件下，模擬EPS對碳鋼腐蝕的抑制作用最為顯著；與未浸涂工況相比，碳鋼腐蝕速率下降了54.81%。

    （2）浸涂蛋白質或多糖均可抑制碳鋼的腐蝕，其中多糖的抑制效果略優；但二者對碳鋼腐蝕的抑制規律類似，試驗條件下，當蛋白質或多糖均質量濃度為1.0mg/mL時，碳鋼的腐蝕速率最低。

    （3）正交試驗結果表明，與蛋白質和浸涂時間相比，多糖對碳鋼腐蝕抑制的影響更為顯著；試驗條件下，抑制碳鋼腐蝕的最佳組合工況為：多糖0.7 mg/mL，蛋白質0.7mg/mL，浸涂時間36h。

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責任編輯：王元

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