影響金屬腐蝕的因素及其金屬緩蝕劑
2024-12-31 16:25:31
作者：玩轉(zhuǎn)物理化學(xué) 來源：玩轉(zhuǎn)物理化學(xué)
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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(dāng)中。如汽車的車身面板上出現(xiàn)的銹跡，常用鋼鐵用品、工具在戶外生銹，都是非常常見的現(xiàn)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(huán)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(jīng)濟損失。
金屬腐蝕主要受本身的特性及其所處環(huán)境的影響。EMF中的位置：金屬在電化學(xué)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(xué)性質(zhì)，雜質(zhì)可能引發(fā)局部腐蝕或加速整體腐蝕。物理性質(zhì)：金屬的晶體結(jié)構(gòu)、機械性能等物理性質(zhì)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(zhì)、完整性和穩(wěn)定性決定了其抗腐蝕效果。產(chǎn)品溶解度：金屬腐蝕產(chǎn)物的溶解度影響腐蝕過程，溶解度低時，腐蝕產(chǎn)物可能沉積在金屬表面，影響后續(xù)腐蝕。揮發(fā)性腐蝕產(chǎn)物：某些金屬腐蝕過程中會產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物，這些產(chǎn)物可能進一步影響腐蝕環(huán)境或加速腐蝕進程。
溫度：溫度是影響腐蝕速率的關(guān)鍵因素，通常溫度升高會加速腐蝕反應(yīng)。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(zhì)環(huán)境。水中雜質(zhì)：水中的溶解物質(zhì)，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(huán)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(huán)境中的氣體（如氧氣、二氧化碳等）和鹽類會改變腐蝕環(huán)境的電化學(xué)性質(zhì)。電導(dǎo)率：腐蝕介質(zhì)的電導(dǎo)率決定了電流在金屬與環(huán)境之間的流動能力，從而影響腐蝕速率。氧濃差電池：環(huán)境中氧氣的濃度差可以形成氧濃差電池，導(dǎo)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(xiàn)象會改變金屬的電化學(xué)性質(zhì)，影響腐蝕速率和機制。
緩蝕劑是一種特殊的化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)以低濃度添加到特定環(huán)境中時，能夠顯著減少金屬的腐蝕，有效降潛在風(fēng)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(yīng)時產(chǎn)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(yīng)或兩者同時延緩，從而有效減緩腐蝕過程。向系統(tǒng)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(yīng)用，而且具備原位應(yīng)用的優(yōu)點，即在金屬表面直接發(fā)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(xué)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(zhì)，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(xué)鈍化劑包括亞硝酸鹽（用于防凍冷卻水系統(tǒng)）、鉻酸鹽（常用于循環(huán)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(yīng)用的腐蝕抑制劑類別之一。它們主要由有機化合物構(gòu)成，能夠吸附在金屬表面上，通過覆蓋效應(yīng)在整個表面（包括陰極和陽極區(qū)域）發(fā)揮保護作用。這類緩蝕劑通常對陰極和陽極反應(yīng)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(chǎn)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(zhì)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(yīng)用中。氣相緩蝕劑，也稱為揮發(fā)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(huán)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(huán)己胺鉻酸鹽則用于保護黃銅。亞硝酸二環(huán)己胺適用于黑色金屬和有色金屬部件的保護。揮發(fā)性腐蝕緩蝕劑（VCI）在封閉環(huán)境中通過揮發(fā)從源轉(zhuǎn)移到腐蝕部位，為金屬提供保護。然而，若腐蝕產(chǎn)物本身具有揮發(fā)性，一旦形成便會揮發(fā)，導(dǎo)致下方金屬表面暴露并受到進一步侵蝕，從而引發(fā)快速且持續(xù)的腐蝕。例如，氧化鉬（MoO3）就是具有揮發(fā)性的腐蝕產(chǎn)物。在密閉蒸氣工藝（如海運集裝箱）中，二環(huán)己胺、環(huán)己胺和六亞甲基胺等鹽的揮發(fā)性固體常被用作揮發(fā)性腐蝕緩蝕劑。協(xié)同緩蝕劑通常用于冷卻水系統(tǒng)，通過結(jié)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(yōu)異的腐蝕防護性能。常見的協(xié)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(yīng)用，用于防止金屬生銹。“環(huán)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(huán)境安全的關(guān)注增加，腐蝕抑制研究已逐漸轉(zhuǎn)向使用環(huán)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(tǒng)有毒有害化合物的綠色替代品。由于具有生物降解性、環(huán)境友好性、成本低廉和易獲取等優(yōu)點，許多常見植物和藥用植物的提取物及其產(chǎn)品已被廣泛研究，作為不同環(huán)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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