表面活性劑對鑄鐵防銹性能影響的研究

楊 丹，費艷寧，李廣宇,

（1.沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽鹿森潤滑技術有限責任公司，遼寧 沈陽 110179）

鑄鐵是含碳量大于2.1%的鐵碳合金，是工業中最常見的一種鑄造金屬材料。由于具有良好的機械物理性能，易于生產加工，且價格低廉，被廣泛應用于國民經濟的各個領域[1]。

鑄鐵加工中常使用水基金屬加工液優化加工過程，水基金屬加工液由于具有以水代油、節省能源、不危害操作者健康、減少污染、保護環境、清洗成本低等特點，近十年來在我國得到迅速發展[2]。而水基金屬加工液常會帶來腐蝕問題，影響表面質量。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 試驗部分

1.1 試驗方法

采用IP287（鐵屑濾紙法）方法，在濾紙上稱取2 g 鐵屑，均勻鋪展，放入培養皿內，將表面活性劑稀釋液傾倒足夠量，使之超過鐵屑。將培養皿蓋上，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評價切削液對鐵的防銹性[3]。

此法評價防銹性，具有用時短、結果準確性高、設備簡單、操作簡便等優點[4]。

1.2 試驗試劑

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：化學式為CH3(CH2)10CH2-OSO3Na，分子量288.38；

太古油：混合物，主要成分的化學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)結構式如下：

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 結構式：

（4）酰胺型

超酰胺：化學式為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 試驗試劑

將表面活性劑用自來水配制成質量分數分別為1%、2%、3%、4%和5%的溶液，用于試驗。

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 結果與討論

2.1 不同類型表面活性劑對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量分數關系曲線

圖2 非離子表面活性劑銹蝕面積與質量分數關系曲線

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。陰離子表面活性劑中，防銹效果硫酸酯型整體優于脂肪醇醚羧酸型和磺酸鹽型。整體來看，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-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，因為太古油比十二烷基硫酸鈉多-COONa 基團，-COONa 可以與金屬表面較好的結合，形成牢固的保護膜，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。壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯(E9600)的防銹性能顯著優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，到達一定濃度甚至可以無銹跡；隨著L44 濃度的增加，達到2%以后銹跡面積基本不再減少，對防銹效果沒有明顯影響。酰胺型陰離子表面活性劑中，防銹效果最好的是超酰胺，當其濃度為5%時無銹蝕；E9600 分子中含有磷酸酯基團，磷酸酯基團具有很強的吸附性，在Fe 的表面發生化學吸附[5]緊密吸附在金屬表面，形成完整的堅固的保護膜，阻止腐蝕性離子進入金屬表面，阻止外界空氣對金屬表面的氧化，從而阻止鐵的銹蝕。而且E9600中具有長鏈烴基，磷酸酯基團相連的長鏈烴基多，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，在金屬表面發生較強的物理吸附，吸附力強使得形成的吸附膜穩固，能有效防止腐蝕介質進入金屬表面；酰胺類含有極性基-CONH-，防銹效果好，是由于-X-基團的吸電子效應，使羧基酸性增強更有利于產生化學吸附；也有人認為這是由于產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，鐵屑表面發生局部腐蝕或點蝕。通過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，表明腐蝕產物為鐵的氧化物或氫氧化物。

圖3 太古油濃度為3%時鐵屑的SEM 照片和EDS 圖

圖4 超酰胺濃度為3%時鐵屑的SEM 照片和EDS 圖

圖5 E9600 濃度為3%時鐵屑的SEM 照片和EDS 圖

3 結論

（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，在鐵表面有強的化學吸附。表明表面活性劑的防銹性與吸附基結構密切相關。

（2）對于具有相同有效基團的表面活性劑，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。

[1]黃建中,左禹.材料的耐蝕性和腐蝕數據[M].北京:化學工業出版社,2002:47.

[2]王鐸,陳建秋,汪東,等.新型環保水基金屬清洗劑配方的研制[J].潤滑與密封,2005,30(6):142-144.

[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]夢瑤.水基微乳化切削液的防銹和防腐蝕性能的研究[D].沈陽:沈陽理工大學,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].石油學報(石油化工),2002,18(2):92-98.

[7]龔玉山.油溶性防銹劑及其防蝕性能[J].材料保護,1981(6):37-39.