鋼鐵表面防銹工藝的研究

王 響

(武漢工程大學 化學與環境工程學院,湖北 武漢 430073)

鐵銹的主要成分是Fe2O3[1]，當鋼鐵表面腐蝕生成鐵銹的時候不僅不能防止鋼鐵的生銹，還能進一步加劇鋼鐵表明的生銹，因為鐵銹疏松多孔不僅不能防止鋼鐵制品與空氣、水的接觸，還會把空氣和水吸附在鋼鐵制品的表面，進一步加劇鋼鐵制品的生銹[2]。另外，鐵銹不像鐵那樣堅硬，很容易由于碰撞或震動脫落，根本起不到防護作用，所以鋼鐵表面的除銹在保護鋼制品質量、節約資源方面占有舉足輕重的地位。

鋼鐵生銹的兩大主要因素：一個是氧氣，另一個是水。所以防止鋼鐵生銹最簡單的辦法就是阻止鋼鐵表面與氧氣、水的接觸。本文主要基于乙醇胺與酸的復配法[3]，通過在鋼鐵制品表面形成一層質密的醇胺鹽薄膜[4-5]來防止鋼鐵制品與空氣、水的接觸達到防銹的目的。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器和材料

實驗原料藥品及廠商明細見表1。

表1 實驗原料藥品及廠商明細Table 1 Chemical reagents and suppliers

實驗所用的主要儀器設備及廠商明細見表2。

1.2 配方各組分的確定與含量

本配方是根據乙醇胺與無機酸的復配原理確定的，由二乙醇胺[6-7]與磷酸[8]反應生成的醇胺鹽[9-10]可以很好的附著在鋼鐵制品的表面隔絕空氣和水，因此配方組成確定為：二乙醇胺+磷酸+水，查閱相關資料知道各組成的體積分數大概為：磷酸為55%～60%、二乙醇胺為12%～15%、水為25%～33%[11]。

表2 實驗儀器設備及廠商明細Table 2 Experimental equipment and suppliers

1.3 正交實驗

由上節可知配方各組分的體積比范圍為：磷酸55%～60%、二乙醇胺12%～15%和水25%～33%，本實驗采用L9(34)正交表安排實驗，實驗因子及水平設計見表3，具體實驗安排及實驗結果見表4。

表3 實驗因子及水平設計Table 3 Analytical factors and levels for orthogonal L9(34)因素

表4 實驗結果Table 4 The results of orthogonal experiment

1.4 表征實驗

經過上面正交實驗可以確定配方各自組成成分的最佳含量比例，所以接下來要做的是通過對這配方進行四個表征實驗來定性比較配方的優劣。首先配置防銹劑：由上節的正交實驗結果可得，防銹劑配方：磷酸體積比57%、二乙醇胺體積比13%、水體積比28%、溫度20℃；將防銹劑用燒杯配好然后用保鮮膜封住燒杯口留待后續實驗使用。

1.4.1 干燥時間測定

銹鐵片準備：準備三塊大小基本相同、表面生銹狀況基本相同的銹鐵片，標號1、2、3，用砂紙打磨鐵片表明直到鐵片表面只剩一層薄薄的鐵銹。

時間測定：將配置好的防銹劑配方用毛刷涂在鐵片1、2、3上，注意的面積要基本相同，然后打開秒表記錄各個防銹劑自然干燥的時間t1、t2、t3。

1.4.2 附著力的測定

銹鐵片準備：與上節相同，用砂紙打磨鐵片表面直到鐵片表面只剩一層薄薄的鐵銹。

附著力的測定：防銹劑用毛刷涂在鐵片上。等鐵塊表面干燥后，用附著力測定裝置現在鐵片上劃出一百個大小相同的小格，然后用專用的粘膠粘住100個小格子，用力按壓使粘膠能很牢固的粘附在鐵片上，然后快速的撕掉粘膠，計算有多少小格子上的防銹劑被粘下來了，最后用沒被撕下來的小格子的百分比來測定附著力的大小。

1.4.3 鹽水浸漬實驗

銹鐵片準備：與上節相同，用砂紙打磨鐵片表面直到鐵片表面只剩一層薄薄的鐵銹。

鹽水配置：取一個燒杯，要求燒杯底部面積大于鐵片面積，用電子天平量取5g氯化鈉固體與燒杯中然后加入95g的蒸餾水，配置成5%的鹽水。

鹽水浸漬實驗：將防銹劑涂刷在鐵片上，等待鐵片上的防銹劑自然干燥后，將鐵片浸漬在燒杯中(注意要使鹽水全部浸沒鐵片)，然后用保鮮膜密封好，20h后取出鐵片，觀察鐵片表面防銹劑的腐蝕狀況，以未腐蝕面積的百分比來測定防銹劑抗腐蝕能力的大小。

1.4.4 耐熱性測定

銹鐵片準備：與上節相同，用砂紙打磨鐵片表面直到鐵片表面只剩一層薄薄的鐵銹。

烘箱實驗：將防銹劑涂刷在鐵片上，等待鐵片上的防銹劑自然干燥后，將鐵片放置在烘箱中(刷有防銹劑的一邊向下)，鐵片下方放一張干凈的白紙，設置烘箱溫度為80℃，24h后取出鐵片，觀察鐵片上防銹劑的脫落形況，以未脫落面積的百分比來測定防銹劑耐熱能力的大小。

2 結果與討論

2.1 配方正交實驗結果與討論

2.1.1 直接比較

對9次實驗結果進行直接比較，發現第六次實驗A2B3C1D2中防銹劑的附著力性能最佳。

2.1.2 極差分析。

比較因素的極差R的大小可知RA>RB>RC>RD，則各因子的主次順序依次為A、B、C、D；由圖1可知各因子水平對防銹劑附著力性能的影響，其中磷酸體積比A以A2最好，同理可知B以B2最好，C以C1最好，D以D2最好。所以最優化條件為A2B2C1D2，而A2B2C1D2并不在九次實驗中，而是通過九次實驗結果分析出來的;由極差分析可知，溫度因子的極差最小，即溫度對防銹劑附著力性能的影響在三個水平上差別并不是很大，從節約能源的角度看，提高溫度肯定會造成額外的能源消耗，因此，溫度因子選擇第一水平即20℃。故最終確定的最佳組成比例的防銹劑配方工藝條件是：磷酸體積比57%、二乙醇胺體積比13%、水體積比28%、溫度20℃。按照配方正交試驗得到的最佳條件進行實驗復證，最佳比例條件下的防銹劑的附著力約等于100%，這個結果進一步表明了正交試驗優化得到結果的可信度較高。

圖1 因子水平對防銹劑附著力性能的影響

2.2 配方表征實驗結果分析

2.2.1 干燥時間

結果計算及分析：記錄結果為：t1=5分48秒、t2=5分30秒、t3=5分24秒；計算平均值干燥時間 為5分34秒。一般來說干燥時間不超過十分鐘就是比較好的，所以僅僅從干燥時間來判斷防銹劑的好壞是不合理的，下面將從附著力的方面來檢驗防銹劑的優劣。

2.2.2 防銹劑附著力

結果計算及分析：實驗前如圖2；實驗后如圖3。

圖2 實驗前防銹劑附著力

圖3 實驗后防銹劑附著力

由實驗前后的圖片我們可以直觀的看出：經過附著力測定實驗后鋼鐵表面的防銹劑基本沒有脫落。測得配方的附著力能力為100%。附著力的好壞是判斷一個防銹劑好壞的主要標準，良好的附著力是任何一種好的防銹劑必須具備的因素，因為防銹劑的作用就是吸附在鋼鐵制品的表面來阻止空氣、水與鋼鐵接觸而生銹的。如果一種防銹劑沒有良好的附著力，那么這種防銹劑就很容易由于震動或碰撞而脫落，這樣就起不到很好的防銹效果，所以對防銹劑附著力的測定是評判其好壞的一大主要因素。

2.2.3 防腐蝕能力

結果計算及分析：實驗前如圖4，實驗后如圖5。

圖4 實驗前防腐蝕能力

圖5 實驗后防腐蝕能力

在上一節中，指出評判一種防銹劑的好壞的一大主要因素是附著力的大小，在這一節將給出評判的另一大標準：防腐蝕能力。

由實驗前后的圖片我們可以直觀的看出：經過鹽水浸漬實驗后鋼鐵表面的防銹劑基本沒有腐蝕。測得配方的防腐蝕能力為90%。

2.2.4 耐溫耐熱性能

結果計算及分析：實驗前如圖6，實驗后如圖7。

圖6實驗前耐溫耐熱性能

圖7 實驗后耐溫耐熱性能

最后一個表征實驗是耐熱性測定實驗，就是測定防銹劑的耐溫耐熱性能。由實驗前后的圖片我們可以直觀的看出：經過烘箱實驗后鋼鐵表面的防銹劑很少脫落。最后測得配方的耐熱能力為80%。

綜合所有表征實驗數據可得，雖然配方的干燥時間較長，但是配方在附著力性能上、防腐蝕能力上還有耐熱性能上都很優秀。

3 結論

本文的創新點在于，與傳統的鋼鐵防銹方法相比，這種新型水基防銹劑成本較低、污染小、防銹效果也有很大的提高。在實驗原理和實驗方法上也比較嚴謹、合理。

通過查閱相關的文獻確定了本文的實驗原理，然后通過正交實驗確定了配方的最佳含量比例，并通過一系列表征實驗來測驗防銹效果。實驗得出的最佳的配方為：磷酸體積比57%、二乙醇胺體積比13%、水體積比28%。

[1] 岳光亮,王曉軒,張 穎,等.不同結構三乙醇胺系化合物的合成及其對水泥的助磨效果[J].中國粉體技術,2011(6):63-66,70.

[2] 李 月,衣守志,吳家全,等.環保型水基防銹劑的研制[J].材料保護，2011,44(5)：31-33.

[3] 鄒衛軍,梁南山.鋼材中期防銹劑的研制及其在線防銹處理試驗[J].湖南冶金,2001(5):34-38.

[4] 李光玉,連建設,牛麗媛,等.AZ91D鎂合金上鉬改性鋅系磷化膜的制備、結構及性能[J].高等學?；瘜W學報,2006,27(5):817-820.

[5] 余取民,李榮喜,盧紅梅,等.鋼鐵表面免水洗鋅系磷化膜的常溫制備與性能表征[J].中南大學學報(自然科學版),2008,39(5):940-944.

[6] Yang Benben,Fu Hongrui,Wang Benli,et al.Study on the anti-rust mechanism of compound rust inhibitor TW742[J].Advanced Materials Research ,2014,926-930:250-253.

[7] 劉 佳,劉 文,周紅英,等.環保型水溶性防銹劑的制備及應用[J].潤滑與密封，2014(1)：119-124.

[8] 薛守慶.環保型磷酸酯型水基防銹劑的研制[J].科學技術與工程，2012,12(18)：4487-4490.

[9] 陳澤民,路 品,蘇艷麗,等.鋼鐵水基防銹劑的研制及其性能[J].材料保護，2011(6)：58-59.

[10] 李光玉,連建設,牛麗媛,等.AZ91D鎂合金上鉬改性鋅系磷化膜的制備、結構及性能[J].高等學?；瘜W學報,2006,27(5):817-820.

[11] 胡志波,李佳旺,鄭水林,等.硅藻精土制備硅酸鈉工藝研究[J].無機鹽工業,2014,46(3):19-22.

(本文文獻格式：王響.鋼鐵表面防銹工藝的研究[J].山東化工，2018，47(02)：42-44，47.)