利用正交試驗(yàn)法開(kāi)發(fā)高效防銹油配方的研究

李丹丹，周辰，李久盛

(中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院先進(jìn)潤(rùn)滑材料實(shí)驗(yàn)室，上海 201210)

0 引言

金屬腐蝕是由于金屬材料與周圍環(huán)境之間的相互作用而產(chǎn)生破壞的自發(fā)現(xiàn)象[1]，每年由于金屬材料腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)高達(dá)數(shù)十億美元，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害[2-3]。金屬材料銹蝕的防護(hù)一直以來(lái)都是影響國(guó)家經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4-5]。

磺酸鹽作為最早被廣泛使用的一種防銹劑，具有優(yōu)異的防銹效果[6-10]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于高效防銹油品的需求日益增加，但國(guó)內(nèi)對(duì)于高效防銹油品配方的開(kāi)發(fā)工作關(guān)注較少，常用的防銹油配方單一、防銹周期較短，對(duì)于嚴(yán)苛的防銹環(huán)境，較多使用國(guó)外添加劑包的形式，導(dǎo)致成本高、核心技術(shù)水平難以提升[11-15]。為了改變這一現(xiàn)狀，提高國(guó)產(chǎn)防銹油技術(shù)水平，急需開(kāi)發(fā)高效的防銹添加劑配方。

本文選擇中性二壬基萘磺酸鋇(NA-SUL BSN)、重烷基苯磺酸鋇(T701)為防銹主劑，另外多種常用防銹劑作為配方原料，150SN為基礎(chǔ)油，采用正交設(shè)計(jì)方法對(duì)防銹油配方進(jìn)行了篩選，中性鹽霧試驗(yàn)評(píng)價(jià)優(yōu)化配方的性能，得到兩組性能優(yōu)于國(guó)外市場(chǎng)樣品的高效防銹油配方。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

10#鋼片(符合標(biāo)準(zhǔn)ZB E41 010A，80 mm×60 mm×(1～3) mm)；砂紙(240#)；Q-panel(R-36，符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM A1008，76 mm×152 mm×0.81 mm)。

1.2 防銹劑篩選

選擇NA-SUL BSN(中性二壬基萘磺酸鋇)和T701(重烷基苯磺酸鋇)作為主添加劑，分別與其他類型的防銹劑進(jìn)行復(fù)配正交試驗(yàn)，進(jìn)而得到BSN體系和T701體系兩組優(yōu)化配方。羧酸類包括：十二烯基丁二酸(T746)、正油烯基肌氨酸(Sarkosyl O)、油酸；酯類防銹劑包括：山梨糖醇酐單油酸酯(Span80)、羊毛脂。

為了評(píng)價(jià)優(yōu)化配方的性能，選擇磺酸鹽單劑(Control-A)與市售進(jìn)口防銹復(fù)合劑(Control-B)作為對(duì)比樣品。

1.3 防銹油配方的正交設(shè)計(jì)

防銹油配方正交設(shè)計(jì)過(guò)程：

(1)確定試驗(yàn)因素和水平數(shù)；

(2)選用合適的正交表；

(3)列出試驗(yàn)方案，通過(guò)鹽霧試驗(yàn)得到每組配方的防銹性能評(píng)價(jià)結(jié)果；

(4)對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行直觀分析；

(5)通過(guò)效應(yīng)曲線圖確定最優(yōu)水平組合。

1.4 中性防銹油鹽霧試驗(yàn)

采用鹽霧試驗(yàn)箱(型號(hào)HYW-050/B，上海宏澤試驗(yàn)設(shè)備有限公司)評(píng)價(jià)防銹劑的防銹性能，條件為：溫度35 ℃，pH值6.5～7.2，5%NaCl鹽霧。

具體操作方法：將防銹油涂覆在打磨、清洗后的10#鋼板上，并掛置在鹽霧試驗(yàn)箱中，參照SH/T 0081-1991標(biāo)準(zhǔn)方法，觀察10#鋼板測(cè)試面的銹蝕情況，當(dāng)銹蝕面積大于5%時(shí)，該時(shí)間即為鹽霧試驗(yàn)時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 BSN體系高效防銹油配方

選擇NA-SUL BSN作為BSN體系防銹油的主防銹劑，其他組分為T(mén)701、油酸、T746、Sarkosyl O、羊毛脂。通過(guò)對(duì)防銹劑成分的性能評(píng)價(jià), 制定了正交試驗(yàn)因素位級(jí)表，包括6個(gè)因素、5個(gè)水平。根據(jù)正交試驗(yàn)規(guī)律，選用標(biāo)準(zhǔn)正交表L25(56)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)各配方的防銹油品進(jìn)行鹽霧性能的評(píng)價(jià)，每組試驗(yàn)三個(gè)平行試片，得到鹽霧試驗(yàn)時(shí)間及正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

其中ki值表示每個(gè)因素在i水平上的平均鹽霧試驗(yàn)時(shí)間，決定了水平中最佳因素的選取。試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算，以第一列為例，均值k的計(jì)算過(guò)程如下。

k1=(4+10+11+23+11)÷5=11.8

k2=(23+10+46+11+46)÷5=27.2

k3=(48+25+5+48+29)÷5=31

k4=(36+29+36+48+36)÷5=37

k5=(36+68+47+36+53)÷5=48

表1 BSN體系正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

表1(續(xù))

第一列的極差計(jì)算：RK= 48-11.8=36.2，可以根據(jù)極差的大小，來(lái)判斷各因素對(duì)鹽霧性能的影響大小順序。經(jīng)過(guò)上述計(jì)算可得各因素影響主次順序?yàn)椋篟A>RC>RD>RF>RB>RE，即NA-SUL BSN>油酸>T746>羊毛脂>T701>Sarkosyl O，說(shuō)明不同組分對(duì)鹽霧性能的影響大小是不同的。其中第22號(hào)試驗(yàn)的防銹效果最好，鹽霧時(shí)間為68 h。

由表1中的k值可得到6因素5水平的效應(yīng)曲線圖，如圖1所示，可得到以下結(jié)論。

①在試驗(yàn)范圍內(nèi), 隨著A含量的增加, 防銹時(shí)間顯著升高；②B因素含量較低時(shí)對(duì)防銹時(shí)間影響不大，超過(guò)一定量后隨著B(niǎo)含量的增加，防銹時(shí)間也在增長(zhǎng)；③對(duì)于C因素，添加量的增加帶來(lái)了負(fù)面影響，說(shuō)明該體系不適合添加C因素；④隨著D含量的增加, 防銹時(shí)間呈上升趨勢(shì)；⑤隨著E因素含量的增加，防銹時(shí)間先升高后降低；⑥隨著F因素含量的增加，防銹時(shí)間逐漸增加，到達(dá)最優(yōu)值后又降低；⑦BSN體系中具有最佳鹽霧性能的最優(yōu)組合(BSN-26)為A5B5C1D5E3F4。

圖1 BSN體系效應(yīng)曲線

由圖1結(jié)果分析可知，A、B、D是該防銹油的主要防銹成分，A因素對(duì)防銹性的影響最大；B和D因素次之；C因素的加入沒(méi)有起到增加防銹性的作用，因此不適合在該體系中添加；適量的E和F對(duì)防銹油的防銹性能有一定促進(jìn)作用。

為了對(duì)比正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)配方BSN-26與磺酸鹽單劑(NA-SUL BSN)和國(guó)外市場(chǎng)樣品(NA-SUL CA-1259)的防銹性能，將磺酸鹽單劑配制成5%濃度的參比防銹油Control A，將進(jìn)口復(fù)合劑配制成5%濃度的參比防銹油Control B；分別進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，將得到的試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化配方BSN-26的鹽霧結(jié)果對(duì)比，如圖2所示。

圖2 BSN體系優(yōu)化配方防銹性能對(duì)比

由圖2可以看出，優(yōu)化配方BSN-26相比于磺酸鹽單劑的鹽霧性能有了大幅度的提升，同時(shí)優(yōu)于進(jìn)口樣品的防銹性能。

2.2 T701體系高效防銹油配方

選擇T701作為主防銹劑，其他組分為T(mén)746、Span 80、羊毛脂。通過(guò)對(duì)防銹劑成分的試驗(yàn)與分析,制定了正交試驗(yàn)因素位級(jí)表，包括4個(gè)因素、3個(gè)水平。根據(jù)正交試驗(yàn)規(guī)律，選用標(biāo)準(zhǔn)正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)。同樣采用試驗(yàn)部分1.4中所述的鹽霧試驗(yàn)方法，以出現(xiàn)銹蝕面積大于5%時(shí)的試驗(yàn)時(shí)間，即鹽霧試驗(yàn)時(shí)間，作為衡量試驗(yàn)的指標(biāo)。對(duì)各配方的防銹油品進(jìn)行鹽霧性能的評(píng)價(jià)，每組試驗(yàn)三個(gè)平行試片，得到鹽霧銹蝕時(shí)間及正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 T701體系正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算與2.1中所述例子相同，由表2中極差Rk可以判斷各因素對(duì)結(jié)果的重要程度為RA=RC=RD>RB，即T701、Span 80和羊毛脂對(duì)防銹性的影響最大，T746對(duì)防銹性的影響最小。其中第7號(hào)試驗(yàn)的防銹效果最好(72 h)，其相應(yīng)的水平組合是目前的最佳水平搭配。

由表2中的k值可得到4因素3水平的效應(yīng)曲線圖，如圖3所示。可得到結(jié)論：①在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著A(或C)含量的增加，防銹時(shí)間增加；②隨著B(niǎo)含量的增加，防銹時(shí)間有所降低；③隨著D含量的增加，防銹時(shí)間先升高后降低；④T701體系中具有最佳鹽霧性能的最優(yōu)組合(T701-10)為：A3B1C3D2。

圖3 T701體系效應(yīng)曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知，因素A、C、D是該防銹油配方體系的重要組分，其含量高低對(duì)防銹性能的影響較大；因素B為該防銹油體系中的輔助成分，添加少量的B對(duì)防銹油的防銹性能有一定促進(jìn)作用。

同樣，為了對(duì)比最優(yōu)配方T701-10與磺酸鹽單劑(T701)和國(guó)外市場(chǎng)樣品(NA-SUL CA-1259)的防銹性能，將T701配制成5%濃度的參比防銹油Control C。對(duì)市場(chǎng)樣品油(Control B)、單劑參比油(Control C)和優(yōu)化配方T701-10分別進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，得到鹽霧銹蝕時(shí)間結(jié)果如圖4所示。

圖4 T701體系優(yōu)化配方防銹性能對(duì)比

由圖4可以看出，優(yōu)化配方T701-10相比于磺酸鹽單劑的鹽霧性能有了大幅度的提升，同時(shí)略優(yōu)于國(guó)外市場(chǎng)樣品的防銹性能。

3 結(jié)論

通過(guò)正交設(shè)計(jì)的方法，結(jié)合中性鹽霧試驗(yàn)的方法來(lái)評(píng)價(jià)油品的防銹性能，得到了兩組高效防銹油配方體系BSN-26和T701-10，性能均優(yōu)于國(guó)外市場(chǎng)樣品。

由結(jié)果可得結(jié)論如下：

(1)高效防銹油配方BSN-26的鹽霧試驗(yàn)時(shí)間為83 h。不同組分對(duì)鹽霧性能的影響大小不同，各因素對(duì)防銹性的影響大小關(guān)系為：NA-SUL BSN>油酸>T746>羊毛脂>T701>Sarkosyl O。在該防銹油體系中NA-SUL BSN、T701、T746是主要防銹成分，NA-SUL BSN對(duì)防銹性的影響最大；T701和T746次之；油酸的加入沒(méi)有起到增加防銹性的作用，不適合在該體系中添加；少量的Sarkosyl O和羊毛脂對(duì)防銹油的防銹性能有一定促進(jìn)作用。

(2)高效防銹油配方T701-10的鹽霧試驗(yàn)時(shí)間為72 h。各因素對(duì)防銹性能的影響大小關(guān)系為：T701=Span 80=羊毛脂>T746。在該防銹油體系中T701、Span 80和羊毛脂是主要成分，其含量高低對(duì)防銹油的防銹性影響較大；T746對(duì)防銹性的影響最小，少量的T746對(duì)防銹油的防銹性能有一定促進(jìn)作用。