以氯化芐為季銨化試劑的多環咪唑啉季銨鹽在酸性條件下對鋼的緩蝕性能研究

馬彩梅，薛 斌，劉婷婷

（新疆石河子職業技術學院，新疆石河子 832000）

金屬腐蝕普遍存在于各個行業，造成巨大的經濟損失和環境污染。緩蝕劑的合理使用是防止金屬及其合金在環境介質中發生腐蝕的一種經濟有效的防護技術[1]，甚至在某些工業生產中成為不可取代的重要防護措施。目前，緩蝕劑的研究正向高效率、多功能、無公害的目標發展[2]。咪唑啉是近年發展起來的一類性能優異的酸化緩蝕劑，對碳鋼等金屬在鹽酸介質中有優良的緩蝕性能，這類緩蝕劑無特殊的刺激性氣味，熱穩定性好，毒性低，有良好的生物降解性，因而有著廣闊的應用前景[3]。本文合成了四種基于氯化芐的季銨化試劑，并通過失重法、極化曲線法、交流阻抗法分別研究了它們在酸性條件下對鋼的緩蝕性能，分析了季銨鹽對鋼材表面的作用機制，為緩蝕劑的開發和優化提供理論支持。在鋼表面上的吸附機制，為進一步開發優選更高效、實用的多環咪唑啉季銨鹽金屬緩蝕劑提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

丁二酸，AR，上海市昊海化學試劑有限公司；二甲苯，AR，天津市福化化學試劑有限公司；四乙烯五胺，AR，福晨（天津）化學試劑有限公司；氯化芐，AR，福晨（天津）化學試劑有限公司。

三頸圓底燒瓶，天津玻璃儀器廠；球形冷凝管，天津玻璃儀器廠；DF-Ⅱ集熱式磁力加熱攪拌器，常州愛華儀器制造有限公司；分水器，天津市中鋒實驗器材有限公司；電化學工作站，德國ZAHNER 公司。

1.2 實驗方法

（1）制備雙咪唑啉化合物[4]。按照合成產物不同，將丁二酸和二甲苯以200 r/min 在三口燒瓶中電動攪拌，加熱至90℃，將盛有適量四乙烯五胺的恒壓漏斗連接到三口燒瓶中，緩慢滴加至完畢，按10℃/h 的速率升溫，在150~170℃進行脫水反應2 h，此時二甲苯和水共沸蒸出，升溫至230℃，反應3 h，至不再有水生成時結束反應，黏稠液體即為雙咪唑啉化合物。

（2）合成單環和雙環咪唑啉季銨鹽：將制備所得的多環咪唑啉化合物在90℃時加入適量的氯化芐，反應3 h 得到黏稠狀膏體即為單環咪唑啉季銨鹽（SO-1）或雙環咪唑啉季銨鹽（SO-2）。SO-1與SO-2見圖1~圖2。

圖1 單環咪唑啉季銨鹽：SO-1

圖2 雙環咪唑啉季銨鹽：SO-2

（3）合成三環和四環咪唑啉季銨鹽：將制備所得的多環咪唑啉化合物在90℃時加入適量的氯化芐和油酸，反應3 h 得到黏稠狀膏體即為三環咪唑啉季銨鹽（SO-3）或四環咪唑啉季銨鹽（SO-4）。結構式見圖3~圖4。

圖3 三環咪唑啉季銨鹽：SO-3

圖4 四環咪唑啉季銨鹽：SO-4

2 結果與分析

2.1 產物表征

產物表征見圖5，說明合成了咪唑啉產物，并通過失重法、電化學方法[5]及交流阻抗法[6]比較四種產物的緩蝕性能。

圖5 四種化合物的紅外譜

（1）1646 cm-1處 為C=N伸 縮 振 動 吸 收 峰，2 854 cm-1、2 930cm-1處 為CH2伸 縮 振 動 吸 收 峰，1157cm-1、1299 cm-1處為C-N伸縮振動吸收峰。

（2）1610 cm-1處 為C=N伸 縮 振 動 吸 收 峰，2850、2932cm-1處為CH2伸縮振動吸收峰，1125、1275cm-1處為C-N 伸縮振動吸收峰。

（3）1605cm-1處 為C=N伸 縮 振 動 吸 收 峰，2853、2929cm-1處為CH2伸縮振動吸收峰，1 128、1 299 cm-1處為C-N 伸縮振動吸收峰。

（4）1 603 cm-1處為C=N 伸縮振動吸收峰，2 854、2 928 cm-1處為CH2伸縮振動吸收峰，1 299 cm-1處為C-N 伸縮振動吸收峰。

2.2 失重法

失重法測得30℃條件下N80鋼在含有和未含有緩 蝕 劑 的1 mol/L HCl 溶 液 中 浸 泡48 h 之 后 的 結 果顯示，在本文所給定的濃度范圍中，SO-1、SO-2、SO-3、SO-4的最佳濃度均為40 mg/L。但就同樣濃度下，不同化合物的緩蝕效率來看的話，隨著環數的增加，四種化合物的緩蝕效率大小順序為SO-3>SO-2>SO-4>SO-1。

2.3 極化曲線法

圖6 是N80 鋼電極在1 mol/L HCl 溶液和分別加入最佳濃度（40 mg/L）的四種多環咪唑啉季銨鹽化合物溶液極化曲線。測試結果顯示，腐蝕電位正移，ΔE>0，所以這四種化合物屬于陽極型緩蝕劑。通過極化曲線法得出四種化合物的緩蝕作用大小順序為SO-3>SO-2>SO-4>SO-1，這與失重法所得結果相同。

圖6 四種多環咪唑啉季銨鹽化合物溶液極化曲線

2.4 交流阻抗法

采用交流阻抗法測試，結果顯示，在1 mol/L HCl中分別加入四種多環咪唑啉季銨鹽后，N80 鋼的腐蝕傳遞電阻先增大后減小，而金屬-溶液的界面電容則先減小后增大。四種多環咪唑啉季銨鹽對N80鋼在1 mol/L HCl 溶液中的腐蝕有明顯減緩作用。同時，四種多環咪唑啉季銨鹽的緩蝕性能作用的大小順序為

SO-3>SO-2>SO-4>SO-1。

2.5 溫度對四種多環咪唑啉季銨鹽緩蝕性能的影響

在30~60℃條件下，測試N80鋼分別在未加和加有最佳濃度的四種多環咪唑啉季銨鹽的1 mol/L HCl溶液中浸泡48 h 后的失重量，結果顯示，四種多環咪唑啉季銨鹽對N80鋼在1 mol/L HCl 溶液中的緩蝕效率隨著溫度升高而均略有減小，但在60℃時緩蝕效率仍達到85%以上，這說明四種化合物對N80鋼有較好的緩蝕效果。

2.6 四種多環咪唑啉季銨鹽在N80鋼表面的吸附行為

四種多環咪唑啉季銨鹽SO-1、SO-2、SO-3 和SO-4在1 mol/L HCl 溶液中對N80鋼均屬于陽極型緩蝕劑，其在鋼表面的吸附均服從Langmuir 吸附等溫式，屬于化學吸附。化合物的緩蝕性能一般與化合物的結構有關[7]。一般多環咪唑啉季銨鹽隨著其所含環數的增加使其在鋼表面的吸附能力也隨之增強，可以很明顯看到SO-1、SO-2、SO-3的緩釋性能的變化情況，SO-3>SO-2>SO-1。

3 結論

四種多環咪唑啉季銨鹽SO-1、SO-2、SO-3 和SO-4對N80鋼在1 mol/L HCl 溶液中均有較好的緩蝕性能，緩蝕效率大小順序為SO-3>SO-2>SO-4>SO-1。在所研究的溫度范圍內（30~60℃），四種多環咪唑啉季銨鹽SO-1、SO-2、SO-3和SO-4對N80鋼在1 mol/L HCl 溶液中的緩蝕效率隨溫度的升高而降低。四種多環咪唑啉季銨鹽SO-1、SO-2、SO-3 和SO-4 在1 mol/L HCl 溶液中對N80 鋼均屬于陽極型緩蝕劑，其在鋼表面的吸附均服從Langmuir 吸附等溫式，屬于化學吸附。

因此，充分利用咪唑啉季銨鹽緩蝕劑優異的緩蝕性能和環境友好性，今后的研究方向可以考慮開發更高效的咪唑啉季銨鹽緩蝕劑[8]，探索咪唑啉季銨鹽緩蝕劑在不同領域的應用，開發基于咪唑啉季銨鹽緩蝕劑的新型材料，提高咪唑啉季銨鹽緩蝕劑的生產工藝和成本效益等，使其更加廣泛地應用于實際生產中。