在各種不同腐蝕類(lèi)型中,大氣腐蝕是存在最廣泛的一種腐蝕,它造成的損失約占腐蝕總損失的 50% 以上。防護大氣腐蝕最有效的方法是將金屬從腐蝕環(huán)境中分離出來(lái)。目前,可以通過(guò)永久防護和臨時(shí)防護兩種方法實(shí)現對金屬的保護。永久防護包括使用合金、金屬涂層、電鍍、陰極保護和陽(yáng)極保護;臨時(shí)防護包括涂蠟、油脂、氣相緩蝕劑和干燥劑。
因氣相緩蝕劑的生產(chǎn)成本低、防腐蝕效率出色、使用、操作簡(jiǎn)便,所以在保護金屬、合金等方面的應用越來(lái)越受歡迎。同時(shí),以氣相緩蝕劑為基礎的氣相防銹技術(shù)也得到了更多的應用,這些技術(shù)提高了工作效率和金屬的使用壽命,降低了石油和天然氣、軍事、汽車(chē)、電子、電氣和其他工業(yè)部門(mén)的腐蝕防護總成本。
氣相緩蝕劑(VPI),又叫揮發(fā)性緩蝕劑(VCI),能在常溫下自動(dòng)揮發(fā)出特殊氣體,依靠其揮發(fā)的緩蝕劑分子或基團在金屬表面形成氧化膜、沉淀膜或分子及離子的吸附,從而抑制金屬腐蝕過(guò)程的電化學(xué)反應,減小腐蝕電流,達到緩蝕的目的。
與其它防腐蝕方法相比,氣相緩蝕劑具有以下優(yōu)點(diǎn):
但是,氣相緩蝕劑的使用期限較難預測,無(wú)法精確計算剩余的防護時(shí)間,導致存在浪費或防護不到位的問(wèn)題。
揮發(fā)性是氣相緩蝕劑發(fā)揮作用的前提,是氣相緩蝕劑一個(gè)重要的性能指標,決定了 VCI 防銹作用的誘導性、持久性和有效距離。不同氣相緩蝕劑因其飽和蒸氣壓和分子結構的不同,揮發(fā)到金屬表面 的方式也各不相同,大致可分為兩種:
氣相緩蝕劑應用于密閉或半密閉空間,需在一定溫度、持續時(shí)間內確??臻g中氣相緩蝕劑維持一定濃度,能夠揮發(fā)吸附至金屬表面起緩蝕作用。因此 VCI 應具有一定飽和蒸汽壓,其揮發(fā)性也由飽和蒸汽壓衡量。飽和蒸汽壓低的 VCI,有效作用距離短、揮發(fā)速度慢、誘導期長(cháng),會(huì )使金屬表面的 VCI 未達所需濃度前就被腐蝕,但具有更持久的防銹能力;飽和蒸汽壓大的 VCI,有效作用距離長(cháng)、揮發(fā)速度快、誘導期短,能快速揮發(fā)至金屬表面抑制早期腐蝕過(guò)程,但因其揮發(fā)速度過(guò)快,耗量大,持久性能大大降低。故氣相緩蝕劑要有合適的飽和蒸汽壓才能達到最佳防護效果。
不同氣相緩蝕劑的蒸汽壓差別較大,如何根據氣相緩蝕劑的飽和蒸汽壓和使用要求,調控其揮發(fā)性,是一個(gè)重要的環(huán)節,常用的方法有:(1)將具有不同揮發(fā)性的氣相緩蝕劑進(jìn)行復配從而改變其揮發(fā)性;(2) 將氣相緩蝕劑吸附在無(wú)機多孔載體上。
氣相緩蝕劑的溶解度對其應用性能也有重要的影響。氣相緩蝕劑在溶液中需要有一定的溶解性,這樣才能快速飽和已吸濕的金屬表面。若溶解度過(guò)大,吸附在金屬表面的緩蝕劑分子會(huì )發(fā)生脫附現象,不 能形成有效的吸附膜;若溶解度過(guò)小,金屬表面的水介質(zhì)中能溶解的緩蝕劑過(guò)少,在金屬表面不能形成 有效、完整的吸附膜,有時(shí)不但達不到緩蝕的目的,反而會(huì )加速金屬腐蝕。
氣相緩蝕劑還可配成氣相緩蝕溶液使用,所以在溶劑中需要一定的溶解性,來(lái)滿(mǎn)足其使用需求。氣相緩蝕劑在有機溶劑中的溶解度,關(guān)系到其生產(chǎn)過(guò)程和使用過(guò)程,在生產(chǎn)過(guò)程中為提高氣相緩蝕劑的產(chǎn)率,要選擇對氣相緩蝕劑溶解性小的溶劑。
VCI 分子可以通過(guò)物理吸附或化學(xué)吸附或兩者兼有的方式吸附在金屬表面。物理吸附過(guò)程是帶電的金屬表面與 VCI 分子間發(fā)生靜電相互作用?;瘜W(xué)吸附過(guò)程是通過(guò) VCI 分子結構中 P、N、O、S 等 原子的孤對電子與金屬表面進(jìn)行配位完成的。
金屬表面與 VCI 分子間相互作用的性質(zhì)可以利用各種吸附等溫線(xiàn)模型進(jìn)行討論,吸附等溫線(xiàn)在理解 VCI 分子吸附過(guò)程可以提供一些關(guān)鍵信息,可用于確定吸附自由能標準值及其與表面覆蓋率的關(guān)系。目前,主要用于氣相緩蝕劑吸附研究的平衡吸附等溫線(xiàn)有 Langmuir、Freundlich、Temkin、Floy-Huggins 等。其中Langmuir 吸附等溫線(xiàn)和 Freundlich 吸附等溫線(xiàn)應用較廣泛,前者適用于均勻吸附過(guò)程,后者適用于非均相體系,特別是有機緩蝕劑。
氣相緩蝕劑分子中應該含有一個(gè)或一個(gè)以上的緩蝕基團,以使氣相緩蝕劑具備一定的緩蝕性能。氣相緩蝕劑的緩蝕效果與其分子結構密切相關(guān),主要是受到緩蝕基團的影響。氣相緩蝕劑揮發(fā)后遇水解離出保護基團,其未配對電子或孤對電子可以使 VCI 分子很好地吸附在金屬表面,發(fā)生鈍化阻止金屬的腐蝕;VCI 分子在金屬表面形成單分子層,排斥水分子防止金屬腐蝕。
起決定性作用的是緩蝕基團,其影響主要表現在以下幾方面:
(1)極性強、能與金屬配位的緩蝕基團吸附性強,緩蝕性能高。
(2)緩蝕基團具有選擇性,如 F 對鋁和鎂有保護作用,卻會(huì )加速鋼和銅的腐蝕。
(3)復配時(shí)緩蝕基團之間的相互作用也會(huì )影響緩蝕效果。
由于氣相緩蝕劑有上述優(yōu)點(diǎn),在金屬防銹領(lǐng)域的應用面不斷拓寬,量不斷增加。常用的氣相緩蝕劑見(jiàn)下表。
名稱(chēng) | 分子式 | 簡(jiǎn)要說(shuō)明 |
辛酸三丁胺 | | 對黑色金屬有較好防銹性,油溶性隨羧酸碳原子數的增加而增加,常需與助溶劑配合用于配制氣相防銹油
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癸酸三丁胺 | |
月桂酸三丁胺 | |
辛酸二環(huán)已胺 | | 油溶性較好,常用于配制黑色金屬用氣相防銹油 |
苯甲酸鈉 | | 用于制作氣相防銹紙、氣相防銹粉劑或片劑,配制水基防銹劑和金屬加工液 |
苯甲酸銨 | | 用于制作氣相防銹紙、氣相防銹粉劑或片劑
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苯甲酸單乙醇胺 | |
苯駢三氮唑 | | 對銅及其合金用氣相防銹紙、氣相防銹粉劑或片劑 |
苯三唑三丁胺 | | 常與助溶劑配合用于配制氣相防銹油,對黑色金屬和銅及其合金均有效,也可用于制作氣相防銹粉劑或片劑 |
苯駢三氮唑二環(huán)已胺 | | 溶于油,對黑色金屬和銅及其合金均有氣相和油相防護防銹性,用于配制氣相防銹油 |
氨水 |
| 常用于調節氣防銹劑劑的揮發(fā)性和堿性 |
碳酸銨 | | 易揮發(fā),可用于制作氣相防銹粉劑或片劑 |
尿素 | | 用于配制氣相防銹水、制作氣相防銹紙 |
烏洛托品 | |
碳酸芐胺 | (C6H5CH2NH2)2·H2CO3 | 常用于制作氣相粉劑或片劑 |
碳酸環(huán)已胺 | (C6H11NH2)2·H2CO3 |
磷酸氫二銨 | (NH4)2HPO4 |
磷酸二氫銨 | NH4H2PO4 |
亞硝酸二環(huán)已胺 | (C6H11)2??NH·HNO2 | 用于制作氣相防銹紙和固體氣相防銹劑 |
亞硝酸二異丙胺 | (C3H7)2??NH·HNO2 |
從分子組成及其特征看,氣相緩蝕劑在常溫下有適當的蒸氣壓,能充滿(mǎn)被密閉的包裝空間,其分子中都含有一定的緩蝕性能的基團,如:含硝基、羧基、胺基的有機化合物,或者含N、O、P元素的有機雜環(huán)化合物。氣相緩蝕劑的緩蝕作用可分為兩種情況:
與其它緩蝕劑比較,氣相緩蝕劑有如下特點(diǎn):
- ⑴依靠緩蝕劑本身?yè)]發(fā)的氣體起緩蝕作用。緩蝕劑氣體無(wú)孔不入,故對于表面不平、結構復雜、有細小孔隙的制件或組合件很適用。
- ⑵使用方便,啟封容易,勞動(dòng)強度低,生產(chǎn)效率高。與防銹油封存相比,能省掉包裝前的涂油和啟封后的清洗,最適合于工具、零部件、軍械的封存防銹。
- ⑶防銹期長(cháng)。用氣相緩蝕劑封存防銹,在密封情況下防銹期可達10年以上。氣相緩蝕劑也可用于工序間的短期防銹。