表面活性剂对铸铁防锈性能影响的研究
2014-03-10费艳宁李广宇
杨 丹，费艳宁，李广宇,
（1.沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159；2.沈阳鹿森润滑技术有限责任公司，辽宁 沈阳 110179）
铸铁是含碳量大于2.1%的铁碳合金，是工业中最常见的一种铸造金属材料。由于具有良好的机械物理性能，易于生产加工，且价格低廉，被广泛应用于国民经济的各个领域[1]。
铸铁加工中常使用水基金属加工液优化加工过程，水基金属加工液由于具有以水代油、节省能源、不危害操作者健康、减少污染、保护环境、清洗成本低等特点，近十年来在我国得到迅速发展[2]。而水基金属加工液常会带来腐蚀问题，影响表面质量。水基金属加工液的主要成分是表面活性剂，因此表面活性剂的防锈性很大程度影响金属加工液的防锈性。本文选用应用广泛的阴离子和非离子表面活性剂研究其不同浓度下的防锈性，为水基金属加工液表面活性剂选择提供参考。
1 试验部分
1.1 试验方法
采用IP287（铁屑滤纸法）方法，在滤纸上称取2 g 铁屑，均匀铺展，放入培养皿内，将表面活性剂稀释液倾倒足够量，使之超过铁屑。将培养皿盖上，室温下放置4 h。之后移走滤纸，除去其上的铁屑，观察滤纸上铁屑留下的锈迹面积。以锈蚀面积的大小来评价切削液对铁的防锈性[3]。
此法评价防锈性，具有用时短、结果准确性高、设备简单、操作简便等优点[4]。
1.2 试验试剂
1.2.1 阴离子表面活性剂
（1）磺酸盐型
十二烷基苯磺酸钠：分子式为C18H29NaO3S，分子量为348.48；
石油磺酸钠：分子式为R-SO3Na（R 为C14～C18的烷基）；
石油磺酸钠T702B 的分子量为410，有效成分含量为50%；
石油磺酸钠HL 的分子量为465，有效成分含量为60%～62%。
（2）硫酸酯型
十二烷基硫酸钠：化学式为CH3(CH2)10CH2-OSO3Na，分子量288.38；
太古油：混合物，主要成分的化学名称为蓖麻酸硫酸酯钠盐，分子式为C18H12O6Na2，分子量为390.4。
（3）脂肪醇醚羧酸型
脂肪醇醚羧酸4561：C16/18脂肪醇，酸值为60～70。
1.2.2 非离子表面活性剂
（1）壬基酚聚氧乙烯型
壬基酚聚氧乙烯醚(NP-7)结构式如下：
其中n=7；
壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯(E9600)：是由磷酸单酯﹑双酯和微量三酯组成的混合物。
（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 结构式：
（4）酰胺型
超酰胺：化学式为CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CONH(C2H4OH)2，分子量为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：分子式为C11H23CON(CH2CH2OH)2，分子量为287.16。
1.3 试验试剂
将表面活性剂用自来水配制成质量分数分别为1%、2%、3%、4%和5%的溶液，用于试验。
1.4 主要仪器
SSX-550 型扫描电子显微镜及其附件元素分析谱仪。
2 结果与讨论
2.1 不同类型表面活性剂对铸铁防锈性能的影响
图1 阴离子表面活性剂锈蚀面积与质量分数关系曲线
图2 非离子表面活性剂锈蚀面积与质量分数关系曲线
从图1 可以看出，随着阴离子表面活性剂的浓度增加，锈蚀面积呈减少趋势。阴离子表面活性剂中，防锈效果硫酸酯型整体优于脂肪醇醚羧酸型和磺酸盐型。整体来看，在磺酸盐型阴离子表面活性剂中，防锈效果最好的是石油磺酸钠HL，这是由于HL 有效成分含量最高，分子量大，可更有效进行吸附；脂肪醇醚羧酸型阴离子表面活性剂中，4561 防锈效果较好是由于4561 的酸值高，吸附基团-COOH 多，吸附能大，能更紧密吸附在金属表面；硫酸酯型阴离子表面活性剂中，太古油防锈效果最好，因为太古油比十二烷基硫酸钠多-COONa 基团，-COONa 可以与金属表面较好的结合，形成牢固的保护膜，起到防锈作用。
从图2 可知，随着非离子表面活性剂的浓度增加，锈蚀面积呈减少趋势。壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯(E9600)的防锈性能显著优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 的防锈能力明显随浓度的增加变好，到达一定浓度甚至可以无锈迹；随着L44 浓度的增加，达到2%以后锈迹面积基本不再减少，对防锈效果没有明显影响。酰胺型阴离子表面活性剂中，防锈效果最好的是超酰胺，当其浓度为5%时无锈蚀；E9600 分子中含有磷酸酯基团，磷酸酯基团具有很强的吸附性，在Fe 的表面发生化学吸附[5]紧密吸附在金属表面，形成完整的坚固的保护膜，阻止腐蚀性离子进入金属表面，阻止外界空气对金属表面的氧化，从而阻止铁的锈蚀。而且E9600中具有长链烃基，磷酸酯基团相连的长链烃基多，更有可能有效地覆盖全部的金属表面[6]，防锈效果好；T-85 中酯基的含量高，在金属表面发生较强的物理吸附，吸附力强使得形成的吸附膜稳固，能有效防止腐蚀介质进入金属表面；酰胺类含有极性基-CONH-，防锈效果好，是由于-X-基团的吸电子效应，使羧基酸性增强更有利于产生化学吸附；也有人认为这是由于产生鳌合化合物的缘故[7]。
2.2 表面分析
选取三种防锈效果及水溶性较好的表面活性剂做表面分析，见图3～图5。从SEM 照片中可看出使用E9600 后，铁屑表面有轻微腐蚀，表面光滑。而使用其它两种表面活性剂后，铁屑表面发生局部腐蚀或点蚀。通过比较局部腐蚀和轻微腐蚀的EDS 图可知氧原子含量大幅增多，表明腐蚀产物为铁的氧化物或氢氧化物。
图3 太古油浓度为3%时铁屑的SEM 照片和EDS 图
图4 超酰胺浓度为3%时铁屑的SEM 照片和EDS 图
图5 E9600 浓度为3%时铁屑的SEM 照片和EDS 图
3 结论
（1）阴离子表面活性剂中，防锈效果：硫酸酯型>脂肪醇醚羧酸型>磺酸盐型，防锈效果最好的是太古油；非离子中酰胺类整体优于其它类型，但防锈效果最好的是E9600，是由于E9600 含有磷酸酯基团，在铁表面有强的化学吸附。表明表面活性剂的防锈性与吸附基结构密切相关。
（2）对于具有相同有效基团的表面活性剂，防锈效果：石油磺酸钠HL>T702B，太古油>十二烷基硫酸钠，表明有效基团含量越高，防锈效果越好；酰胺类防锈效果：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，防锈效果越好。
[1]黄建中,左禹.材料的耐蚀性和腐蚀数据[M].北京:化学工业出版社,2002:47.
[2]王铎,陈建秋,汪东,等.新型环保水基金属清洗剂配方的研制[J].润滑与密封,2005,30(6):142-144.
[3]Designation IP287/83.Rust prevention characteristics of soluble oil emulsions CHIP/FILTER PAPER METHOD.
[4]何红波,张文杰.铁屑法快速评定金属加工液的防锈性能[J].汽车工艺与材料,2002(7):34-35.
[5]梦瑶.水基微乳化切削液的防锈和防腐蚀性能的研究[D].沈阳:沈阳理工大学,2009.
[6]王洪斌,张二水,刘顺涛.表面活性剂与水溶性防锈剂相互作用的研究[J].石油学报(石油化工),2002,18(2):92-98.
[7]龚玉山.油溶性防锈剂及其防蚀性能[J].材料保护,1981(6):37-39.
