钢铁表面防锈工艺的研究

王 响

(武汉工程大学 化学与环境工程学院,湖北 武汉 430073)

铁锈的主要成分是Fe2O3[1]，当钢铁表面腐蚀生成铁锈的时候不仅不能防止钢铁的生锈，还能进一步加剧钢铁表明的生锈，因为铁锈疏松多孔不仅不能防止钢铁制品与空气、水的接触，还会把空气和水吸附在钢铁制品的表面，进一步加剧钢铁制品的生锈[2]。另外，铁锈不像铁那样坚硬，很容易由于碰撞或震动脱落，根本起不到防护作用，所以钢铁表面的除锈在保护钢制品质量、节约资源方面占有举足轻重的地位。

钢铁生锈的两大主要因素：一个是氧气，另一个是水。所以防止钢铁生锈最简单的办法就是阻止钢铁表面与氧气、水的接触。本文主要基于乙醇胺与酸的复配法[3]，通过在钢铁制品表面形成一层质密的醇胺盐薄膜[4-5]来防止钢铁制品与空气、水的接触达到防锈的目的。

1 实验部分

1.1 实验仪器和材料

实验原料药品及厂商明细见表1。

表1 实验原料药品及厂商明细Table 1 Chemical reagents and suppliers

实验所用的主要仪器设备及厂商明细见表2。

1.2 配方各组分的确定与含量

本配方是根据乙醇胺与无机酸的复配原理确定的，由二乙醇胺[6-7]与磷酸[8]反应生成的醇胺盐[9-10]可以很好的附着在钢铁制品的表面隔绝空气和水，因此配方组成确定为：二乙醇胺+磷酸+水，查阅相关资料知道各组成的体积分数大概为：磷酸为55%～60%、二乙醇胺为12%～15%、水为25%～33%[11]。

表2 实验仪器设备及厂商明细Table 2 Experimental equipment and suppliers

1.3 正交实验

由上节可知配方各组分的体积比范围为：磷酸55%～60%、二乙醇胺12%～15%和水25%～33%，本实验采用L9(34)正交表安排实验，实验因子及水平设计见表3，具体实验安排及实验结果见表4。

表3 实验因子及水平设计Table 3 Analytical factors and levels for orthogonal L9(34)因素

表4 实验结果Table 4 The results of orthogonal experiment

1.4 表征实验

经过上面正交实验可以确定配方各自组成成分的最佳含量比例，所以接下来要做的是通过对这配方进行四个表征实验来定性比较配方的优劣。首先配置防锈剂：由上节的正交实验结果可得，防锈剂配方：磷酸体积比57%、二乙醇胺体积比13%、水体积比28%、温度20℃；将防锈剂用烧杯配好然后用保鲜膜封住烧杯口留待后续实验使用。

1.4.1 干燥时间测定

锈铁片准备：准备三块大小基本相同、表面生锈状况基本相同的锈铁片，标号1、2、3，用砂纸打磨铁片表明直到铁片表面只剩一层薄薄的铁锈。

时间测定：将配置好的防锈剂配方用毛刷涂在铁片1、2、3上，注意的面积要基本相同，然后打开秒表记录各个防锈剂自然干燥的时间t1、t2、t3。

1.4.2 附着力的测定

锈铁片准备：与上节相同，用砂纸打磨铁片表面直到铁片表面只剩一层薄薄的铁锈。

附着力的测定：防锈剂用毛刷涂在铁片上。等铁块表面干燥后，用附着力测定装置现在铁片上划出一百个大小相同的小格，然后用专用的粘胶粘住100个小格子，用力按压使粘胶能很牢固的粘附在铁片上，然后快速的撕掉粘胶，计算有多少小格子上的防锈剂被粘下来了，最后用没被撕下来的小格子的百分比来测定附着力的大小。

1.4.3 盐水浸渍实验

锈铁片准备：与上节相同，用砂纸打磨铁片表面直到铁片表面只剩一层薄薄的铁锈。

盐水配置：取一个烧杯，要求烧杯底部面积大于铁片面积，用电子天平量取5g氯化钠固体与烧杯中然后加入95g的蒸馏水，配置成5%的盐水。

盐水浸渍实验：将防锈剂涂刷在铁片上，等待铁片上的防锈剂自然干燥后，将铁片浸渍在烧杯中(注意要使盐水全部浸没铁片)，然后用保鲜膜密封好，20h后取出铁片，观察铁片表面防锈剂的腐蚀状况，以未腐蚀面积的百分比来测定防锈剂抗腐蚀能力的大小。

1.4.4 耐热性测定

锈铁片准备：与上节相同，用砂纸打磨铁片表面直到铁片表面只剩一层薄薄的铁锈。

烘箱实验：将防锈剂涂刷在铁片上，等待铁片上的防锈剂自然干燥后，将铁片放置在烘箱中(刷有防锈剂的一边向下)，铁片下方放一张干净的白纸，设置烘箱温度为80℃，24h后取出铁片，观察铁片上防锈剂的脱落形况，以未脱落面积的百分比来测定防锈剂耐热能力的大小。

2 结果与讨论

2.1 配方正交实验结果与讨论

2.1.1 直接比较

对9次实验结果进行直接比较，发现第六次实验A2B3C1D2中防锈剂的附着力性能最佳。

2.1.2 极差分析。

比较因素的极差R的大小可知RA>RB>RC>RD，则各因子的主次顺序依次为A、B、C、D；由图1可知各因子水平对防锈剂附着力性能的影响，其中磷酸体积比A以A2最好，同理可知B以B2最好，C以C1最好，D以D2最好。所以最优化条件为A2B2C1D2，而A2B2C1D2并不在九次实验中，而是通过九次实验结果分析出来的;由极差分析可知，温度因子的极差最小，即温度对防锈剂附着力性能的影响在三个水平上差别并不是很大，从节约能源的角度看，提高温度肯定会造成额外的能源消耗，因此，温度因子选择第一水平即20℃。故最终确定的最佳组成比例的防锈剂配方工艺条件是：磷酸体积比57%、二乙醇胺体积比13%、水体积比28%、温度20℃。按照配方正交试验得到的最佳条件进行实验复证，最佳比例条件下的防锈剂的附着力约等于100%，这个结果进一步表明了正交试验优化得到结果的可信度较高。

图1 因子水平对防锈剂附着力性能的影响

2.2 配方表征实验结果分析

2.2.1 干燥时间

结果计算及分析：记录结果为：t1=5分48秒、t2=5分30秒、t3=5分24秒；计算平均值干燥时间 为5分34秒。一般来说干燥时间不超过十分钟就是比较好的，所以仅仅从干燥时间来判断防锈剂的好坏是不合理的，下面将从附着力的方面来检验防锈剂的优劣。

2.2.2 防锈剂附着力

结果计算及分析：实验前如图2；实验后如图3。

图2 实验前防锈剂附着力

图3 实验后防锈剂附着力

由实验前后的图片我们可以直观的看出：经过附着力测定实验后钢铁表面的防锈剂基本没有脱落。测得配方的附着力能力为100%。附着力的好坏是判断一个防锈剂好坏的主要标准，良好的附着力是任何一种好的防锈剂必须具备的因素，因为防锈剂的作用就是吸附在钢铁制品的表面来阻止空气、水与钢铁接触而生锈的。如果一种防锈剂没有良好的附着力，那么这种防锈剂就很容易由于震动或碰撞而脱落，这样就起不到很好的防锈效果，所以对防锈剂附着力的测定是评判其好坏的一大主要因素。

2.2.3 防腐蚀能力

结果计算及分析：实验前如图4，实验后如图5。

图4 实验前防腐蚀能力

图5 实验后防腐蚀能力

在上一节中，指出评判一种防锈剂的好坏的一大主要因素是附着力的大小，在这一节将给出评判的另一大标准：防腐蚀能力。

由实验前后的图片我们可以直观的看出：经过盐水浸渍实验后钢铁表面的防锈剂基本没有腐蚀。测得配方的防腐蚀能力为90%。

2.2.4 耐温耐热性能

结果计算及分析：实验前如图6，实验后如图7。

图6实验前耐温耐热性能

图7 实验后耐温耐热性能

最后一个表征实验是耐热性测定实验，就是测定防锈剂的耐温耐热性能。由实验前后的图片我们可以直观的看出：经过烘箱实验后钢铁表面的防锈剂很少脱落。最后测得配方的耐热能力为80%。

综合所有表征实验数据可得，虽然配方的干燥时间较长，但是配方在附着力性能上、防腐蚀能力上还有耐热性能上都很优秀。

3 结论

本文的创新点在于，与传统的钢铁防锈方法相比，这种新型水基防锈剂成本较低、污染小、防锈效果也有很大的提高。在实验原理和实验方法上也比较严谨、合理。

通过查阅相关的文献确定了本文的实验原理，然后通过正交实验确定了配方的最佳含量比例，并通过一系列表征实验来测验防锈效果。实验得出的最佳的配方为：磷酸体积比57%、二乙醇胺体积比13%、水体积比28%。

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(本文文献格式：王响.钢铁表面防锈工艺的研究[J].山东化工，2018，47(02)：42-44，47.)