水基防锈剂的制备及性能分析

马文钰

(山东师范大学附属中学，山东 济南 250014)

金属会在自然环境中受到腐蚀，应用科学技术可以有效建设甚至阻滞腐蚀现象的出现。目前，众多防腐蚀工作人员已经研制出多种多样的防腐蚀方法，如防锈剂、耐腐蚀金属材料、表面成膜技术等。其中添加防锈剂由于成本较低、见效快受到广泛关注与应用。

1 水基防锈剂的制备

1.1 二乙醇胺硼酸酯的制备

在250mL的三口烧瓶中放置磁力搅拌、分水器、相应规格的温度计，之后在其中加入12.4g的硼酸与46.2g的二乙醇胺、50mL的二甲苯当做带水剂，直到水流分水接近或与理论数量相同时结束反应，之后采用减压蒸馏的方式获得二甲苯与少量水。加入60mL四氢呋喃将未反应的二乙醇胺萃取三次，将残留的四氢呋喃去除，结合真空干燥获取无色黏稠二乙醇胺硼酸酯，使用0.1mol/L浓度的盐酸滴定测试测定其纯度为97.25%。

该反应主要为二甲苯为携水剂持续分离生成反应体系的水，使反应平衡向右移动，最终生成二乙醇胺硼酸酯。从实验结果可以看出，对二乙醇胺硼酸酯收率的主要因素包含反应物配比、溶剂用量、回流时间。

1.1.1 原料物质的量比对出水量产生的影响

硼酸的量为12.4g，回流反应时间为8h，溶剂的用量为50mL，对原料物质的量比：n二乙醇胺/n硼酸对出水量产生的影响进行考察。通过结果可以看出，随着n二乙醇胺/n硼酸持续增加，可以使出水量明显上升，可以说明二乙醇胺过量可以使反应以正向进行。但随着 继续增加，出水量的提升并不明显，从经济性方面分析，将n二乙醇胺/n硼酸确定为2.2进行反应。

1.1.2 溶剂使用量对出水量产生的影响

可以将二乙醇胺与硼酸的酯化反应看作可逆反应，一般来说，为了提升产量减少反应时间，会使用溶剂共沸脱水从反应体系中分离反应生成的水，这样会降低逆反应的速率，还会使可逆反应持续向右移直到反应完全。在进行反应的过程中，溶剂二甲苯的用量会对反应体系的浓度产生影响，因此也会对反应速率的高低产生影响，还会对出水量与反应体系的分离情况造成影响。硼酸的用量为12.4g，二乙醇胺的用量为46.2g， n二乙醇胺/n硼酸为2.2，回流的反应时间为8 h，观察溶剂用量对出水量形成的影响。通过结果可以看出，带水剂的二甲苯用量增加，生成二乙醇胺硼酸酯反应的出水量会随之增加， 在二甲苯用量为50mL时，体系中的溶剂就可以充分带出反应生成的水。二甲苯用量的持续增加会减少体系的浓度，造成二乙醇胺硼酸酯产量减少，降低出水量。因此若硼酸为12.4g，二乙醇胺为46.2g，即n二乙醇胺/n硼酸是2.2时应使用50mL二甲苯的回流反应进行脱水。

1.1.3 反应时间对出水量产生的影响

硼酸量为12.4g，二乙醇胺用量为46.2g，n二乙醇胺/n硼酸为2.2[1]，使用50mL的溶剂二甲苯，观察反应时间对出水量产生的影响。通过实验结果可以看出，反应时间的增加，二乙醇胺硼酸酯的出水量明显上升，但在8h之后出水量不会提升，基本完成反应，增长分水回流的时间显然没有太大作用，因此最佳的反应时间为8h。

1.1.4 后处理对反应产生的影响

在结束硼酸与二乙醇胺酯化脱水反应之后，应对生成的二乙醇胺硼酸酯进行后期处理，避免对下一步的反应造成影响。使用常用的有机溶剂，利用萃取法将未反应的二乙醇胺与生成二乙醇胺硼酸酯进行分离，通过大量的实验与分析，选择四氢呋喃当做萃取剂可以获得良好效果。从实验结果来看，四氢呋喃可以很好地溶解二乙醇胺，还不会对产物造成过高的溶解度。提纯完成之后使用旋蒸的方式去除残留的四氢呋喃，可以获得纯度较高的二乙醇胺硼酸酯。

1.2 十二碳二酸二酰胺二乙醇胺硼酸酯的合成步骤

使用21.8g的二乙醇胺硼酸酯，十二碳二酸二甲酯用量为14.19g，取原料物重1%的KOH加入到反应装置中，将温度设置为130℃，反应时间为6h，反应完成后开启真空，利用减压蒸馏对过量十二碳二甲酯与少量甲醇进行处理，获得淡黄色黏稠状液体，之后在真空的环境下，使用80℃温度对其进行干燥，之后使用0.1mol/L盐酸滴定，纯度为96.32%。从初步的实验结果分析可以看出，会对反应产生较大影响的因素包含温度、时间。

1.2.1 反应温度对DAB合成产生的影响

在实验过程中，使用高温蒸发的方式，可以将体系中含有的甲醇带出，从而加快反应速度，同时酰胺的反应需要达到相应温度才能完成。因此将物质的量比设定为1.2/2，反应时间为6h，对120～150℃范围中温度对反应产生影响进行观察。从结果可以看出，若反应温度较低，会带出较少的甲醇量，部分反应物没有参与到反应中。温度提升，甲醇带出速度加快，反应的转化率大幅提升，产物的颜色转换为淡黄色，说明反应进行的十分充分。但温度若超过140℃[2]，反应蒸发带出的甲醇量开始降低，产物的颜色逐渐加深，粘度增加，收率减少，说明温度超过140 ℃时，会增加副反应，因此温度130℃较为适宜。

1.2.2 反应时间对DAB合成产生的影响

从实验结果可以看出，反应时间的增加，甲醇量会逐渐提升。但反应时间超过6h，反应蒸的甲醇量并不会有太大波动，反应收率也不会出现明显变化，因此反应的最佳时间为6h。

2 水基防锈剂的性能测试

2.1 水基防锈剂防锈性能实验方法

2.1.1 单片实验

称取不同质量的试样，精确单位至0.1g，将其放置在100mL具塞量筒中，之后在其中加入蒸馏水到刻度线位置，塞紧后摇匀1min，超声振动30min。依据该方法对不同浓度的水溶液试样样品进行配置，将蒸馏水当做空白对照，每组的浓度使用两块一级灰口铸铁进行平行实验。依据相关标准，实验中使用的基材为一级灰口铸铁，试片的尺寸为φ35×20mm。利采用氧化铝砂纸打磨一级灰口铸铁直至表面光亮，之后使用金相砂纸继续打磨。打磨完成后，将脱脂棉蘸取无水乙醇擦拭铸铁打磨部分3次，然后使用脱脂棉蘸取丙酮擦拭打磨部分3次直至表面油污被彻底去除，并用吹风机吹干。取配置完成的防锈剂，按照梅花样在处理完成的铸铁打磨面滴五滴放水溶液，将滴液的直径控制在4～5mm范围中，之后将铸铁试片放置在装有蒸馏水的干燥器隔板上，不能将孔堵住，加盖后放置在温度为35±2℃的恒温箱中，之后计时到滴液边缘出现明显锈点后停止，从而获得试样单片不锈时间。

2.1.1 叠片实验

依据相关标准，实验中使用的基材为一级灰口铸铁，试片的尺寸为φ35×20mm。利采用氧化铝砂纸打磨一级灰口铸铁直至表面光亮，之后使用金相砂纸继续打磨。打磨完成后，将脱脂棉蘸取无水乙醇擦拭铸铁打磨部分3次，然后使用脱脂棉蘸取丙酮擦拭打磨部分3次直至表面油污被彻底去除，并用吹风机吹干，置于干燥器中待用。

将处理完的铸铁试片小心平放在干燥器隔板上，将试片的打磨面朝上，使用滴管吸取试液并均匀涂在试片中，使用另一块试片的打磨面与其重叠。关闭干燥器盖，将干燥器放置在温度为35±2℃的恒温器中，开始计时。使用脱脂棉蘸取无水乙醇，将打开后试片表面的防锈试液擦除，立刻观察，直到距试片边缘1mm之内的两叠面发生锈蚀或明显的叠印停止计时，从而获取试样的叠片不锈时间。

2.2 单片防锈性能相关研究

本次实验的测试试片使用了一级灰口铸铁，基于潮湿环境下，测试DBE、DAB对一级灰口铸铁的防锈性能，使用的DBE、DAB的合成工艺为最佳。

2.2.1 二乙醇胺硼酸酯DBE单片防锈实验

随着二乙醇胺硼酸酯浓度的不断增加，通过实验可以看出，不锈时间不会发生明显的变化，不锈时间也很短，约为8h，会发生不同程度的锈蚀，可以看出DBE单独作为防锈剂的性能很差，这与预期的理论符合。

2.2.2 十二碳二酸二酰胺二乙醇胺硼酸酯DAB单片防锈实验

通过实验结果可以看出，十二碳二酸二酰胺二乙醇胺硼酸酯DAB的防锈性能十分优良，单片不锈时间都会超过48h，随着DAB浓度持续增加，不锈时间不会出现明显变化，可以看出DAB单独作为防锈剂，使用1%浓度就可以获得良好的使用效果。

3 叠片防锈实验

从分子结构方面来看，相比于二乙醇胺硼酸酯，DAB中含有多个酰胺基、硼酯基、胺基等，将目前防锈相关理论进行分析，将DAB当做金属防锈剂可以在防锈行业具备广阔的发展前景。在潮湿环境下，对DBE、DAB的叠片防锈性能进行测试，当DBE浓度达到3%时[3]，叠片的不锈时间仅为2h，同时随着DBE浓度不断增加，叠片的不锈时间没有获得改善。将单片、叠片实验的结果综合分析，可以看出二乙醇胺硼酸酯的防锈性能较低。

在相同条件的实验中，加入DAB后，叠片的不锈时间会超过8h，经过DAB浓度持续增加，叠片的不锈时间也会增加。基于防锈剂尽量少添加的原则，添加1%的DAB就可以获得较高的防锈效果。因此从单片、叠片实验结果进行综合分析，结合DAB分子结构，可以表明十二碳二酸二酰胺二乙醇胺硼酸酯具备较高的防锈性能。

4 防锈作用吸附机理分析

5 结论

通过水基防锈剂的制备与性能测试可以看出，十二碳二酸二酰胺二乙醇胺硼酸酯DAB的防锈性能较高，因此使用DAB与其他添加剂进行复配，可以获得防锈、防腐性能很好的水基防锈剂。相信在未来的努力与实践下，水基防锈剂可以获得更高的性能与应用效果，从而促进我国相关行业获得进一步的发展。