正辛酸三乙醇胺盐的合成及缓蚀性能研究

王玉超，于维雨

(1.煤炭科学技术研究院有限公司矿用油品分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

全球范围内每年金属材料腐蚀造成的经济损失约占各国国内生产总值(GDP)的3%～4%[1]。较低浓度的缓蚀剂就能有效地抑制金属的腐蚀，是一种可以防止或减缓工程材料腐蚀的化学物质或复合物质[2-3]。缓蚀剂是水基切削液和煤矿液压支架用高含水液压液等水基润滑剂的主要功能添加剂[4-8]。有机缓蚀剂的缓蚀性能与有机分子极性基团的功能有关，这些极性基团主要包括:—CONH、—COOH、—SO3H、—OH、—NH等[9]。

脂肪酸是一类含有长链烷基的羧基化合物，是植物和动物体内一种不可缺少的主要成分。由于脂肪酸是从动植物体内提取，无毒无害，可以生物降解，用该类产品作为缓蚀剂绿色环保。辛酸存在于椰子油、巴西棕搁油、羊脂、鲸蜡油及各种精炼动植物油脂中，其作为食用油脂的一种组分，对人体安全，国内有关正辛酸的研究报道较少，且主要集中在合成酰胺或酯方面[10-11]。煤矿井下考察高含水液压液和金属加工用水基切削液对HT300灰铸铁产品的防锈性能。笔者以正辛酸和三乙醇胺为原料合成了正辛酸三乙醇胺盐，研究其对HT300灰铸铁的缓蚀性能和机理。

1 试验部分

1.1 试验仪器和材料

Nicolet IS5红外光谱测定仪，Thermo Fisher Scientific生产；Metrohm Autolab电化学工作站，瑞士万通生产；C-MAG HS7 控制型加热磁力搅拌器，德国IKA集团公司生产；GHP-9160A型隔水式恒温培养箱，北京陆希科技有限公司生产。

正辛酸(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司生产；三乙醇胺(分析纯)，西陇化工股份有限公司生产；去离子水，试验室自制；HT300灰铸铁，试件规格尺寸为50 mm×25 mm×3 mm，元素质量分数分别为：C为2.980%；Si为1.541%；Mn为0.994%；S为0.027%；P为0.040%；Fe为94.06%。

1.2 样品合成

在温度为80 ℃、合成时间为2 h的工艺条件下，将正辛酸和三乙醇胺按照物质的量比1∶1.6混合，磁力搅拌转速为600 r/min，以升温速度为3～5 ℃/min升至80 ℃，常压下恒温2 h，得到正辛酸三乙醇胺盐。

1.3 红外光谱分析

将样品直接置于样品池内，在(25±0.5) ℃恒温10 min。以空气为参比采用傅里叶变换红外光谱仪对样品进行测试，测试范围为600～4 000 cm-1。

1.4 单片与挂片试验

将HT300试片灰铸铁分别经过120、240目和600目水砂纸打磨后，依次采用去离子水和无水乙醇清洗吹干后放入干燥器中备用。将正辛酸三乙醇胺盐与去离子水配制成质量分数分别为0.04%、0.06%、0.08%和0.10%的溶液，并按照JB/T 7453-2013中规定的方法进行单片防锈试验，用滴管吸取试液，按梅花格式滴入5滴于试片磨光面上，每滴直径约为4～5 mm，试验温度为(35±0.5) ℃。将正辛酸三乙醇胺盐与去离子水配制成质量分数分别为0.04%、0.08%、0.10%、0.12%和0.15%的溶液，按照JB/T 7453—2013中规定的方法进行挂片防锈试验，试验温度为(55±0.5) ℃。

1.5 电化学测试

电化学试验采用三电极系统，工作电极为HT300灰铸铁，辅助电极为石墨电极，参比电极选用银-氯化银电极，极化曲线测量在配制的不同溶液中进行，待试样置于试液中的自腐蚀电位稳定后采用动电位扫描的方法进行极化曲线测试。动电位极化曲线的扫描范围从-300 mV(相对开路电位)扫描到+700 mV(相对开路电位)，扫描速率为1 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

正辛酸与三乙醇胺在80 ℃的反应产物的红外分析结果如图1所示。

2.2 单片防锈性试验

不同质量分数正辛酸三乙醇胺盐溶液的单片防锈试验结果如表1所示。

表1 不同质量分数正辛酸三乙醇胺盐溶液的单片防锈试验结果Table 1 The results of sheet anti-rust tests of salt of caprylic acid and triethanolamine solution with different mass fraction

由表1可知，随着质量分数的增加正辛酸三乙醇胺盐单片试验防锈性能提高，在质量分数为0.06%时，2 h时4滴无锈，4 h时3滴无锈，说明对HT300灰铸铁单片防锈试验已有明显缓蚀性能；在质量分数为0.08%时，单片防锈试验24 h时5滴全无锈，结果为A级。

2.3 挂片腐蚀试验

不同质量分数的正辛酸三乙醇胺盐溶液挂片试验的锈蚀时间如表2所示，挂片试验24 h灰铸铁试件宏观形貌如图2所示。

表2 不同质量分数正辛酸三乙醇胺盐溶液挂片试验锈蚀时间Table 2 The time of the corrosion coupon testing of salt of caprylic acid and triethanolamine solution with different mass fraction

由表2可知，HT300灰铸铁在去离子水中20 min即出现锈蚀点。随着正辛酸三乙醇胺盐质量分数的增加，出现锈蚀的时间逐渐延长，在质量分数为0.15%时，试件出现锈蚀时间为18 h。

从图2中可知，HT300灰铸铁在去离子水中腐蚀均匀，整体呈黑色，因为腐蚀过程中，腐蚀产生的铁锈溶于试验溶液中，仅剩余残碳附着于金属表面；在正辛酸三乙醇胺盐质量分数为0.04%时，以均匀腐蚀为主，出现局部点蚀，残碳量明显减少；在质量分数为0.08%和0.10%时，正辛酸三乙醇胺盐能够减少HT300铸铁试件腐蚀面积，试件以局部腐蚀为主，且腐蚀产生的铁锈更加致密不易溶于试验溶液，从而减缓腐蚀程度；在质量分数为0.12%时仅出现轻微局部腐蚀；在质量分数为0.15%时，试件在24 h出现微量局部腐蚀。说明正辛酸三乙醇胺具备良好的挂片防锈性能。

2.4 腐蚀电化学试验

灰铸铁在不同质量分数正辛酸三乙醇胺盐溶液中的极化曲线如图3所示，灰铸铁在不同质量分数正辛酸三乙醇胺盐溶液中的极化曲线拟合数据如表3所示。

从图3中可以看出，HT300灰铸铁在去离子水中的自腐蚀电位为-686.1 mV，随着正辛酸三乙醇胺盐质量分数的增加，HT300灰铸铁腐蚀阴极极化作用不明显，而阳极极化曲线部分向低电流密度方向移动，说明正辛酸三乙醇胺盐对阳极反应有抑制作用，属于阳极型缓蚀剂。正辛酸三乙醇胺盐质量分数为0.1%时，自腐蚀电位偏移至-241.1 mV，幅度达到+445 mV，腐蚀电流从9.002×10-6A/cm2降到1.468×10-6A/cm2，缓蚀率为83.7%；当质量分数为0.2%和0.4%时，自腐蚀电位分别为-190.1、-188.8 mV，自腐蚀电流分别为0.865×10-6、0.849×10-6A/cm2，且分别在电位区间为-180～+200 mV和-180～+550 mV有明显的钝化现象，在该区间体系的电流密度趋于平缓，基本不随电位增加。说明正辛酸三乙醇胺盐在水中对HT300灰铸铁有钝化作用，通过影响腐蚀电流密度对其进行缓蚀。

3 结论

(1)在正辛酸和三乙醇胺物质的量的比为1∶1.6、反应温度为80 ℃、反应时间为2 h的条件下，可获得水溶液稳定性和缓蚀性良好的正辛酸三乙醇胺盐。

(2)正辛酸三乙醇胺盐在质量分数为0.06%即具有明显防锈性能，质量分数为0.08%单片试验24 h时结果为A级。

(3)从空白试验到正辛酸三乙醇胺盐质量分数增加至0.15%，挂片腐蚀试验出现腐蚀点时间从20 min延长至18 h。在质量分数为0.08%和0.10%时，腐蚀以点蚀为主；质量分数为0.12%时挂片腐蚀试验腐蚀明显减少。

(4)正辛酸三乙醇胺盐能够使HT300铸铁的自腐蚀电位正向偏移，通过对HT300铸铁腐蚀阳极反应的抑制作用起到缓蚀效果。当正辛酸三乙醇胺盐质量分数分别为0.1%、0.2%、0.4%时，HT300灰铸铁的自腐蚀电位从空白实验的-686.1 mV偏移至-241.1、-190.1 mV和-188.8 mV，缓蚀率分别为83.7%、90.4%、90.6%；且当质量分数为0.2%和0.4%时，分别在电位为-180～+200 mV区间和-180～+550 mV区间有明显的钝化现象。