浅析环保型水溶性防锈剂的研究与性能测试

贾进营 郭国伟 范海玲

1 河南青山环保科技有限公司，河南 郑州 450000

2 郑州啟杉防腐防护新材料技术研究院，河南 郑州 450000

钢铁作为工业生产的重要材料，在生活当中的应用也十分广泛。基于极大的应用需求，如何保障钢铁生产效率，避免过度锈蚀造成的经济损失，是工业研究和生产工作的重点。钢铁暴露在环境中，通常采用的办法是利用水溶性防锈剂进行防护，能够很好地实现金属的防锈，且随着研究应用的不断深入，黑色金属与有色金属均能够很好地受益。问题在于，传统的水溶性防锈剂对于环境会造成一定破坏，对人体健康造成不同程度的损害，严重的能够致癌。将环保友好型作为研究方向，实现环保型的成品研究与应用，同时降低生产成本，对于多方利益来说均十分被看好[1]。本研究以硅酸钠、三乙醇胺、硼酸、乙二胺四乙酸和钨酸钠作为原料，经测试能够达到以上的目标效果。

1 国内外的研究成果分析

1.1 国外研究成果

从美国方面来看，在制作防锈剂的原料中，因亚硝酸钠的成本较低，来源比较广，实际成品的功效突出，推广到市场上较受好评。到1976 年，美国相关研究学会对于该成品进行了学术质疑，尤其对于亚硝酸钠产生的负面效果来说，较其他原料更具毒性，甚至因很强的致癌基因造成人们的器官癌变。因实际后果趋于恶化，环保部门也对其环境破坏性提出质疑，随后亚硝酸钠在水基液当中的应用就被禁止，法律直接规定该原料不得用于制作防水防锈剂。其后，美国致力于环保型防锈剂的研究，以新型水溶性防锈剂的研制为目标，将烷基和卤代基等作为原料，加上烷氧基、硼酸盐和硼酸酯等，通过组合实验及排除优化的办法，最终明确了将烷基一元与多元羧酸作为生产原料，结合相应衍生物的组合配比，制作出了新型的环境友好型的水溶性防锈剂，在此基础上，能源利用和污染排放方面的成效也更为突出，受到环保部门的肯定[2]。

从日本方面来看，日本也经历了非环保型向环保型转变的探索过程。1977年以前，日本广泛应用的水溶性防锈剂当中也以亚硝酸钠为主要原料，日本机械振兴协会在技术研究当中，明确了亚硝酸钠同样出现致癌效果，检测到的致癌物质N－亚硝基二乙醇胺不仅造成人体损伤，致癌效果尤为突出。随后，日本也据此对亚硝酸钠为原料的防锈剂制作叫停，禁止亚硝酸钠作为水基液的原料，且对其在其他化工领域的应用也进行严格监管。结合美国的研究成果，日本也在研发当中对其他原料的应用效果进行测试分析，卤代基、萘酸类原料也曾作为配比部分，最终形成了环保效果好、除锈效果突出的水溶性防锈剂。

1.2 国内研究成果

1984年，我国也关注到了防锈剂的环境污染和人体损害等负面效果，对于其制作原料中的亚硝酸钠、亚硝基胺的致癌性进行分析并最终确定，在环保部门的督促下，相关生产企业在原料的使用上也有了严格的限制，亚硝酸钠的应用与排放均要在严格的监管之下。虽然我国将替代亚硝酸钠作为研究的目标，也在实际研制上开展了大量工作，但因当时技术限制，实际推广也面临不小的困难，90 年代的相关工作未有突出成果。近年来，随着社会环保意识的不断强化，加上环保部门在环保监管工作上的不断努力，相应工作的研制越来越多，不仅大学院校和科研机构在学术方面有相当的准备，企业的配合与支持也使得研究推广工作有了长足进步[3]。三乙醇胺、苯甲酸钠、硼酸、四硼酸钠、钨酸钠和碳酸钠、葡萄糖酸钠等均被纳入实验研究当中，交互配比实验成果也颇为丰富。

2 环保型水溶性防锈剂的研制要求

2.1 环保性与防锈性为基础

基于研究方向为环保型水溶性防锈剂的研制，故研究的关键与基础就在于成品的环保性与除锈性的兼得。在防锈性方面，可供选择的多种化合物均能达到防锈效果，包括正辛酸单乙醇胺和三嗪三氨基己酸钠，防锈效果显著，壬二酸酰胺钠的试验应用结果也同样突出。在实验选择中做好原料配比，就能得到很好的防锈效果。在此基础上，在明确取代亚硝酸钠的同时，避免选取其他环境破坏型原料，对每项化合物单个效用及组合效用进行具体分析，剔除潜在的环境威胁，保证优异防锈性的同时确保突出的环保性[4]。

2.2 抗硬水性与抗杂油性

在实际成品应用中，水溶性防锈剂应确保不会在环境和生产环节中遭受排异导致无法发挥防锈效果。尤以硬水与杂油，作为潜在的生产环节应对物，化合物原料配比应起到对抗作用，保证基础功效的发挥。

2.3 微生物稳定性

在应用当中，防锈剂还会面临微生物的威胁。如微生物作用下可能造成防锈剂出现变色，严重的造成发霉变质，气味恶化，对于应用体验造成损害之外，还可能导致防锈剂不再具备防锈功能。另外，微生物的繁衍物还可能造成金属设备的腐化，导致设备无法正常工作。实现微生物的稳定性，确保良好的使用效果，让水基液具备更长久的使用寿命，在保证防锈剂实际作用的同时，在废液排放时也能避免微生物及其衍生物带来的环境破坏[5]。

2.4 废液可处理性

废液可处理性的实现，也就是在微生物稳定性实现的基础之上，通过化合物配比实现环保性，让应用到水溶性防锈剂的工厂在进行废液排放时不因污染物影响，可在相应的处理手段下实现废液的有效排放，减少甚至避免造成污染物排放。

3 环保型水溶性防锈剂的评定与性能测试

3.1 水溶性防锈剂的评定方法

首先，在防锈剂的防锈性能评定上，将GB/T 6144-2010 作为参考依据，通过防锈剂作用于铸铁上的反应，分析其防锈效果。铸铁应确保其材质达标，以一级灰口为准，设定实验环境，使得环境的温度和湿度均在标准实验范围，以(35±2)℃为温度设定值，95%为湿度设定值，实验时间以24 小时为标准时间区间，并设定单片与叠片的试验时间。在实验稀释剂的选择上，避免水质影响，将蒸馏水作为实验稀释原料。同时，为明确实验各化合物的剂量，通过初步的筛查工作，将亚硝酸钠作为参照，筛取硅酸钠、三乙醇胺和硼酸，结合乙二胺四乙酸和钨酸钠，以亚硝酸钠为对比参照，依据实验标准进行试片处理，经冷风干化处理，并利用滤纸进行包装，用干燥器作进一步的干化处理，于处理完成的24 小时后作实验标的。将各实验防锈液对试验标的表面进行滴涂，再回到干燥器内作干化处理，记录实验时间。各实验标的的观察记录准确并作分析，得出各单叠片的腐蚀级别[6]。此外，可通过盐水浸泡实验的方法作为对比实验，实验方法为，将铸铁片同样用HG/T3523-2008所示方法处理好，然后浸入制备好的试剂中，约1h 后取出，晾干，浸入3%的盐水中，连续观察并且记录锈蚀情况。

其次，在以上实验研究基础上，进一步确定水溶性防锈剂的防锈性能评定。选取目标原料合成水溶性化合物，包括以烷基一元和多元羧酸等，结合硅酸钠、三乙醇胺和硼酸等的对比参照，以上述研究路径作进一步的实验分析，明确评定结果并作对比。组成的数十种化合物当中，硅酸钠、三乙醇胺和硼酸的防锈性能突出，相较亚硝酸钠的性能也十分优异，尤其在水中的试验环境下，防锈剂的试验效果也十分突出[7]。

3.2 水溶性防锈剂的性能测试

水溶性防锈剂的性能测试需经过几个参数实现，包括目测观察、设备测试和大气腐蚀试验检测等。

首先，对水溶性防锈剂进行目测法测试，观察其透明度，对液体的均匀度进行分析。依据相应标准，需确保其达到均匀和无分层的要求，在杂质和沉淀物等含量方面也依据标准，能够通过初步的测试。具体来说，防锈剂应当为无色透明状态，液体无分层且质地均匀，无杂质且无沉淀。

其次，通过周期内的观察，对防锈剂的稳定性进行测试。将防锈剂放置在室温状态，以14 天为观察周期，如过程中且结束后防锈剂均呈现为均匀透明无异变状态，则其符合稳定性要求并达到相应的应用合格标准。

此外，运用金相显微镜对防锈剂作细微观察，利用试片进行涂抹和未涂抹的对照观察，通过试片表面形貌的观察，得出水溶性防锈剂能很好地覆盖试片表面，不出现基体裸露现象，结成的膜层能均匀分布，不出现浑浊和流挂情况，则通过该测试步骤。

同时，运用专门设备做极化曲线测试，PA R STAT-2273型电化学工作站能很好地完成该测试步骤。运用三电极对测试样本进行电极测试和扫描，工作面积为1cm2。电解液为3.5%的氯化钠水溶液。扫描速率为5 mV/s，正弦波激励信号为 5mV，扫描频率范围为100kHz ～10mHz。实验得出试片的防锈性能，对比得出防锈性能的最优配比。

3.3 性能测试结果分析

研究测试得出，将硅酸钠、三乙醇胺、硼酸、乙二胺四乙酸和钨酸钠作为原料制备的防锈剂符合实验的相关标准要求，在各性能要求方面均达到标准。通过对比分析，明确该配比下水溶性防锈剂能很好地成膜，试片表面均匀无裸露，试片表面生成的保护膜达到了腐蚀介质的良好抵抗作用，在实验环境乃至大气环境下，不仅性能达标，防锈效果也实现了最好。需明确的是，经实验对比，防锈剂应与适当的水进行稀释，能够对防锈期限进行调控，满足目标期限。经过该配比制作的防锈剂，作化学抛光处理能够很好地实现防锈和除锈，金属表层光亮且平整，而且长时间质地稳定，不会对金属产生锈蚀作用，不出现裂纹，确保金属质地的良好品质，确保金属产品的完整性[8]。

该测试结果之下生产出的水溶性防锈剂，能够达到环保性目标。对于实际生产的防锈剂成品而言，使用该环保型水溶性防锈剂可以安全、经济地防止锈蚀。只需涂一层，就可以通过使用水性防锈剂来实现腐蚀控制，该防锈剂包含用于室内和室外储存条件的平衡防锈体系。研究得到的环保型水溶性防锈剂为稳定、不易燃、无毒、不可逆的溶液，易于施工，排水快，干燥快。尽管它们通常会干燥成透明或半透明的棕色薄膜，需要的话，可以将这些防锈产品做成不同颜色。这种水基防锈剂可以对从非常软到非常硬的不同硬度金属材质进行腐蚀防护。该防锈涂层可以通过刷涂、喷涂或浸涂来施工。环保型水溶性防锈剂减少了施工前的复杂清理工作，如果使用了喷涂设备，可使前清理、防锈施工、后整理系列施工流程一气呵成。

4 结语

环保型水溶性防锈剂的测试与研究，通过对数种化合物的配比分析，利用多种测试方法，选择出能够很好替代亚硝酸钠的防锈剂。研究得出的防锈剂不仅在化合物微生物的稳定性方面表现突出，结合合成反应以及进一步的复配优化，实现了防锈功能突出的水溶性防锈剂的制备。该防锈剂无毒，稳定性强，应用在金属防锈操作中也能很好地施工，干燥过程快，产生的废液无污染，在工厂节能减排应用中有很好的效果，在环保性的实现上也能达到预期，更为未来的水基液新品种研发提供了更多的可能性。