绿茶提取物作为酸洗缓蚀剂的性能研究

摘 要： 在众多金属防腐方法中，缓蚀剂具有用量少、效果明显、方便经济等优点，备受研究人员的关注，而近年来，植物提取物由于其来源广泛，绿色环保等优势更是研究热点。使用超声提取法从绿茶中提取活性物质作金属酸洗缓蚀剂，采用了失重法探究了其在1mol·L-1HCl溶液中对碳钢片的缓蚀作用，并通过单因素实验和正交实验（L9（33））探究不同温度、不同时间和不同绿茶提取物浓度下对碳钢片的缓蚀效率，为后续工作提供一定的数据支撑。通过实验发现，在实验温度为30℃，作用时间为10h，缓蚀剂用量为0.16mg·mL-1时，具有良好的缓蚀效率，可以达到88.60%。最后通过红外表征初步探讨了其缓蚀机理。

关 键 词：超声提取； 绿茶； 缓蚀剂； 正交实验

中图分类号：TG174.42文献标志码： A 文章编号： 1004-0935（2024）08-1186-05

碳钢作为一种重要的合金材料，由于价格低廉，具有良好的可塑性与加工性等优点在人类生产、生活中发挥着重要作用[1]。但是无论在哪个领域的应用中，碳钢的腐蚀都无法避免，而腐蚀不仅会对工业设备等造成巨大损害，给经济带来损失，还会带来重大生产安全事故隐患，对自然环境造成巨大影响[2]。

经过多年的研究，常见地减缓金属腐蚀方法有：覆盖层保护、电化学保护、缓蚀剂保护等。在众多金属缓蚀的方法中，缓蚀剂保护法[3]由于用量少，效果佳与种类多样及利于修饰性强等优点备受研究人员的青睐。截至目前[4]，国内外已经发现了许多性能良好的金属缓蚀剂，而近年来，植物提取物由于其来源广泛，绿色环保等优势更是研究热点。经实验研究，发现天然植物中存在许多如生物碱和黄酮等减缓腐蚀的有效活性物质成分，与有机合成缓蚀剂相比，植物缓蚀剂具有价格低廉，来源广泛，可再生，无毒无污染等显著优点，有着广泛的应用前景[5]。

国家统计局网站数据显示：2022年，中国茶叶产量达到335万吨，占据全球茶叶市场的45%，而其中绿茶更是占比高达60%。茶叶在冲泡饮用过程中，溶入茶汤的成分是有限的物质，就算是用于速溶茶、茶饮料和功能成分产品生产的提取物也只占茶叶干重的30%。而对于经过加工的茶渣废料，往往采取的方式是直接填埋，忽视了其中的价值。在国外已有将红茶[6]，金针藤[7]、毛竹叶[8]等植物提取物进行缓蚀研究，国内也有对茶籽壳[9]、苦丁茶[10]，以及其他种类缓蚀剂[11]进行缓蚀性能研究的报道。但是在缓蚀领域中，人类追求高性能缓蚀剂的主题永不过时。

本文采用超声辅助法提取绿茶缓蚀剂，不仅减少溶剂用量，缩短提取时间，还在一定程度上保持绿茶提取物的活性，实验方法简便，提取效率高[12]。通过失重法研究绿茶提取物的缓蚀性能，并利用单因素法、正交实验法和红外表征初步的探讨和分析其在盐酸溶液中对碳钢的吸附行为及作用机制。

1 实验部分

1.1 实验材料

绿茶，来源于四川省汶川县。

95%乙醇、盐酸、无水乙醇、丙酮，分析纯，所用水为蒸馏水。

钢片（10mm×10mm×1mm，Q235）。

1.2 实验方法

1.2.1 超声提取法

将材料绿茶烘干粉碎，过60目（250 μm）筛，采用超声波技术，提升物质分子的运动频率和速度，增强溶剂的穿透力，从而提高提取物的溶出速率。本文最终选取纯度95%的乙醇作为溶剂，超声功率为500W，温度为60℃，超声时间为2h，利用空化效应对茶叶进行超声波提取[13]。

1.2.2 单因素法

在预实验的基础上，探讨了缓蚀剂浓度、缓蚀温度以及时间对缓蚀效率的影响。

1.2.3正交实验法

根据单因素实验结果，以碳钢片的质量损失为指标，采用缓蚀时间（A）、缓蚀温度（B）、缓蚀剂不同浓度（C）作为考察因素，选择其中最具有代表性的三组数据（由实验数据分析得），进行正交实验方案。设计如表所示。

1.2.4失重法

将预先切割好的碳钢片进行打磨抛光，在蒸馏水和无水乙醇洗净烘干后用分析天平进行称重，记录碳钢片的质量，再放入腐蚀介质中进行反应，最后将碳钢片表面清洗干净，烘干后再次称重，最后两次测量值差值不大于0.2mg。

1.2.5红外表征法

使用傅里叶红外光谱仪（Thermo Scientific Nicolet iS20）对绿茶提取物和缓蚀产物进行表征，使用溴化钾压片，在波数4000～400cm-1扫描16次。

2 实验结果与分析讨论

利用公式对绿茶缓蚀剂的缓蚀效率进行计算[16]：

式中：η为—缓蚀效率，%；

Δm0—不含绿茶缓蚀剂的碳钢片的平均失重，mg；

Δm—含绿茶缓蚀剂时的碳钢片的平均失重，mg。

所有实验平行3次。

2.1 单因素探究

2.1.1 绿茶缓蚀剂浓度对缓蚀效率的影响

准备6个150mL洁净干燥的烧杯，分别倒入100.00mL浓度为1mol·L-1的盐酸溶液，将各烧杯中分别加入0、10.0、12.0、14.0、16.0和18.0mg的绿茶缓蚀剂，利用超声波进行辅助溶解。将碳钢片用细绳悬挂，浸没在腐蚀介质中。将烧杯放入30℃的水浴锅中反应6h，探究绿茶缓蚀剂浓度分别在100、120、140、160和180mg·L-1时对其缓蚀效率的影响。

如图1所示，缓蚀剂的缓蚀效率会随着绿茶缓蚀剂浓度的增加整体上呈现出上升的趋势，以120mg·L-1为分界点，在浓度低于该点时，缓蚀效率增长幅度较大；当浓度高于该点时，变化幅度较小。在140mg·L-1时缓蚀效率达到一个最高点。结合相关文献分析[13]，当缓蚀剂的浓度增大时，其中具有的缓蚀成分的含量增加，其缓蚀性能同样增强，在质量浓度达到140mg·L-1及以上，绿茶缓蚀剂在碳钢表面的吸附达到饱和，缓蚀性能达到稳定，此时的腐蚀速率和缓蚀效率趋于平衡。

2.1.2 缓蚀温度对绿茶缓蚀剂缓蚀效率的影响

准备6个150mL洁净干燥的烧杯，分别倒入100.00mL浓度为1mol·L-1的盐酸溶液，各烧杯中均加入12.0mg的绿茶缓蚀剂，利用超声波进行辅助溶解。将碳钢片用细绳悬挂，浸没在腐蚀介质中。将AB两组对应放入提前设置好温度的水浴锅中腐蚀6h，探究实验水浴温度分别在20、30、40、50和60℃时对缓蚀效率的影响。

由图2可知，随着反应温度的升高，绿茶缓蚀剂的缓蚀效率呈现先上升后下降的趋势，在温度为30℃时达到最高点，此时绿茶缓蚀剂的缓蚀效率为87.79%。结合相关文献分析[14]，升高温度会使得缓蚀剂中的分子活性增强，在碳钢片上的吸附能力增强。当温度超过了一定条件，碳钢片的腐蚀速率就开始大于缓蚀速率，缓蚀剂分子在碳钢片上的吸附速度小于脱落速度，碳钢片表面的吸附膜逐渐遭到破坏，导致缓蚀效果降低，所以温度过高不利于绿茶缓蚀剂在碳钢表面的吸附。

2.1.3 缓蚀时间对绿茶缓蚀剂缓蚀效率的影响

准备6个150mL洁净干燥的烧杯，分别倒入100.00mL浓度为1mol·L-1的盐酸溶液，将各烧杯中均加入12.0mg的绿茶缓蚀剂，利用超声波进行辅助溶解。将碳钢片用细绳悬挂，浸没在盐酸介质中。将AB两组对应放入提前设置好温度的水浴锅中，探究实验腐蚀时间分别在2、4、6、8和10h对缓蚀效率的影响。

由图3可知，随着时间的增加，绿茶缓蚀剂的缓蚀效率也在增加，最终缓蚀速率的增长幅度逐渐变小，缓蚀效率渐渐靠近88.0%。说明在2～10h的过程中，缓蚀剂分子逐渐在碳钢片表面形成致密的吸附膜，减少了盐酸介质与碳钢片的接触位点，缓蚀速率大于腐蚀速率[15]，结合本文数据发现，短时间的反应对绿茶缓蚀剂的缓蚀性能无多大影响。

2.2 正交实验结果及验证

2.2.1正交实验结果

采用正交实验法，以单因素实验为依据，选取了影响缓蚀效率的最佳工艺参数：缓蚀温度（A）、缓蚀时间（B）、缓蚀剂浓度（C），采用L9（33）正交实验。结果及分析见表3。

从表2中的极差分析可知，对绿茶缓蚀剂的缓蚀效率的影响程度大小主要是缓蚀温度>缓蚀剂浓度>缓蚀时间，也就是A>C>B；对A（缓蚀温度），次序为A2>A1>A3；对B（缓蚀时间），次序为B3>B2>B1；对C（缓蚀剂浓度），次序为C3>C2>C1。所以A2B3C3是最佳缓蚀组合，即缓蚀温度为30℃，缓蚀时间为10h，缓蚀浓度为160mg·L-1。

2.2.2验证实验

在使用超声波长时间提取的工艺优化方案中，选择最佳方案进行验证实验，即缓蚀温度为30℃，缓蚀时间为10h，缓蚀剂浓度为160mg·L-1，平行做3次缓蚀实验，如表4所示，得出绿茶缓蚀剂的缓蚀效率为88.51%，相对平均偏差为0.064%（＜0.1%），得出此最优方案具有可行性。

2.3 缓蚀机理研究

为了初步探究绿茶缓蚀机理，采用了傅里叶红外光谱对绿茶提取物以及与金属作用后的粉末进行了红外表征，由图4可以发现，绿茶提取物出峰位置较为典型，在3300cm-1左右有较多出峰说明绿茶提取物中具有较多的游离羟基，这可能是因为提取物中存在较多的茶多酚的缘由，也正是这个原因，其1600 cm-1和1470 cm-1附近出茶多酚环上的骨架变形振动，而与金属作用后的，此两处的振动峰变化较大，说明了游离羟基与碳骨架可能与金属反应参与了配位成膜。

3 结论与展望

本实验以绿茶为原料，利用超声提取法制备了绿茶缓蚀剂，采用单因素法探讨了缓蚀剂浓度、缓蚀剂温度和缓蚀剂时间对绿茶缓蚀剂缓蚀作用的影响。经正交实验设计，在30℃，10h，160mg·L-1的缓蚀剂浓度下，其缓蚀率最高可达88.60%。本论文所提供的数据可以作为日后绿茶资源开发的实验依据。此外，利用单因素与正交的方法研究化合物的缓蚀性可以为缓蚀的研究提供新思路。

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