环保型低成本AZ91D镁合金缓蚀剂研究

摘要

轻金属（密度均小于4.5g/cm3的金属）的概念自从被人们提出以来，铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡就受到了人们的广泛重视。与重金属相比，轻金属材料的毒性往往比较低，只有在大量累积时才会表现出一定的毒性，与人们对环境保护的要求吻合。其中，以镁元素为基加入其它金属元素形成的镁合金，因比强度和比刚度高、散热性和机加工性优良，成为轻金属材料中最实用一种。与已经大规模生产应用的铝合金相比，镁合金在耐冲击载荷方面的性能更好，同时对有机物和碱的耐蚀性也更强，因此在不久的将来，镁合金极有可能替代铝合金应用于多种基材。
　　 作为碱土金属的一种，镁的化学性质十分活泼。在25℃的酸性溶液中，其标准电极电势为-2.372V，仅高于轻金属材料中的钡，呈现极强的还原性。对于镁合金而言，由于添加有多种不同的金属元素，镁与不同金属元素形成的多相组织间会出现明显的电势差，导致镁合金加速腐蚀，这一缺陷大大限制了镁合金的应用，成为镁合金材料发展的瓶颈。现阶段，针对镁合金的腐蚀防护研究有许多，向腐蚀介质中添加缓蚀剂来减缓镁合金的腐蚀是最为有效的方法之一。
　　 缓蚀剂是添加在环境介质中有效抑制金属腐蚀的物质，其中一类是含有N、O、S等原子的有机化合物，N、O、S等原子比C具有更强的电负性，在整个有机分子中会表现为负电，而金属表面的腐蚀会使金属表面带上正电。在静电作用下，带有负电的N、O、S作为吸附位点与镁合金表面发生吸附作用，而含C的-CH3等疏水基团由于带正电被静电作用排斥在外侧，在镁合金表面形成吸附层。疏水基团会阻止水溶液中的腐蚀性离子的进攻从而减缓腐蚀的发展。另外一类是无机盐类化合物，其通过无机盐的阴离子基团与腐蚀产生的镁离子结合形成沉淀层，进而阻止腐蚀的发生。
　　 现在应用于镁合金的缓蚀剂多为重金属盐类和杂环类的化合物，这些物质虽然能对镁合金的腐蚀产生一定的抑制效果，但其高毒性、高成本都在很大程度上阻碍了这类缓蚀剂的生产应用。在环境污染日益严重的今天，人们对环境保护的要求也越来越高，高毒性的化合物的应用受到了严格限制，因此对环保型镁合金缓蚀剂的研究是一项十分重要的工作。
　　 论文研究了海藻酸钠与硅酸钠对AZ91D镁合金在3.5wt.％NaCl腐蚀介质中的协同缓蚀效果。采用了固体荧光光谱、傅里叶红外光谱对镁合金试样的表面化学成分进行了分析。光谱测试表明海藻酸钠在镁合金试样表面发生了吸附作用。基于电化学测试，对海藻酸钠与硅酸钠的缓蚀效率、协同作用系数进行了计算，表明两者存在较好的协同作用关系，当两者联合使用时，缓蚀效率达到98.56％，对AZ91D镁合金在3.5wt.％NaCl溶液中的腐蚀提供了有效的抑制。作者认为对海藻酸钠-硅酸钠这种环保型的协同缓蚀剂研究具有很重要的意义。
　　 由于吸附型缓蚀剂具有低成本、低毒性、便于工业化生产的特点，论文研究了十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、海藻酸钠与卡拉胶四种吸附型缓蚀剂，利用电化学的方法计算了四种缓蚀剂在一定添加浓度范围内(0～1600ppm)对AZ91D镁合金在3.5wt.％NaCl腐蚀介质中缓蚀作用，并结合Gaussian与NBO计算化学软件，计算了四种缓蚀剂的分子结构和电负性，讨论了缓蚀效率与吸附位点、空间位阻的对应关系，并证明缓蚀剂分子的空间结构是影响缓蚀效果的关键因素。最后，通过向腐蚀介质中添加甲磺酸培氟沙星，利用其增强吸附的作用，促进了缓蚀剂在试样表面的吸附，进一步抑制了试样的腐蚀。作者认为，通过计算化学的方法讨论影响吸附型缓蚀剂缓蚀效率的主要因素，为以后环保型镁合金缓蚀剂的研究设计提供了有力的指导。