1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用

摘要

本发明公开了一种1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用，其方法为：将钢铁浸没于含有上述1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体缓蚀剂的酸液中，对钢铁进行清洗。本发明的有益效果为：离子液体作为缓蚀剂，极易溶于水等生产中常见溶液，有利于在使用中的渗透；与常用的无机缓蚀剂相比，对环境和生物没有毒害作用，弥补了现有缓蚀剂毒副作用大的不足；本缓蚀剂可有效抑制钢铁材料在酸性介质中的腐蚀反应，缓蚀效率好。

说明书

技术领域

本发明属于缓蚀剂领域，具体涉及一种1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用。

背景技术

钢铁是现代重要的建筑材料之一，广泛应用于海、陆、空交通运输、桥梁、车辆、机械设备、石油化工、城市建设等诸多领域。钢铁一般需要用酸液洗涤，这样势必会使钢铁材料受到腐蚀，造成浪费。钢铁腐蚀影响设备使用寿命的同时，还造成了生产和生活的安全隐患。采取有效的措施减缓抑制钢铁腐蚀反应的发生尤为重要，添加缓蚀剂就是一种易于操作的有效手段，因其具有用量少、成本低、选材范围广、缓蚀效率高而得到最为广泛的应用。

常用的缓蚀剂分为无机和有机两种。无机缓蚀剂包括亚硝酸盐和铬酸盐等，这类物质使钢铁表面生成钝化膜，阻止钢铁进一步腐蚀；有机缓蚀剂大多数为含N、S、O的有机物，常见的有硫脲及其衍生物、苯并三氮唑及其衍生物等，此类物质通过化学吸附与钢铁表面形成比较牢固的膜，将钢铁基底与周围的腐蚀介质隔离开来，抑制侵蚀性物质对钢铁的腐蚀。但上述现有的缓蚀剂大都具有毒副作用，在生产和使用过程中对操作人员和和生态环境存在较大危害，不满足当今绿色化学的发展要求。因此，环境友好型缓蚀剂成为金属腐蚀与防护领域研究的趋势，如何改善现有生产技术、合成新型无毒高效缓蚀剂是生产、实验亟待考虑的问题。

离子液体是一种绿色环保的有机溶剂，它具有很多独特的性能，在电化学、分离提纯、脱硫、色谱等领域得到广泛应用，但在缓蚀剂领域并没有相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用。1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为缓蚀剂环境友好、溶解性好，用在强酸环境中缓释效果良好，解决了现有缓蚀剂毒副作用大的不足。

本发明是通过以下措施实现的：

一种1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用，适用于用酸液对钢铁表面进行清洗这一过程。其方法为：将钢铁浸没于含有上述1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体缓蚀剂的酸液中，对钢铁进行清洗。这样，在清洗钢铁表面时就会减轻酸液对钢铁的腐蚀，对钢铁起到保护作用。

上述方法中，所述1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体缓蚀剂在酸液中的加入量为0.01g/L-1g/L；所述酸液的浓度为0.1mol/L-1mol/L；所述酸液为稀硫酸或稀盐酸，钢铁浸没在酸液中的温度为20-25℃，浸没时间为3-4小时。

本发明所用到的离子液体为1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐，结构式为：

1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐的制备方法为：(1)将氯代正十四烷和N-甲基咪唑等摩尔混合放入锥形瓶内，然后置于微波炉内加热，微波功率为210w，加热温度为90-100℃，加热方式为间歇式，每隔10s加热一次，每次加热30s，反应液产生黄色分层后停止加热；(2)反应后将反应液放置一段时间直到其变为固体；(3)用丙酮将固体溶解，在5℃下重结晶，抽滤；(4)重复步骤(3)三次得到白色粉末，将白色粉末在30℃下真空干燥12h，即得到纯净的1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体。

1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐为离子液体，水溶性能极好，在较宽的温度范围内不挥发，对生态无毒害，绿色环保。现今，离子液体被用于多个领域，但是在缓蚀剂领域却并未见报道，本发明人经过大量实验研究，得出1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐能满足酸性条件下对钢铁腐蚀的抑制作用，并且效果良好。1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐为含氮杂环化合物，氮原子含有孤对电子，可向钢铁材料的表面铁原子空轨道提供电子进行吸附，形成有机分子膜，将钢铁基底与周围的侵蚀性介质隔离开来，抑制钢铁腐蚀，从而起到缓蚀作用。1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐分子中含有长链取代基，可形成具有一定厚度的分子膜层从而保证缓蚀性能。此外，杂环带正电荷，在作为缓蚀剂应用时，可在钢铁材料上外加负电位，一方面可加速离子液体向钢铁表面的移动利于成膜，另一方面对钢铁材料也是一种阴极保护技术。

本发明的有益效果：离子液体作为缓蚀剂，极易溶于水等生产中常见溶液，有利于在使用中的渗透；与常用的无机缓蚀剂相比，对环境和生物没有毒害作用，弥补了现有缓蚀剂毒副作用大的不足；本缓蚀剂可有效抑制钢铁材料在酸性介质中的腐蚀反应，缓蚀效率好。

附图说明

图1为实施例1中不同浓度的缓蚀剂在0.1mol/L硫酸溶液中25℃的极化曲线；其中，a.不加缓蚀剂，b.缓蚀剂浓度为0.01g/L，c.缓蚀剂浓度为0.1g/L，d.缓蚀剂浓度为1.0g/L。

图2为实施例5中不同浓度的缓蚀剂在0.1mol/L盐酸溶液中25℃的极化曲线；其中，a.不加缓蚀剂，b.缓蚀剂浓度为0.01g/L，c.缓蚀剂浓度为0.1g/L，d.缓蚀剂浓度为1.0g/L。

具体实施方式

下面结合具体实施例及缓释效果对本发明作进一步说明。

1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐的制备方法如下：

(1)称取氯代正十四烷23.2g(0.1mol)、N-甲基咪唑8.21g(0.1mol)，将它们放入锥形瓶内(250mL)，调节微波炉功率为210W，升温至反应温度(90-100℃)，加热方式为间歇式加热，每10s加热一次，每次加热30s，以此循环，直至产生黄色分层后停止加热；

(2)将反应液常温下冷却，一段时间后变成黄色固体；

(3)用丙酮将固体完全溶解，然后放入冰箱内冰冻大约30min(5℃)，然后抽滤；

(4)重复步骤(3)三次，得到白色粉末，然后将白色粉末在真空干燥箱中30℃下干燥12h，得到纯净的样品。

采用电化学测试方法(极化曲线)和挂片失重法对本发明产品的缓蚀性能进行评定，条件：浸泡温度为20-25℃，浸泡时间3-4小时。

1、挂片失重法

实验试件为铁片，依次用800#、1200#、2000#水磨砂纸进行打磨至表面光亮为止。测量尺寸，在丙酮中清洗脱脂，用滤纸吸干，放入干燥器内干燥24h。将干燥后的试件准确称重。将试件用尼龙丝悬挂，浸泡在含有不同浓度的缓蚀剂或无缓蚀剂的稀盐酸或稀硫酸中。试件要全部进入溶液，每个试件浸泡深度要求大体一样，上端应在页面以下20mm。自试件进入溶液时开始记录腐蚀时间，4h后将试件取出，用水反复清洗除去表面腐蚀产物。然后用丙酮清洗滤纸吸干，放在干燥器内干燥24h后称重。

腐蚀速率计算公式：

$v=\frac{m_0-m}{\mathrm{St}}=\frac{\mathrm{\Delta m}}{\mathrm{St}}$

v：试件的腐蚀速率，g/cm²·h；

m₀：试件腐蚀前质量，g；

m：试件腐蚀后质量，g；

S：试件面积，cm²；

t：试件腐蚀时间，h。

缓蚀效率计算公式：

$\mathrm{IE}\%=\frac{v_0-v}{v_0}\times 100\%$

v₀：空白硫酸溶液中试件的腐蚀速率；

v：加入缓蚀剂的硫酸溶液中试件的腐蚀速率。

2、电化学测试

电化学测试采用极化曲线法，测试体系为三电极体系电解池，测试仪器采用德国Zahner公司的电化学工作站(型号Zennium)，电解液为含有不同浓度的缓蚀剂或无缓蚀剂的稀盐酸或稀硫酸。

工作电极为铁电极，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，扫描范围-0.8V-0.4V(所记录电位均相对于饱和甘汞电极)，电位扫描速度为5mV/s。

下述实施例1-6中，a表示酸液，b表示酸液+0.01g/L缓蚀剂，c表示酸液+0.1g/L缓蚀剂，d表示酸液+1.0g/L缓蚀剂。

实施例1

在1L浓度为0.1mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂，然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验，以0.1mol/L的稀硫酸溶液为对照。浸泡温度为25℃，浸泡时间4小时，结果如下：

  编号   失重(Δm/g)   缓蚀效率(％)   a   0.0445   /   b   0.0049   89   c   0.0040   91   d   0.0035   92.1

其中，a.0.1mol/L硫酸；

b.0.1mol/L硫酸+0.01g/L 1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐；

c.0.1mol/L硫酸+0.1g/L 1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐；

d.0.1mol/L硫酸+1.0g/L 1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐；

在100ml浓度为0.1mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂，然后加入实验试片——铁片进行进行电化学测试，以0.1mol/L的稀硫酸溶液为对照。结果如见图2所示。极化曲线测试结果显示，与不加缓蚀剂的酸液相比，加入缓蚀剂后阳极和阴极的腐蚀电流密度大大减小，缓蚀剂可有效抑制钢铁在酸液中的腐蚀；腐蚀电位变化不明显，说明此缓蚀剂同时抑制了阴极反应和阳极反应，是混合型缓蚀剂。

实施例2

在1L浓度为0.5mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂，然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验，以0.5mol/L的稀硫酸溶液为对照。浸泡温度为20℃，浸泡时间4小时，结果如下：

  编号   失重(Δm/g)   缓蚀效率(％)   a   0.2225   /   b   0.0267   88   c   0.0235   89.4   d   0.0213   90.4

实施例3

在1L浓度为0.7mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0).1g/L、1.0g/L的缓蚀剂，然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验，以0.7mol/L的稀硫酸溶液为对照。浸泡温度为25℃，浸泡时间3小时，结果如下：

  编号   失重(Δm/g)   缓蚀效率(％)   a   0.3115   /   b   0.0442   85.8   c   0.0389   87.5   d   0.0345   88.9

通过实验测试获得的缓蚀效率为90％，显示为高效缓蚀剂。

实施例4

在1L浓度为1mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂，然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验，以1mol/L的稀硫酸溶液为对照。浸泡温度为25℃，浸泡时间4小时，结果如下：

  编号   失重(Δm/g)   缓蚀效率(％)   a   0.445   /   b   0.0667   85

  编号   失重(Δm/g)   缓蚀效率(％)   c   0.0623   86   d   0.0534   88

实施例5

在1L浓度为0.1mol/L的稀盐酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂，然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验，以0.1mol/L的稀盐酸溶液为对照。浸泡温度为25℃，浸泡时间4小时，结果如下：

  编号   失重(Δm/g)   缓蚀效率(％)   a   0.0235   /   b   0.00188   92   c   0.0014   94   d   0.00129   94.5

在100ml浓度为0.1mol/L的稀盐酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂，然后加入实验试片——铁片进行进行电化学测试，以0.1mol/L的稀盐酸溶液为对照。结果如见图1所示。极化曲线测试结果显示，与不加缓蚀剂的酸液相比，加入缓蚀剂后阳极和阴极的腐蚀电流密度大大减小，缓蚀剂可有效抑制钢铁在酸液中的腐蚀；腐蚀电位变化不明显，说明此缓蚀剂同时抑制了阴极反应和阳极反应，是混合型缓蚀剂。

实施例6

在1L浓度为1mol/L的稀盐酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂，然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验，以1mol/L的稀盐酸溶液为对照。浸泡温度为25℃，浸泡时间4小时，结果如下：

  编号   失重(Δm/g)   缓蚀效率(％)   a   0.2185   /   b   0.0262   88   c   0.0218   90   d   0.0215   90.2

实施例7

在1L浓度为0.5mol/L的稀盐酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂，然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验，以0.5mol/L的稀盐酸溶液为对照。浸泡温度为25℃，浸泡时间4小时，结果如下：

  编号   失重(Δm/g)   缓蚀效率(％)   a   0.0625   /   b   0.0105   90.4   c   0.0088   91.3   d   0.0076   92

实施例8

在1L浓度为0.2mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐钢铁缓蚀剂(以下简称缓蚀剂)，然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验，以0.2mol/L的稀硫酸溶液为对照。结果如下：

  编号   失重(Δm/g)   缓蚀效率(％)   a   0.0890   /   b   0.0102   88.5   c   0.0088   90.1   d   0.0076   91.4