研究起步于十年前
2008年,国外研究人员对黑胡椒(black pepper)进行提取,发现黑胡椒提取物对软钢在1.0 mol/L H2SO4中的腐蚀产生了明显的抑制作用,缓蚀率随温度的上升而增大,且为混合抑制型缓蚀剂,在钢表面的吸附满足Temkin吸附等温式。此后,到2018年,研究人员采用电化学法、原子力显微镜、接触角测试及分子模拟理论研究了洋甘草提取物对软钢在1M HCl溶液中的缓蚀作用,800ppm浓度用量时最大缓蚀率为88%,有效成分为甘草素、18β-甘草次酸、甘草查尔酮-A等,分子模拟证实了这些有效缓蚀剂成分分子在钢表面形成了缓蚀膜层,且添加缓蚀剂后钢表面的水滴接触角增大、疏水性增强。肉豆蔻和总序天冬提取物对钢在H2SO4中具有良好的缓蚀作用,可作为环境友好型绿色缓蚀剂。
同年,我国研究人员从一种植物中提取了一种提取物BM,发现其对20A碳钢在5%的盐酸中缓蚀率在99%左右,随着季铵盐X的加入缓蚀率稍有提高,效果并不明显。2017年,又有研究人员从桂花果中提取出缓蚀剂,桂花果提取物在盐酸和硫酸中缓蚀率可以达到93%。苦丁茶提取物属于混合型缓蚀剂,该缓蚀剂对N80钢在含3.5%NaCl和饱和CO2溶液中具有一定的缓蚀作用,能够有效抑制N80钢的腐蚀,电化学法测试得出最大缓蚀率超过90%。芦苇叶表面具有超疏水性,其提取物对钢在0.001mol/L HCl溶液中具有良好的缓蚀性能,最大缓蚀率87%。中草药防己和延胡索提取物对J55钢的腐蚀都具有较好的抑制效果,当加入4%体积比的提取物缓蚀剂时缓蚀效率分别为92.14%和87.15%。
2018年,我国研究人员通过95%乙醇浸提法从猪殃殃草茎叶中提取植物缓蚀剂可明显减缓Q235钢在1mol/L HCl介质中的腐蚀,属阴极控制为主的混合型缓蚀剂。银杏叶提取物对X70钢在盐酸中具有优良的缓蚀性能,缓蚀作用机理为银杏叶中大量的含N、O原子的有机物在钢表面形成缓蚀吸附膜层。
研究体系逐渐完善
1.缓蚀体系研究进展
自2008至今,大量的植物提取物作为钢的缓蚀剂研究报道日益增多,从植物的选择来看,涵盖了森林资源、农作物、中草药、水果皮、食用植物等,可以说选择的范围越来越广泛,从事植物缓蚀剂研究的科研人员亦日趋增多。从研究的溶液介质来看,研究报道较多且缓蚀性能优良的多为无机酸溶液,对于有机酸、中性盐溶液则相对研究较少。
2.提取制备方法研究进展
植物缓蚀剂大部分都是从植物中直接提取有效成分,一般都是把固体植物研磨至粉状,然后采取直接浸泡法或加热回流萃取法来对其中的有效成分进行提取,然而两种方法各有优缺点,直接浸泡法与加热回流萃取法相比操作简单,需要等待时间较长,而加热回流萃取法操作步骤相比于直接浸泡稍微复杂,但消耗时间较短,不需要等待植物自己浸泡的时间,结果表明通过加热回流萃取法提取的提取物效果稍好一些,可能是由于温度原因加热回流使得植物的有效成分溶解的更充分。此外,一些新的提取方法如超声波提取、微波消解法等也开始逐渐受到关注。
3.研究方法进展
植物缓蚀剂研究方法主要分为实验测试和理论研究,实验测试中研究主要有失重法、电化学法和仪器分析测试。电化学法主要有线性极化、极化曲线法、电化学阻抗谱法、开路电位-时间曲线、电化学噪声等。仪器表面分析测试主要有红外光谱法(FT-IR)、X-射线光电子能谱(XPS)、X-射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)等。理论研究方法主要有量子化学计算和分子动力学模拟,通过量子化学计算可以得出缓蚀剂分子的优化结构及其结构参数,然后将这些量化参数与缓蚀性能进行相关分析,进而得出缓蚀构效关系;通过分子动力学模拟可以得出缓蚀剂分子在金属表面的吸附方式和吸附作用力参数等。
4.缓蚀性能影响规律研究进展
植物缓蚀剂的缓蚀性能影响因素除了缓蚀剂浓度、温度、介质浓度、腐蚀浸泡时间等外,还有自身的一些因素如植物样品的采集时间、采集部位、提取制备方法等对缓蚀性能影响产生明显的影响。从大量的研究报道来看,对于缓蚀剂浓度、温度、介质浓度、腐蚀浸泡时间等对缓蚀性能的影响规律已全面深入,但对于采集时间、采集部位、提取制备方法等因素对缓蚀性能的影响规律还需深入研究。
5.植物缓蚀剂的有效成分研究进展
植物缓蚀剂中起缓蚀作用的有效成分一直是植物缓蚀剂研究领域的难点,近年来,随着植物化学的快速发展,植物缓蚀剂的化学成分分析也开始取得较大进展,通过对这些成分的逐级筛选可以得出植物缓蚀剂的有效成分。
6.植物缓蚀剂的协同效应研究进展
为了进一步提升植物缓蚀剂的缓蚀性能,可以将植物缓蚀剂与其他缓蚀剂进行复配。目前,植物缓蚀剂的缓蚀协同研究还是主要集中在与卤素离子进行复配,对于植物缓蚀剂和有机化合物之间的缓蚀协同作用也开始逐步涉及,但由于缓蚀协同作用机理的复杂性,缓蚀协同研究仍然只是初步涉及。
下一步研究聚焦何方
植物缓蚀剂是从绿色植物中提取的缓蚀物质,提取步骤大多较为简单,使用时不会产生危害人体的有毒物质,而且有些植物缓蚀剂的缓蚀对象具有普遍性,可以用于对多种金属的腐蚀防护,这样就提高了植物缓蚀剂的复用性。由于植物缓蚀剂具有这一系列优点,在金属腐蚀问题日益严重的今天,植物缓蚀剂的研究已成为研发环境友好型缓蚀剂的重要途径之一,并成为了缓蚀剂研究领域的热点。植物缓蚀剂的研究为材料学、物理化学、植物学、分析化学、金属学等多个学科领域的交叉研究,在此,对植物缓蚀剂的下一步研究作出以下几个方向的展望:
1.现在的植物缓蚀剂抑制金属腐蚀的介质大部分是在酸性条件下,碱性条件和中性条件下的植物缓蚀剂还有待进一步拓展深入研究。
2.现在针对缓蚀剂的研究大部分是利用红外光谱检测缓蚀剂官能团,扫描电子显微镜观测金属表面缓蚀情况,动电位极化曲线检测缓蚀剂的抑制类型,未来可以在量子化学和分子动力学模拟方面更进一步研究缓蚀剂本身与缓蚀性能之间的关系。
3.植物缓蚀剂的有效成分虽然目前已取得较大进展,但仍然存在许多有待深入研究的问题,有效成分研究仍在相当长一段时间内是植物缓蚀剂的难点和重点。
4.单独的植物提取物的缓蚀性能有限,相关研究发现植物提取物和无机物、有机物进行复配结果会更好,一般会产生缓蚀协同的作用,更有利于对延缓金属的腐蚀,故对于植物缓蚀剂的复配协同研究将是下一步植物缓蚀剂的研究重点。
5.在缓蚀性能的研究中应进一步加强应用原位检测手段对植物缓蚀剂在金属表面的吸附,以便得到缓蚀剂分子在金属表面吸附的直接证据,进而深入探究缓蚀作用机理。
