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硫脲壳聚糖的合成及其对Q235钢的缓蚀行为研究

王清海  
【摘要】:壳聚糖是一种从甲壳类动物的外壳中提取的天然高分子产物,具有环境友好、来源范围广、价格低廉、生物降解性好等优良特点。壳聚糖的分子中含有大量的氨基和羟基,能提供孤对电子,对金属有吸附能力,有作为缓蚀剂应用的潜质,然而壳聚糖本身溶解性较差,导致其缓蚀性能较低,严重限制了其应用范围。因此,研制开发一种环境友好、易溶于水的壳聚糖衍生物缓蚀剂具有重要意义。硫脲作为一种传统的缓蚀剂,本身具有缓蚀性能,但是效果一般,且存在浓度极值现象。若将硫脲引入到壳聚糖上,可以在壳聚糖中引入氨基和硫,增加壳聚糖的活性吸附中心,使其更好的吸附在金属表面,起到更佳的保护效果。为了提高壳聚糖的缓蚀性能和水溶性,本文以降解壳聚糖(CTS)为基体,以环氧氯丙烷为接枝试剂,将硫脲引入到壳聚糖的分子上,合成了水溶性的硫脲壳聚糖(TUCTS).通过单因素实验找到了TUCTS的最佳合成条件:CTS与环氧氯丙烷的物质的量之比为1:4,丙酮与水混合液的体积为250 mL,反应温度第一步为30℃,第二步为60℃, CTS与硫脲的物质的量之比为1:6。通过傅里叶变换红外光谱、元素分析法、核磁共振氢谱和表面性能测试等方法对最终产品的结构性能进行了表征,得到了预期产物。通过失重法、极化曲线法、电化学阻抗法以及表面形貌观察法对TUCTS在1 mol·L-1盐酸溶液中对Q235钢的缓蚀性能和缓蚀机理进行了研究。失重法的实验结果表明,在1 mol·L-1盐酸溶液中,TUCTS比原料壳聚糖以及降解壳聚糖CTS在研究的浓度范围内对Q235钢具有更好的保护效果。25℃时,在TUCTS的浓度到达200 mg·L-1以前,缓蚀率随着浓度的升高迅速增大,与表面张力的分析结果相吻合,继续增大TUCTS浓度,缓蚀率呈现平稳上升的趋势,到400 mg·L-1缓蚀率基本达到最大值。40℃时,TUCTS的缓蚀率曲线与25℃的基本重合。当温度升到60℃时,缓蚀率稍有下降,但在1000 mg·L-1时仍能达到88%。继续升温至80℃时,TUCTS的缓蚀率较低。极化曲线的实验结果表明,在25℃和40℃时,TUCTS的加入能显著抑制Q235钢在盐酸溶液中的腐蚀。TUCTS的加入并未引起缓蚀机理的改变,对电极反应的阴极反应和阳极反应都有较明显的抑制作用,而且抑制程度基本一样。TUCTS的加入引起的自腐蚀电位漂移不大,可以推断TUCTS的缓蚀作用为几何覆盖效应。电化学阻抗的实验结果表明,在25℃和40℃时,电荷转移电阻Rt随TUCTS浓度的增加而增大,缓蚀率也随之提高,说明TUCTS的加入对电极反应起到了阻碍作用。空白盐酸溶液与加入TUCTS后的电化学阻抗谱特征都呈现出近似半圆的简单容抗弧,进一步验证了TUCTS的缓蚀作用为几何覆盖效应。在25℃时,168 h之内,TUCTS在1 mol·L-1盐酸溶液中对Q235钢具有很好的保护效果。表面形貌观察的实验结果表明,在25℃和40℃时,添加TUCTS能显著抑制Q235钢在盐酸中的腐蚀,缓蚀效果非常好:在60℃时,TUCTS对Q235钢的保护效果有所下降,但仍能起到缓蚀作用:继续升温到80℃时,TUCTS对Q235钢在盐酸中的保护效果较差。


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