磷酸-单宁酸混合型铁锈转化剂的作用机理研究【毕业论文】.doc

1、毕业论文 文客久久网 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 磷酸 -单宁酸混合型铁锈转化剂的作用机理研究 学 院： 学生姓名： 专 业： 环境科学 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 文客久久网 目录 引言 . 1 1 材料与方法 . 2 1.1 实验材料 . 2 1.2 实验方法 . 2 1.3 实验流程 . 2 2 工艺研究 . 3 2.1 磷酸存在形式及含量的确立 . 3 2.2 活性金属粉的缓蚀性能 . 5 2.3 单宁酸对成膜 性能的影响 . 6 2.4 亚铁氰化钾对膜性能的影响 . 8 2.5 铁粉对成膜性能的影响 . 9 2.6 金属离子对转化膜性能的影响 . 11

2、2.7 有机酸催化剂的选择 . 12 2.8 缓蚀剂的选择 . 13 2.9 渗透剂的选择 . 14 小结 . 15 参考文献 . 16 致谢 . 17 毕业论文 文客久久网 磷酸 -单宁酸混合型铁锈转化剂的作用机理研究 摘要 铁锈转化剂能省去涂敷前的预处理工作来，并稳 定转化已锈蚀的钢铁表面，是一种经济、方便、环保的表面处理技术。近年来关于铁锈转化剂制备的报道较多，然而有实用性并能产业化的较少，归根到底是缺乏理论支持造成的。因此对铁锈转化剂的作用机理进行研究非常有必要。 本论文以 磷酸、单宁酸为基础原料，添加乌洛托品、甘油等缓蚀剂，以锰离子作为催化剂制取系列铁锈转化剂产品。并对其成膜机理进行

3、探讨，为铁锈转化剂的理论提供参考。 关键词 铁锈转化剂；作用机理；锈蚀；缓蚀剂；催化剂 毕业论文 文客久久网 Study on effect and mechanism of Phosphoric - tannic acid mixed type rust conversion agent Abstract Rust converting agent can save coating pretreatment before work, and stable transformation of rusted steel surface, it is an economical, convenie

4、nt, environmental protection surface treatment technology. In recent years, rust converting agent preparation has been reported more frequently, however, The practical is difference and the energy industry is less, in the final analysis, it is the lack of theory. Thereore, it is very necessary to st

5、udy the mechanism of action of the rust conversion agent. In this paper, phosphoric acid and tannic acid as raw material, adding hexamethylenetetramine, glycerine and other corrosion inhibitor, manganese ion as catalyst, This things produce series of rust converting agent products. And discuss their

6、 film-forming mechanism, provide a reference for the theory of rust conversion agent. Ke y words Rust conversion agent； Mechanism of action； Corrosion 毕业论文 文客久久网 引言 随着现代化工业的发展，钢铁腐蚀与防腐已成为当今世界的一项重大难题。 腐蚀生锈造成了大量资源和能源的浪费，每年都给社会带来 了巨大的经济损失。 为了获得优良的耐腐蚀性能 ,涂装前必须把钢材上的铁锈清除干净 ,否则会由于铁锈的不断膨胀导致漆膜的防腐效果变差 ,因此 ,钢铁的

7、除锈处理是涂装工艺的重要组成部分 ,对防腐蚀涂装的成败起着决定性的作用 1。 但是许多大型建筑 、 桥梁 、 船舶等复杂的钢结构构件在维修过程中由于受施工条件的限制 ， 难以采用机械化施工方法 ， 只能采用手工或电动工具进行除锈 ， 其结果必然有铁锈和各种腐蚀产物的残留 ， 导致除锈质量难以得到保证 、 施工艰难 、 费用巨大 5。在这种实际情况下，人们迫切希望有一种在一定的锈蚀表面上能直接施工而且具 有较好的防锈效果的涂料，这样带锈涂料就应运而生。 铁锈转化剂能省去涂敷前的预处理工作，并稳定转化已锈蚀的钢铁表面，是一种经济、方便、环保的表面处理技术。近年来关于铁锈转化剂制备的报道较多，但是有

8、实用性并能产业化的较少，归根到底是缺乏理论支持。因此对铁锈转化剂的作用机理进行研究非常有必要。 毕业论文 文客久久网 1 材料与方法 1.1 实验材料 1. 仪器：烧杯 移液管 量筒 玻璃棒 塑料瓶 小刀 刷子 水笔 胶头滴管 电子天平 加热套 玛瑙研钵 塑料袋 标签贴 X 射线衍射仪 。 2. 药品：生锈的铁片（切成 20cm 10cm 的试样片），多聚磷酸，丹宁酸，金属粉末（ Fe+Zn），乌洛托品，甘油，自来水，二价锰，醋酸，硝酸钠，亚硝酸钠，氯化锰，醋酸锰等。 1.2 实验方法 将各种原料按照一定的配比进行混合，制成铁锈转化剂产品。将铁锈转化剂涂布在生锈铁片试样上。观察表面变化情况，并

9、在显微照相机下观察转化膜结构。对照配方变化与作用效果之间的联系，综合说明该类铁锈转化剂的作用机理。 1.3 实验流程 1. 试样的制备：将铁板泡入自来水中，待其表面生锈后取出，切成 20cm 10cm 的试样片，备用。 2. 试剂的制备。 3. 带锈铁片的涂布，先刷前处理液，再刷后处理液。 注意每次要使用不同的刷子，避免污染。每份做 4 个样品。 4. 转化膜刮除和膜层的研磨：将稳定的转化膜用小刀刮除，并放入玛瑙研钵中研磨均匀，装入塑料样品袋，贴标签。待测。 毕业论文 文客久久网 2 工艺研究 2.1 磷酸存在形式及含量的确立 在大多铁锈转化剂中，磷酸都是作为其中的重要组分存在的。铁锈的主要成

10、分是 Fe2O3H 2O、FeOOH 和 FeO H2O Fe (OH)2，还有一些 Fe3O4xH2O，在刚加入磷酸的情况下，磷酸与最外层的锈层反应，刚开始磷酸是过量的，发生以下反应： Fe2O3H 2O + 6H3PO4 = 2Fe(H2PO4)3 + 4H2O (1-1) FeOOH+ 3H3PO4 = Fe(H2PO4)3 + 2H2O (1-2) 2FeO H2O/Fe(OH)2+ 4H3PO4 = 2Fe(H2PO4)2 + 3H2O (1-3) Fe3O4xH2O+8H3PO4 = Fe3(H2PO4)8 + (4+x)H2O (1-4) 在磷酸过量的情况 下，生成的磷酸二氢盐是

11、可溶的，不能在金属表面形成紧密的覆盖膜，但是随着磷酸的消耗，体系的 pH 值逐渐上升，磷酸二氢盐逐渐转化为难溶的磷酸氢及不溶的磷酸盐： Fe(H2PO4)3 Fe2(HPO4)3 FePO4 (1-5) Fe(H2PO4)2 FeHPO4 Fe3(PO4)2 (1-6) 在氧的作用下，部分亚铁盐会进一步转化为三价铁盐： 4Fe3(PO4)2 3O2 + 4H3PO4 12FePO4 + 6H2O (1-7) 同时，磷酸会同金属基体发生以下反应： Fe + H3PO4 = Fe(H2PO4)2 + H2 (1-8) Fe(H2PO4)2 FeHPO4 Fe3(PO4)2 (1-9) Fe(H2P

12、O4)2 Fe(H2PO4)3 (1-10) FeHPO4 Fe2(HPO4)3 (1-11) Fe3(PO4)2 FePO4 (1-12) 因此，与磷化作用相似，在没有铁锈的地方或铁锈量不足时，磷酸与基体铁反应同样可以生成具有保护作用的磷化膜 。但是磷酸的含量对铁锈转化剂的性能会有显著的影响，如表 1 所示不同浓度的磷酸对铁锈进行转化后的效果： 毕业论文 文客久久网 表 1 磷酸浓度对铁锈转化的影响 从上表 1 可以看出，磷酸含量在 30-40%时，得到的转化膜最好，浓度太低时，不能将铁锈完全反应，得到的转化膜不 完整，而磷酸浓度太高时，由于磷酸与基体铁反应，产生大量的氢气，氢气的鼓泡效应使

13、得转化膜出现孔洞，难以起到保护膜的作用。 同时发现，优选磷酸含量为 30-40%时，形成的转化膜也是比较粗糙的，这是由于磷酸容易与基体金属反应产生氢气，氢气的逸出导致转化膜出现微小孔隙。作为磷酸在众多场合的替代产品多聚磷酸可以分解为磷酸，使用多聚磷酸的效果如下： 表 2 不同浓度的多聚磷酸转化效果 从上表 2 可以发现，采用多聚磷酸得到的转化膜比用磷酸得到的转化膜要平整，这是由于相比磷酸多聚磷酸更粘稠，并不会迅速透过锈层而与基体铁反应，因此释放的氢气量要比磷酸少，同时多聚磷酸分解后与铁锈与金属铁反应，而相比基体铁，铁锈更容易与分解后的磷酸反应，所以多聚磷酸经过缓慢分解，相对磷酸来说，铁锈是过量

14、的，使用多聚磷酸时将优先发生酸与铁锈反应，这样不仅减少了酸对基体的破坏，同时还减少了氢气量，使得转化膜更为完整。 多聚磷酸添 加量过低时，锈层不能得到完全转化，而添加量过高将无法避免氢气的逸出，导致转化膜出现孔隙，多聚磷酸的最佳添加量为 40-50%。 磷酸含量 实验结果 50% 除锈完全，转化膜出现许多较大孔洞 多聚磷酸含量 实验结果 50% 除锈完全，转化膜粗糙 (图 1（ c） ) 毕业论文 文客久久网 (a) (b) (c) 图 1 多聚磷酸含量对成膜影响 (a)带锈钢片， (b)多聚磷酸含量适中 (42%)， (c)多聚磷酸含量过高 (60%) 2.2 活性金属粉的缓蚀性能 金属在自

15、然环境中的腐蚀几乎都是电化 学腐蚀。当金属被放置在水溶液中或潮湿的大气中，金属表面会形成一种微电池，也称腐蚀电池，腐蚀电池的阳极上发生氧化反应，使阳极发生溶解，阴极上发生还原反应。以钢铁为例，工业用的钢铁，除铁之外，还含有石墨、渗碳体 (Fe3C)以及其它杂质，由于这些杂质没有铁活泼，这样形成的腐蚀电池的阳极为铁，发生下列氧化反应： Fe - 2e Fe2+ (1-13) 而阴极为杂质，在中性或碱性介质中，阴极上发生吸氧反应： O2 2H2O 4e- = 4OH- (1-14) 在酸性介质中，阴极发生析氢反应： 2H+ 2e- =H2 (1-15) 由于铁与杂质紧密接触，使得腐蚀不断进行。 直

16、接造成金属材料破坏的是阳极反应，故常采用外接电源或用导线将被保护金属与另一块电极电位较低的金属相联接，以使腐蚀发生在电位较低的金属上，这种方法叫做阴极保护。通过在转化膜中掺杂少量腐蚀电位较低的金属，如下图 2 所示，则腐蚀电位较低 的金属将会作为阳极发生腐毕业论文 文客久久网 蚀，而基体铁受到保护。 图 2 牺牲阳极的阴极保护示意图 选择几种腐蚀电位较低的金属掺杂到转化膜中，发现效果如下； 表 3 转化剂中添加活性金属后的性能 通过实验可以发现，钙、镁、锌由于腐蚀电位比铁低，对基体的腐蚀都具有保护作用，但是使用钙、镁掺杂后，由于其不能参与成膜，因而导致转化膜不完整 ，而掺杂锌后却可以使转化膜更为致密、完整，这主要是由于锌发生了以下反应： Zn - 2e = Zn2+ (1-16) 3Zn2 + 2PO43- = Zn3(PO4) (1-17) nZn2+ + mFe2+ + xPO43- ZnnFem(PO4)x (1-18) 由于发生腐蚀后的锌形成了更难溶的 Zn3(PO4)、 ZnnFem(PO4)x， 参与了成膜，使得转化膜更为致密。 2.3 单宁酸对成膜性能的影响 单宁酸也叫丹宁酸或鞣酸（结构见图 3） 微量不同低电位金属 缓蚀性能 钙 (Ca) 能保护基体，但转化膜不完整 镁 (Mg) 能保护基体，但转化膜出现孔洞 锌 (Zn) 有效保护基体，转化膜更致密