摘 要： 在眾多金屬防腐方法中，緩蝕劑具有用量少、效果明顯、方便經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，備受研究人員的關(guān)注，而近年來(lái)，植物提取物由于其來(lái)源廣泛，綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)更是研究熱點(diǎn)。使用超聲提取法從綠茶中提取活性物質(zhì)作金屬酸洗緩蝕劑，采用了失重法探究了其在1mol·L-1HCl溶液中對(duì)碳鋼片的緩蝕作用，并通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)（L9（33））探究不同溫度、不同時(shí)間和不同綠茶提取物濃度下對(duì)碳鋼片的緩蝕效率，為后續(xù)工作提供一定的數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)溫度為30℃，作用時(shí)間為10h，緩蝕劑用量為0.16mg·mL-1時(shí)，具有良好的緩蝕效率，可以達(dá)到88.60%。最后通過(guò)紅外表征初步探討了其緩蝕機(jī)理。

關(guān) 鍵 詞：超聲提?。?綠茶； 緩蝕劑； 正交實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TG174.42文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）08-1186-05

碳鋼作為一種重要的合金材料，由于價(jià)格低廉，具有良好的可塑性與加工性等優(yōu)點(diǎn)在人類生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著重要作用[1]。但是無(wú)論在哪個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，碳鋼的腐蝕都無(wú)法避免，而腐蝕不僅會(huì)對(duì)工業(yè)設(shè)備等造成巨大損害，給經(jīng)濟(jì)帶來(lái)?yè)p失，還會(huì)帶來(lái)重大生產(chǎn)安全事故隱患，對(duì)自然環(huán)境造成巨大影響[2]。

經(jīng)過(guò)多年的研究，常見地減緩金屬腐蝕方法有：覆蓋層保護(hù)、電化學(xué)保護(hù)、緩蝕劑保護(hù)等。在眾多金屬緩蝕的方法中，緩蝕劑保護(hù)法[3]由于用量少，效果佳與種類多樣及利于修飾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)備受研究人員的青睞。截至目前[4]，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多性能良好的金屬緩蝕劑，而近年來(lái)，植物提取物由于其來(lái)源廣泛，綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)更是研究熱點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)天然植物中存在許多如生物堿和黃酮等減緩腐蝕的有效活性物質(zhì)成分，與有機(jī)合成緩蝕劑相比，植物緩蝕劑具有價(jià)格低廉，來(lái)源廣泛，可再生，無(wú)毒無(wú)污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景[5]。

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示：2022年，中國(guó)茶葉產(chǎn)量達(dá)到335萬(wàn)噸，占據(jù)全球茶葉市場(chǎng)的45%，而其中綠茶更是占比高達(dá)60%。茶葉在沖泡飲用過(guò)程中，溶入茶湯的成分是有限的物質(zhì)，就算是用于速溶茶、茶飲料和功能成分產(chǎn)品生產(chǎn)的提取物也只占茶葉干重的30%。而對(duì)于經(jīng)過(guò)加工的茶渣廢料，往往采取的方式是直接填埋，忽視了其中的價(jià)值。在國(guó)外已有將紅茶[6]，金針藤[7]、毛竹葉[8]等植物提取物進(jìn)行緩蝕研究，國(guó)內(nèi)也有對(duì)茶籽殼[9]、苦丁茶[10]，以及其他種類緩蝕劑[11]進(jìn)行緩蝕性能研究的報(bào)道。但是在緩蝕領(lǐng)域中，人類追求高性能緩蝕劑的主題永不過(guò)時(shí)。

本文采用超聲輔助法提取綠茶緩蝕劑，不僅減少溶劑用量，縮短提取時(shí)間，還在一定程度上保持綠茶提取物的活性，實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)便，提取效率高[12]。通過(guò)失重法研究綠茶提取物的緩蝕性能，并利用單因素法、正交實(shí)驗(yàn)法和紅外表征初步的探討和分析其在鹽酸溶液中對(duì)碳鋼的吸附行為及作用機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

綠茶，來(lái)源于四川省汶川縣。

95%乙醇、鹽酸、無(wú)水乙醇、丙酮，分析純，所用水為蒸餾水。

鋼片（10mm×10mm×1mm，Q235）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超聲提取法

將材料綠茶烘干粉碎，過(guò)60目（250 μm）篩，采用超聲波技術(shù)，提升物質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)頻率和速度，增強(qiáng)溶劑的穿透力，從而提高提取物的溶出速率。本文最終選取純度95%的乙醇作為溶劑，超聲功率為500W，溫度為60℃，超聲時(shí)間為2h，利用空化效應(yīng)對(duì)茶葉進(jìn)行超聲波提取[13]。

1.2.2 單因素法

在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探討了緩蝕劑濃度、緩蝕溫度以及時(shí)間對(duì)緩蝕效率的影響。

1.2.3正交實(shí)驗(yàn)法

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以碳鋼片的質(zhì)量損失為指標(biāo)，采用緩蝕時(shí)間（A）、緩蝕溫度（B）、緩蝕劑不同濃度（C）作為考察因素，選擇其中最具有代表性的三組數(shù)據(jù)（由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得），進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)如表所示。

1.2.4失重法

將預(yù)先切割好的碳鋼片進(jìn)行打磨拋光，在蒸餾水和無(wú)水乙醇洗凈烘干后用分析天平進(jìn)行稱重，記錄碳鋼片的質(zhì)量，再放入腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行反應(yīng)，最后將碳鋼片表面清洗干凈，烘干后再次稱重，最后兩次測(cè)量值差值不大于0.2mg。

1.2.5紅外表征法

使用傅里葉紅外光譜儀（Thermo Scientific Nicolet iS20）對(duì)綠茶提取物和緩蝕產(chǎn)物進(jìn)行表征，使用溴化鉀壓片，在波數(shù)4000～400cm-1掃描16次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

利用公式對(duì)綠茶緩蝕劑的緩蝕效率進(jìn)行計(jì)算[16]：

式中：η為—緩蝕效率，%；

Δm0—不含綠茶緩蝕劑的碳鋼片的平均失重，mg；

Δm—含綠茶緩蝕劑時(shí)的碳鋼片的平均失重，mg。

所有實(shí)驗(yàn)平行3次。

2.1 單因素探究

2.1.1 綠茶緩蝕劑濃度對(duì)緩蝕效率的影響

準(zhǔn)備6個(gè)150mL潔凈干燥的燒杯，分別倒入100.00mL濃度為1mol·L-1的鹽酸溶液，將各燒杯中分別加入0、10.0、12.0、14.0、16.0和18.0mg的綠茶緩蝕劑，利用超聲波進(jìn)行輔助溶解。將碳鋼片用細(xì)繩懸掛，浸沒在腐蝕介質(zhì)中。將燒杯放入30℃的水浴鍋中反應(yīng)6h，探究綠茶緩蝕劑濃度分別在100、120、140、160和180mg·L-1時(shí)對(duì)其緩蝕效率的影響。

如圖1所示，緩蝕劑的緩蝕效率會(huì)隨著綠茶緩蝕劑濃度的增加整體上呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，以120mg·L-1為分界點(diǎn)，在濃度低于該點(diǎn)時(shí)，緩蝕效率增長(zhǎng)幅度較大；當(dāng)濃度高于該點(diǎn)時(shí)，變化幅度較小。在140mg·L-1時(shí)緩蝕效率達(dá)到一個(gè)最高點(diǎn)。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析[13]，當(dāng)緩蝕劑的濃度增大時(shí)，其中具有的緩蝕成分的含量增加，其緩蝕性能同樣增強(qiáng)，在質(zhì)量濃度達(dá)到140mg·L-1及以上，綠茶緩蝕劑在碳鋼表面的吸附達(dá)到飽和，緩蝕性能達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)的腐蝕速率和緩蝕效率趨于平衡。

2.1.2 緩蝕溫度對(duì)綠茶緩蝕劑緩蝕效率的影響

準(zhǔn)備6個(gè)150mL潔凈干燥的燒杯，分別倒入100.00mL濃度為1mol·L-1的鹽酸溶液，各燒杯中均加入12.0mg的綠茶緩蝕劑，利用超聲波進(jìn)行輔助溶解。將碳鋼片用細(xì)繩懸掛，浸沒在腐蝕介質(zhì)中。將AB兩組對(duì)應(yīng)放入提前設(shè)置好溫度的水浴鍋中腐蝕6h，探究實(shí)驗(yàn)水浴溫度分別在20、30、40、50和60℃時(shí)對(duì)緩蝕效率的影響。

由圖2可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，綠茶緩蝕劑的緩蝕效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在溫度為30℃時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，此時(shí)綠茶緩蝕劑的緩蝕效率為87.79%。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析[14]，升高溫度會(huì)使得緩蝕劑中的分子活性增強(qiáng)，在碳鋼片上的吸附能力增強(qiáng)。當(dāng)溫度超過(guò)了一定條件，碳鋼片的腐蝕速率就開始大于緩蝕速率，緩蝕劑分子在碳鋼片上的吸附速度小于脫落速度，碳鋼片表面的吸附膜逐漸遭到破壞，導(dǎo)致緩蝕效果降低，所以溫度過(guò)高不利于綠茶緩蝕劑在碳鋼表面的吸附。

2.1.3 緩蝕時(shí)間對(duì)綠茶緩蝕劑緩蝕效率的影響

準(zhǔn)備6個(gè)150mL潔凈干燥的燒杯，分別倒入100.00mL濃度為1mol·L-1的鹽酸溶液，將各燒杯中均加入12.0mg的綠茶緩蝕劑，利用超聲波進(jìn)行輔助溶解。將碳鋼片用細(xì)繩懸掛，浸沒在鹽酸介質(zhì)中。將AB兩組對(duì)應(yīng)放入提前設(shè)置好溫度的水浴鍋中，探究實(shí)驗(yàn)腐蝕時(shí)間分別在2、4、6、8和10h對(duì)緩蝕效率的影響。

由圖3可知，隨著時(shí)間的增加，綠茶緩蝕劑的緩蝕效率也在增加，最終緩蝕速率的增長(zhǎng)幅度逐漸變小，緩蝕效率漸漸靠近88.0%。說(shuō)明在2～10h的過(guò)程中，緩蝕劑分子逐漸在碳鋼片表面形成致密的吸附膜，減少了鹽酸介質(zhì)與碳鋼片的接觸位點(diǎn)，緩蝕速率大于腐蝕速率[15]，結(jié)合本文數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間的反應(yīng)對(duì)綠茶緩蝕劑的緩蝕性能無(wú)多大影響。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證

2.2.1正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用正交實(shí)驗(yàn)法，以單因素實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，選取了影響緩蝕效率的最佳工藝參數(shù)：緩蝕溫度（A）、緩蝕時(shí)間（B）、緩蝕劑濃度（C），采用L9（33）正交實(shí)驗(yàn)。結(jié)果及分析見表3。

從表2中的極差分析可知，對(duì)綠茶緩蝕劑的緩蝕效率的影響程度大小主要是緩蝕溫度>緩蝕劑濃度>緩蝕時(shí)間，也就是A>C>B；對(duì)A（緩蝕溫度），次序?yàn)锳2>A1>A3；對(duì)B（緩蝕時(shí)間），次序?yàn)锽3>B2>B1；對(duì)C（緩蝕劑濃度），次序?yàn)镃3>C2>C1。所以A2B3C3是最佳緩蝕組合，即緩蝕溫度為30℃，緩蝕時(shí)間為10h，緩蝕濃度為160mg·L-1。

2.2.2驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在使用超聲波長(zhǎng)時(shí)間提取的工藝優(yōu)化方案中，選擇最佳方案進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，即緩蝕溫度為30℃，緩蝕時(shí)間為10h，緩蝕劑濃度為160mg·L-1，平行做3次緩蝕實(shí)驗(yàn)，如表4所示，得出綠茶緩蝕劑的緩蝕效率為88.51%，相對(duì)平均偏差為0.064%（＜0.1%），得出此最優(yōu)方案具有可行性。

2.3 緩蝕機(jī)理研究

為了初步探究綠茶緩蝕機(jī)理，采用了傅里葉紅外光譜對(duì)綠茶提取物以及與金屬作用后的粉末進(jìn)行了紅外表征，由圖4可以發(fā)現(xiàn)，綠茶提取物出峰位置較為典型，在3300cm-1左右有較多出峰說(shuō)明綠茶提取物中具有較多的游離羥基，這可能是因?yàn)樘崛∥镏写嬖谳^多的茶多酚的緣由，也正是這個(gè)原因，其1600 cm-1和1470 cm-1附近出茶多酚環(huán)上的骨架變形振動(dòng)，而與金屬作用后的，此兩處的振動(dòng)峰變化較大，說(shuō)明了游離羥基與碳骨架可能與金屬反應(yīng)參與了配位成膜。

3 結(jié)論與展望

本實(shí)驗(yàn)以綠茶為原料，利用超聲提取法制備了綠茶緩蝕劑，采用單因素法探討了緩蝕劑濃度、緩蝕劑溫度和緩蝕劑時(shí)間對(duì)綠茶緩蝕劑緩蝕作用的影響。經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在30℃，10h，160mg·L-1的緩蝕劑濃度下，其緩蝕率最高可達(dá)88.60%。本論文所提供的數(shù)據(jù)可以作為日后綠茶資源開發(fā)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，利用單因素與正交的方法研究化合物的緩蝕性可以為緩蝕的研究提供新思路。

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