Экспресс-методика сравнения относительной эффективности ингибиторов для слабощелочных смазочно-охлаждающих жидкостей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 3. С. 52-54.

УДК 620.197.3

В.А. Мухин, Ю.А. Бутакова, О.П. Кузнецова, А.Г. Петров, А.Г. Проскура

ЭКСПРЕСС-МЕТОДИКА СРАВНЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНГИБИТОРОВ ДЛЯ СЛАБОЩЕЛОЧНЫХ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

Разработаны варианты гальванических датчиков и экспресс-методика оценки относительной эффективности ингибиторов коррозии углеродистых сталей или коррозионной агрессивности водных растворов смазочно-охлаждающих жидкостей.

Ключевые слова: коррозия, гальванический датчик, углеродистые стали, смазочноохлаждающие жидкости.

В состав смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), используемых для механической обработки углеродистых и низколегированных сталей, всегда входит ингибитор коррозии. Большинство таких СОЖ представляют собой водные растворы электролитов с величиной рН от 8 до 10. Известно множество ингибиторов для кислых сред [1], однако в среде СОЖ они не всегда пригодны. Поэтому при разработке новых составов СОЖ необходимо подбирать наиболее эффективный ингибитор для конкретного сочетания «сталь - раствор». Эффективность ингибитора определяется отношением скорости коррозии в растворе без ингибитора к скорости коррозии в растворе с ингибитором. Это отношение называется коэффициентом торможения: у = po/pi. Методы, рекомендуемые ГОСТами, или не позволяют сравнить эффективность ингибиторов [2], или длительны [3]. Серийно выпускаемые коррозиометры удобны и точны, но не всегда доступны по цене

[4]. В них реализуется метод поляризационного сопротивления [5], основанный на принципе Штерна - Гири. В данной работе предложена электрохимическая методика быстрого сравнения относительной эффективности (О.Э.) ингибиторов методом гальванопары с применением доступных измерительных приборов.

Экспериментальная часть

В предварительных экспериментах установлены необходимые условия измерений при сравнении относительной эффективности ингибиторов. Прежде всего создаётся гальванический элемент, где анодом является испытуемая углеродистая сталь (например, сталь 10), а катодом - нержавеющая сталь в виде сетки (например, X18H9T) или углеродная ткань бусофит с высокоразвитой поверхностью. Площадь анода в сравнительном эксперименте должна быть постоянной, а площадь катода должна быть в 100 или больше раз выше, чем площадь анода. Тогда поляризация катода (Ык) составит меньше 1 %, и этой величиной можно пренебречь (рис. 1).

Рис. 1. Эквивалентная схема электрохимической ячейки

© В.А. Мухин, Ю.А. Бутакова, О.П. Кузнецова, А.Г. Петров, А.Г. Проскура, 2015

Экспресс-методика сравнения относительной эффективности ингибиторов...

53

Время единичного эксперимента не превышает 12-15 мин, поскольку после 12 мин значения разности потенциалов E и токов I достоверно стабилизируются (рис. 2).

Рис. 2. Зависимости разности потенциалов (а) и силы тока (б) от времени

для электрода из стали 10 в 0,04 %-ном растворе Ма200з

Аналогичные зависимости наблюдаются и при введении ингибиторов, но стабилизация разности потенциалов и токов происходит при других значениях этих параметров.

Конструкция электрохимической ячейки выполнена с возможностью взаимного перемещения электродов относительно друг друга с дальнейшей фиксацией на расстоянии 2 мм, чтобы сопротивлением раствора можно было пренебречь (Кр^-0, рис. 1). Все измерения проводятся не менее 3 раз с применением мультиметра (например, Victor 86C, Ывх = 4 • 107 Ом, Ra = 52 Ом или РВ7-22А, Ывх = 108 Ом, Ra = 100 Ом), и результаты статистически обрабатываются.

Основное измерение проводится в составе СОЖ без ингибиторов, например, в растворе Na2CO3 0,04 % (рН » 9,5). После погружения анода и катода в раствор обеспечивается свободный доступ агрессивной среды к их поверхности в течение 12 мин, а затем, после сближения катода с анодом и их

фиксации в этом положении не менее 3 раз, измеряются через каждую минуту значения E и I. По средним значениям E и I находится сопротивление электрохимической ячейки:

Rah = Е/I. (1)

Процесс коррозии локализован на границе раздела фаз анод-раствор и характеризуется сопротивлением границы раздела фаз

анод-раствор (Ra.). Вычитая из Rah сопротивление амперметра (Ra), мы и находим величину сопротивления поверхности анода:

Ка = Rah - Ra = Е/I - Ra. (2)

При наличии ПК с применением специально разработанной программы фиксируются графики изменения E и I во времени и их значения. По данным измерений производится автоматический расчёт значения Ка.

Затем в базовый состав СОЖ вводится ингибитор с заданной концентрацией и все измерения и расчеты повторяются вновь в течение 15 мин. Относительную эффективность изучаемых ингибиторов находим как отношение Ка с ингибитором к Ка без ингибитора. Таким образом, с применением простого мультиметра на оценку свойств одного ингибитора требуется менее 1 ч, что в тысячи раз быстрее, чем в гравиметрии. Результаты и их обсуждение Для базового раствора Na2CO3 0,04 %, аналогичного по свойствам реальным слабощелочным СОЖ, по разработанной методике сравнили эффективность ряда добавок.

Пример расчета сопротивления поверхности анода для базового раствора Na2CO3, 0,04 % по рис. 2:

E = 342-10-3B. I = 27М0-6Л. К = Rah - Ra;

Rah = Е/I = 342-10-3/271-10-6 = 1264 Ом;

Ra =100 Ом;

Ка (без ингибитора) =1264 - 100 = 1164 Ом.

Пример расчета сопротивления поверхности анода для базового раствора Na2CO3, 0,04 % с добавкой эфира ТЭАОК 0,5 %:

E = 258-10-3B. I = 0,78^10-6Л. Ка = Rah - Ra;

Rah = Е/I = 258-10-3/0,78-10-6 = 330769 Ом;

Ra = 100 Ом;

Ка (с ингибитором) = 330769 - 100 = 330669 Ом.

По найденным значениям Ка можно рассчитать О.Э. = 330 669/1164 = 284. Данный эфир является одним из самых сильных ингибиторов. Результаты сведены в табл. 1.

Таблица 1

Относительная эффективность добавок (везде концентрация 0,5 %) при коррозии стали 10 в растворе карбоната натрия 0,04 % (рН = 9,5)

Добавка Ra, Ом О.Э.

Эфир ТЭАОК (3,31 ± 0,04)105 2,84102

Нитрит натрия (0,38 ± 0,01)105 0,33102

Пента-91 (0,27 ± 0,01)105 0,23102

Na2CO3, 0,04% (0,12 ± 0,01)104 1,00

Катамин АБ (0,42 ± 0,03)103 3,56 10-1

54

В.А. Мухин, Ю.А. Бутакова, О.П. Кузнецова, А.Г. Петров, А.Г. Проскура

Анализ данных табл. 1 показывает, что синтезированный нами эфир ТЭАОК (эфир триэтаноламина и олеиновой кислоты) при равных концентрациях по эффективности защитного действия превосходит традиционно применяемый нитрит натрия. В то же время катамин АБ, ингибитор коррозии сталей в кислых средах, оказался стимулятором растворения стали в данных условиях.

Для базового раствора Na2SO4 + NaOH (рН = 9,5) получены иные результаты (табл. 2).

Таблица 2

Относительная эффективность ингибиторов коррозии (везде концентрация 0,1 %) стали 10 в растворе сульфата натрия 0,1 % (рН = 9,5)

Добавка Ra, ОМ О.Э.

Нитрит натрия (7,19 ± 0,19)103 4,62

Ортофосфат натрия (5,37 ± 0,06)103 3,46

ГКЖ-11 к (2,02 ± 0,03)103 1,30

ПЭГ-115 (1,93 ± 0,02)103 1,26

Na2SO4 (1,55 ± 0,06)103 1,00

Сопоставление данных табл. 1 и 2 показывает, что относительные эффективности ингибиторов в разных базовых растворах можно различить с помощью предложенной методики.

Сравнение коррозионной агрессивности растворов промышленно выпускаемых СОЖ также можно проводить по данной методике (табл. 3).

Таблица 3

Сравнение коррозионной агрессивности 0,5 % водных растворов промышленных СОЖ

СОЖ рН Ra, ОМ

Экол-3 9,2 (2,26 ± 0,06)105

Биосил-С 9,8 (14,04 ± 0,02)105

Таким образом, в работе показано, что испытанная методика позволяет достоверно различить и сравнить относительную эффективность ингибиторов для выбранного сочетания электрод-электролит и относительную агрессивность реальных СОЖ по отношению к конкретному металлу или сплаву. Применение данной методики с целью экономии времени рекомендуется на этапе отбора наиболее эффективных ингибиторов с последующим испытанием выбранных ингибиторов методом поляризационного сопротивления по ГОСТ 9.514-99.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Решетников С. М. Ингибиторы кислотной коррозии металлов. Л. : Химия, 1986. 144 с.

[2] ГОСТ 6243-75. Эмульсолы и пасты. Методы испытаний. Раздел 2.

[3] ГОСТ 9.908-85. ЕСЗКС. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.

[4] Семенова И. В., Флорианович Г. М., Хорошилов А. В. Коррозия и защита от коррозии М. : Физматлит, 2010. С. 388-390.

[5] Антропов Л. И., Герасименко М. А., Герасименко Ю. С. Определение скорости коррозии и эффективности ингибиторов методом поляризационного сопротивления // Защита металлов. 1966. Т. 2. № 2. С. 115-120.