表面活性剂水溶液

表面活性剂水溶液（通用8篇）

表面活性剂水溶液 篇1

0 引言

煤尘是在采煤过程中产生的细微颗粒的煤炭粉尘。煤尘飞扬在巷道中污染空气,容易引发矿工的煤肺病,严重危害矿工的身体健康,是最为常见的职业病危害因素之一。粒径1mm以下的煤尘粒子都可能参与爆炸,且爆炸的危险性随粒度的减小而迅速增高,其危害性十分巨大。因此,煤尘的降尘就显得尤为重要,工业上一般采取煤层注水、喷雾洒水或是有效通风等措施来降尘。

水的表面张力较大,不能有效润湿煤尘,降尘效果差,而表面活性剂的加入可使水溶液的表面张力和湿润边角减小,从而增大其对煤尘的润湿能力[1],这对煤矿的煤层注水及喷雾洒水等防降尘工作是十分有利的。根据煤尘表面物化性质,目前矿用抑尘剂大部分为非离子型表面活性剂[1],也有部分喷雾降尘剂使用阴离子表面活性剂[2]。根据已有文献报道[3,4,5,6,7],非离子表面活性剂应用最多的有OP乳化剂、TX-100等,阴离子表面活性剂应用最多的有十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)等。但实际应用中发现,SDS和SDBS的水溶性较差,而OP和TX系列在低浓度特别是临界胶束浓度(CMC)以下并不能表现出良好的润湿和降尘性能,应用成本相对较高。因此,研发出对煤尘润湿性能更为优异的新型表面活性剂溶液具有重要意义。聚醚改性硅油是一类新型的有机硅非离子表面活性剂,具有良好的润滑性和很低的表面张力,且廉价易得,在煤矿的防降尘中将拥有广阔的应用前景。本文研究了一种自制的聚醚改性硅油类新型非离子表面活性剂(代号:JCS-001)溶液对煤尘的润湿性能。

1 润湿性能的评价依据

煤的表面含有大量憎水基团,这使得水对煤尘的润湿性能较差。向水中添加阴离子或非离子表面活性剂,可使水溶液的表面张力和湿润边角减小,增大其对煤尘的润湿能力。根据剩余力场理论,煤尘的疏水表面与表面活性剂的疏水基团相互作用较强,这使得表面活性剂的亲水基伸向溶液,从而增强了煤尘的亲水性,也就大大提高了溶液对煤尘的润湿性能。

不同结构的表面活性剂在煤尘表面的吸附能力不同。阴离子表面活性剂活性离子带负电,煤尘表面亦带负电,两者同性相斥;而且吸附于煤尘表面的阴离子表面活性离子之间也会产生电性排斥,不利于它在煤尘表面的吸附,因此阴离子表面活性剂在煤尘表面的吸附能力小于非离子表面活性剂,并导致前者的固-液界面张力大于后者。因此,根据润湿理论,综合考虑气-液表面张力和固-液界面张力,非离子表面活性剂对煤尘的润湿性能一般优于阴离子表面活性剂[10]。

表面活性剂对煤的润湿能力,目前主要是以其对煤的润湿速度或其水溶液的表面张力大小来衡量的。所谓润湿速度,即单位时间内表面活性剂溶液完全润湿煤粉的质量,润湿速度越高,表明该表面活性剂对煤的润湿性能越好[8]。润湿速度是用于评价煤体润湿效果的最佳指标[9]。据资料报道,用于润湿煤体的表面活性剂溶液浓度为0.1%时,其对煤尘的润湿速度应为3-10 mg/s。

临界胶束浓度(CMC)作为表面活性剂的另一基本参数,同表面张力一样,可用于衡量表面活性剂对煤的润湿能力。煤矿降尘常用的几种表面活性剂溶液的CMC值如表1所示。由此,笔者分别选用CMC相对较低的阴离子表面活性剂SDBS及非离子表面活性剂TX-100与自制的新型表面活性剂JCS-001进行润湿性能的比较。

2 实验

2.1 Walker润湿实验

本实验选用湖南涟源市联新煤矿提供的煤样,研究其在SDBS、TX-100和JCS-001三种表面活性剂溶液中的润湿情况,通过测定润湿时间和计算润湿速度来比较各表面活性剂溶液对煤尘的润湿性能。主要研究以下三个方面:(1)不同浓度的各表面活性剂溶液对煤尘的润湿性能;(2)加入氯化钠对JCS-001润湿性能的影响;(3)与SDBS或TX-100复配对JCS-001润湿性能的影响。

采用200目标准检验筛筛分过的煤粉和0.1-1.0 g/L各表面活性剂溶液进行实验。具体操作过程为:量取100m L溶液至烧杯,竖直放置漏斗,并使漏斗下端尽量贴近溶液液面。用小胶纸片封住漏斗下端口,将0.2g煤粉倒入漏斗。移去纸片,同时用秒表开始计时。待煤粉恰好全部没入液面以下,停止计时,记录润湿时间t,由算出润湿速度μ。

2.2 表面张力的测定

采用JYW-200A表面张力仪以环法测定SD-BS、TX-100和JCS-001三种表面活性剂溶液在不同浓度下的表面张力值,用于佐证Walker润湿实验结果。

3 结果与分析

3.1 各表面活性剂溶液的表面张力

测得SDBS、TX-100和JCS-001溶液的表面张力值如表2所示。

作为煤的润湿剂,其水溶液的表面张力越低越好,但是随着浓度增大,表面张力下降的幅度越来越小。从经济及实用角度考虑,选择表面张力大约在35m N/m为好[4]。从表2可以看出,同一质量浓度下,三种表面活性剂溶液的表面张力值大小顺序为:JCS-001>TX-100>SDBS,JCS-001溶液的表面张力值大约在20m N/m,TX-100溶液的表面张力值也基本在35m N/m以下,而SDBS溶液在表面张力这一方面并不适合用作煤尘的润湿剂。

从表2数据还可判断,SDBS和TX-100溶液的浓度分别大于0.5 g·L-1和0.4 g·L-1以后,其表面张力不再明显降低,由此可以确定二者的临界胶束浓度(CMC)分别在1.4 mmol/L和0.6mmol/L,与表2中文献所报道数值基本一致。而JCS-001溶液的CMC大约为0.3 g·L-1。

3.2 各表面活性剂溶液的润湿性能

Walker润湿实验测定出各表面活性剂溶液对煤尘的润湿时间如表3所示,润湿速度曲线如图1所示。

由图1可见,JCS-001在0.1-0.6 g/L的质量浓度范围内,其对煤尘的润湿速度大于相同质量浓度的TX-100;当质量浓度达到0.6-0.7 g/L时,两者的润湿速度趋于相同,此时JCS-001溶液的最大润湿速度为9.52 mg/s。

图1还显示,JCS-001和TX-100对煤尘的润湿性能均远远优于SDBS。这是因为,不同结构的表面活性剂在煤尘表面的吸附能力不同。阴离子表面活性剂活性离子带负电,煤尘表面亦带负电,两者同性相斥;而且吸附于煤尘表面的阴离子表面活性离子之间也会产生电性排斥,不利于它在煤尘表面的吸附,因此阴离子表面活性剂在煤尘表面的吸附能力小于非离子表面活性剂,并导致前者的固-液界面张力大于后者。因此,根据润湿理论,综合考虑气-液表面张力和液-固界面张力,非离子表面活性剂对煤尘的润湿性能一般优于阴离子表面活性剂[10]。这也就解释了为什么聚醚改性有机硅JCS-001和TX-100对煤尘的润湿速度远远大于SDBS。

而对于JCS-001溶液和TX-100溶液,虽然二者的表面张力相近,但是其化学组成即疏水基和亲水基均不同[4],TX-100的疏水基为辛基和苯基,亲水基为羟基和醚基,而JCS-001的疏水基主要为主链硅原子上的甲基,亲水基主要为聚醚链上的醚基,由于两者均为重复单元基团,这使得JCS-001相较于TX-100,其疏水基与煤尘、亲水基与水之间都具有更强的作用力,从而也表现出更佳的润湿性能。

3.3 加入氯化钠对JCS-001润湿性能的影响

矿用降尘剂中常常掺入少量无机盐作为助剂,以改善溶液的润湿性能,其中氯化钠应用最为广泛。图2为JCS-001溶液在加入了不同质量浓度的氯化钠后对煤尘的润湿速度。

由图2可见,随着氯化钠含量的增大,0.2g·L-1、0.4g·L-1及0.5g·L-1JCS-001溶液对煤尘的润湿速度并没有呈现出规律性变化,只有在氯化钠浓度达到0.8 g·L-1以上时,JCS-001溶液的润湿速度才出现明显增大趋势。根据无机电解质与表面活性剂的作用机理[11],无机盐能明显促进离子表面活性剂的缔合而对非离子表面活性剂则影响较小,低浓度的无机盐不能引起非离子表面活性剂表面张力的大幅变化,只有当无机盐浓度较高时,其表面活性的变化才较为明显,因此,无机盐与非离子表面活性剂的配伍效应不大。可见加入氯化钠并不是提升JCS-001溶液对煤尘润湿能力的有效途径。

3.4 与SDBS或TX-100复配对JCS-001润湿性能的影响

非离子表面活性剂与某些阴离子或非离子表面活性剂的混合体系在降低表面张力效率方面能够产生加和增效作用,即协同效应[11,12,13]。为了达到对煤尘的最佳润湿效果,笔者将JCS-001溶液分别与SDBS和TX-100进行了复配实验,以求产生协同效应。考虑到应用成本,选定复配溶液的总浓度为0.5 g·L-1。0.5 g·L-1JCS-001/SDBS复配溶液对煤尘的润湿速度曲线如图3所示,0.5 g·L-1JCS-001/TX-100复配溶液的润湿速度曲线如图4所示。

从图3可以看出,当SDBS质量浓度分别为0.1g·L-1和0.2 g·L-1而JCS-001质量浓度相应为0.4 g·L-1和0.3 g·L-1时,JCS-001/SDBS复配溶液的润湿速度比0.5 g·L-1JCS-001单一体系的润湿速度要大,分别达到9.48 mg/s和9.84mg/s。根据加和增效作用的判据可以推断,JCS-001与SDBS的复配产生了协同效应,这可以从两者分子间的相互作用加以解释。非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂存在明显的相互作用,其混合体系的表面活性高于单一组份[13]。SDBS的加入降低了原JCS-001体系的表面张力和临界胶束浓度,从而使得JCS-001/SDBS混合体系对煤尘的润湿性能强于JCS-001的单一体系。

由图4可知,JCS-001与TX-100的复配并没有达到加和增效的效果。这可能也主要与二者分子间的相互作用有关。不同类型表面活性剂分子间的相互作用力大小不同,JCS-001和TX-100同属非离子表面活性剂,两者的分子间作用力较小,难于改变体系的表面张力和临界胶束浓度,也就难于产生协同效应。

4 结论

(1)JCS-001作为一种新型非离子表面活性剂,在润湿煤体方面表现出了比TX-100和SDBS都更为优异的润湿性能,最大润湿速度为9.52mg/s;

(2)氯化钠的加入以及与TX-100的复配不能提升JCS-001溶液对煤尘的润湿能力;

(3)JCS-001溶液与SDBS的复配可产生协同效应,总浓度为0.5 g·L-1的JCS-001/SDBS复配溶液最大润湿速度达到9.84 mg/s,高于JCS-001单一体系的最大润湿速度,从应用成本考虑,采取与SDBS复配的方式较为经济。

表面活性剂水溶液 篇2

黄铜矿在水溶液中的溶解特性和表面性质谱学表征

摘要：根据黄铜矿的X射线粉末衍射图谱建立了晶体结构模型,应用ICP-MS,AFM和XPS分析研究了黄铜矿在氩气与氧气环境中不同机械搅拌时间和不同pH值水溶液中的溶解特性和表面性质,建立了黄铜矿在水溶液中的溶解模型.实验结果表明,在纯水中,溶液中的铜和铁的浓度与时间的关系可定义为方程c=ksat+b;低pH值有利于黄铜矿的.溶解;表面氧化缓慢,对黄铜矿溶解性影响微弱;纯水中黄铜矿的溶解性对有效比表面积影响不大,酸性条件下黄铜矿的溶解由表面化学反应控制;长时间溶解后黄铜矿表面呈富铜状态;溶解使表面粗糙度和晶格缺陷增加. 作者： 邓久帅文书明先永骏刘建刘丹 Author： DENG Jiu-shuaiWEN Shu-mingXIAN Yong-junLIU JianLIU Dan 作者单位： 昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明,650093 期 刊： 光谱学与光谱分析 ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： ,32(2) 分类号： P574 关键词： 黄铜矿 溶解性 表面性质 ICP-MS XPS AFM 机标分类号： O6 O64 机标关键词： 黄铜矿水溶液溶解特性表面性质谱学表征Aqueous SolutionSurface Properties有效比表面积浓度与时间溶解性晶体结构模型粉末衍射图谱表面粗糙度酸性条件实验结果溶解模型晶格缺陷搅拌时间反应控制纯水 基金项目： 国家自然科学基金云南联合基金，云南省教育厅科学研究基金，昆明理工大学分析测试基金，昆明理工大学优秀博士学位论文培育基金

表面活性剂水溶液 篇3

1 实验部分

1.1 材料

铝合金(牌号LD6063);硬脂酸(分析纯,上海中秦化学试剂有限公司);甲醇,丙酮,乙醇均为分析纯。

1.2 超疏水表面的制备

将切割好的铝合金片(2cm×1cm)先用SiC砂纸(800、1200、1500目)打磨,然后依次用甲醇、丙酮、去离子水超声清洗后,再用沸水处理0~15min以使铝合金表面粗糙化。最后,将铝合金片置于10mmol/L的硬脂酸的乙醇/水(体积比为1∶1)溶液,在60℃下处理40h。所得改性铝合金依次用无水乙醇和去离子水洗涤,室温晾干后进行测试。

1.3 试样表征

室温下用接触角测角仪(DSA 100,Kruss,Germany)测量试样表面的接触角。利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR,VER-TEX 70,Bruker,Germany)分析薄膜化学结构。用冷场发射型扫描电子显微镜(FE-SEM,JSM-6701F,Japan)观察试样形貌。

2 结果与讨论

2.1 铝合金表面处理及超疏水表面的构建

依次通过打磨、清洗、沸水处理和硬脂酸的醇水溶液浸泡处理,使铝合金表面得以改性,最终制备得到超疏水铝合金表面。我们通过考察材料的表面润湿性对每个制备步骤进行监控,得到的接触角数据如图1所示。

可以看出,铝合金表面未经任何处理时呈亲水性,接触角约为45°。经过砂纸打磨以后,铝合金表面接触角降低到30°。根据Wenzel理论[6]:

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式中,θr和θ分别为粗糙表面和光滑表面上的表观接触角,r为固体表面的粗糙因子,反映了固体表面的粗糙程度。

当θ < 90°时,表面粗糙化将使接触角变小;而当θ > 90°时,表面粗糙化将使接触角变大。对铝合金表面进行打磨,去除了表面油脂且使表面粗糙化,从而其表面接触角变得更小。清洗之后的铝合金表面与水滴的接触角升高到84°左右,这是由于在超声波作用下,铝与少许甲醇会发生反应,将少许甲氧基基团接枝到铝合金表面,降低了铝合金表面的自由能,从而使水滴在铝合金表面的接触角增大。经沸水处理后,水滴完全铺展在表面,铝合金表面的接触角接近于0°,表明此时的铝合金表面呈超亲水状态。造成这一结果的原因如下:在沸水处理过程中,铝与沸水发生如下反应:

Al+H2O→Al2O3·xH2O+H2↑(2)

根据反应原理可知,铝与沸水反应生成Al2O3·xH2O,生成的Al2O3·xH2O有一部分会跟H2O进一步反应生成AlO(OH),即勃姆石。部分勃姆石会溶解在水中,从而在铝合金表面形成孔洞结构。同时,铝在与沸水反应过程中还有H2产生,其可以冲蚀铝合金表面比较不紧密的组织,这也会导致铝合金表面产生孔隙。这一切均会使铝合金表面粗糙度显著增加。根据Wenzel所提出的“粗糙的表面结构可以使亲水表面更亲水的理论”,经过沸水处理的铝合金表面理所当然的表现出超亲水特性。

粗糙化处理的铝合金基体经硬脂酸的醇/水(1∶1)溶液浸泡处理之后,接触角显著增加达到了155°,表明此时的铝合金表面呈现超疏水状态。

2.2 铝合金表面的润湿性及粘附力

图2a为水滴在超疏水铝合金表面的润湿性照片。可以看出水滴呈现出球形形态,稍微摇动或倾斜表面就可以使水滴轻松地滚动。图2b和图2c分别为8μL水滴在所制备铝合金基体表面上的静态接触角和滚动角照片。经测试其接触角可达155°,滚动角小于5°。这表明铝合金基体经沸水处理和硬脂酸的醇/水溶液浸泡之后,形成了超疏水表面。而水滴在这种超疏水表面的粘附力很小,水滴在表面易于滚动,从而制备得到了具有较小粘附力的超疏水铝合金表面。

2.3 超疏水铝合金表面的化学组成

我们通过红外光谱对超疏水铝合金表面的化学组成进行了考察,得到的红外图谱如图3(a-c)所示。为了便于比较,同时将硬脂酸的红外光谱图列入图3d。图3a和图3b分别为清洗和沸水处理之后的铝合金表面的红外吸收光谱,其中3650~3200cm-1处的吸收峰为Al-OH的伸缩振动吸收峰。图3c所示,从所制备的铝合金超疏水表面的红外吸收谱发生了很大变化,其中2920cm-1和2850cm-1处出现了较强的-CH2-的对称和反对称伸缩振动吸收峰,1470cm-1处有较强的-CH2-的弯曲吸收峰,1325cm-1处为-CH3对称弯曲吸收峰。另外,相对于图3d硬脂酸的红外光谱中1700cm-1处自由-COO-的吸收峰,在图3c接枝硬脂酸的铝合金的红外光谱中该峰发生移动,在1590cm-1处出现了配位-COO-的新吸收峰,该峰可推断为-COO-Al基团的吸收峰。表明在铝合金表面生成了硬脂酸铝的有机薄膜[7],从而在铝合金表面成功接枝上疏水性的烃基长链。

2.4 超疏水铝合金表面的微结构

我们用扫描电子显微镜(SEM)对所制备的超疏水铝合金表面的微结构进行了观察,得到的SEM形貌如图4所示。由图4a可以看出,超疏水铝合金表面存在不平整的粗糙结构。从其进一步放大倍数的照片(图4b)可以看出,这种不平整的粗糙结构是由多孔的花状表面上生长有微米级的花朵构成。而单个花朵(图4c)又是由多层厚度为50nm左右的花瓣组成,花瓣的片层间形成了空穴结构,空穴的直径在0.3μm到0.6μm之间。而多孔的花状基底(图3d)也是由规则的纳米孔结构组成,其孔径在50~100nm之间。从所制备样品的表面形貌可以发现,改性处理后的铝合金表面存在着微米-纳米二级复合结构。

2.5 铝合金表面超疏水机理探讨

由图4b的表面形貌分析结果可知,这种由多孔花状表面上生长有花朵所构成的微米-纳米二级复合结构,对铝合金表面上超疏水性的产生起了关键的作用。可以推断:由于纳米孔洞和花瓣间的空穴结构捕获了大量空气而形成气垫,当水滴接触这种表面时,花朵状微球体和孔洞中的气垫将水滴托起,根据Cassie等提出的复合表面接触角的计算公式[8]:

cosθr= f1cosθ- f2(3)

式中,f1表示水滴与固体的接触面占复合界面的分数,f2则表示水滴与空气的接触界面所占的分数( f1+ f2=1),θr和θ分别为粗糙表面和光滑表面上的表观接触角。

可以看出,固体表面的超疏水性能主要取决于其表面空气层所占的比例,而空气的填充比例取决于固体表面的粗糙度。提高空气在固体表面的填充度,由于空气疏水性强,水滴不能进入到材料表面空穴中,那么固体表面的疏水性能便会相应地得以提高。在本研究中,由粗糙铝合金表面和未经处理的光滑铝合金表面的接触角分别为155°和45°计算,可知f2=0.9451。这表明这种超疏水铝合金表面与水滴接触时,其中空气在接触界面所占的比例高达94.51%。因此可以看出,由不规则花朵结构形成的空穴和花状基底的孔洞与其之间填充的大量空气组成了复合表面有效地提高了铝合金固体表面上的空气层的比例,增强了铝合金表面的疏水性能,加之低表面能的硬脂酸修饰使其表面生长有疏水的烃基长链,从而使这种铝合金表面具备超疏水特性。

3 结论

通过简单环保的沸水处理工艺构造粗糙铝合金表面,用简单易行的硬脂酸修饰方法接枝烃基长链来降低表面自由能,成功地制备出了超疏水铝合金表面。这种超疏水性的形成是由表面的纳米孔和花朵状的微纳米结构及疏水长链共同决定的。

参考文献

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[7]余焜.材料结构分析基础[M].科学出版社,2010,6:148-157.

无机盐溶液表面张力的影响研究 篇4

把无机盐溶液作为单独的一类分出来，通过测定其表面张力，得出其表面张力随不同浓度、不同阴阳离子变化的规律，以便在选择表面活性剂、非表面活性剂、吸附剂等时起指示作用。最大气泡法测量动态表面张力操作简单、测量迅速，适用范围为一毫秒到一秒，测量的有效时间范围大，测量温度范围较宽[6,7]。本文采用最大气泡压力法，测定多种溶液的表面张力，总结其一般规律。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

氯化锂、氯化钠、氯化钾、溴化钾、碘化钾，天津市化学试剂三厂；无水氯化钙、氯化镁，天津市化学试剂三厂；无水碳酸钠、无水碳酸钾，长沙市延风化学试剂厂；以上药品均为分析纯。重蒸馏水，自制。表面张力测定装置，南京桑力电子设备厂，实验温度为20℃。

1.2 实验方法

分别配制浓度为0.10mol·L-1、0.20mo l·L-1、0.4 0 m o l·L-1、0.8 0 m o l·L-1、1.60 mo l·L-1、3.20 mo l·L-1的氯化钠、溴化钠、碘化钠、氯化锂、氯化钾、氯化钙、氯化镁、无水碳酸钠、无水碳酸钾溶液，分别测定了各溶液的表面张力。

2 结果与讨论

2.1 绘制表面张力图

根据测定的实验数据，绘制图1～图4的表面张力图。

图1～图3可知，每条曲线都持续上升，这表明所测的各无机盐溶液随着浓度增大，表面张力随之上升。测定的无机盐在水溶液中都是以离子形式存在，这些离子对于水分子的吸引而趋向与把水分子拖入溶液内部，此时在增加单位表面积所做的功中，还必须包括克服静电引力消耗的功[1,2]。随着溶液浓度的增加，溶液离子浓度增大，离子对于水分子的吸引力增大，增加单位表面积所做功逐渐增大，表面张力也随之增大，因此溶液随浓度的上升表面张力不断增大。

2.3 同主族阳离子对表面张力的影响

图1～图3可知，相同浓度条件下，γ氯化钾>γ氯化钠>γ氯化锂；γ氯化钙>γ氯化镁；γ碳酸钾>γ碳酸钠。从离子键键能方面分析：氯化钾、氯化钠、氯化锂的键能依次降低，氯化钙的键能大于氯化镁的键能，碳酸盐钾的键能大于碳酸钠的键能，这与盐溶液表面张力的大小一致。这是由于无机盐键能较大时阴阳离子作用较大在水溶液中形成阴阳水合离子作用力也较大，因此在增加单位表面积所做的功中，克服静电引力消耗的功也较大，因此表面张力较大，由此得出在元素周期表中同主族不同阳离子与相同阴离子形成的盐溶液，对表面张力的影响与其离子键键能大小一致，键能大的表面张力大，键能小的表面张力小。

从水合离子半径看：Li+、Na+、K+半径依次增加，但是在水溶液中金属离子会结合水分子形成水合阳离子而使离子有效半径变大。在水溶液中每一个金属离子直接结合的最高水分子数与该金属离子的最高配位数相等，随着离子半径的增大，中心离子对配位体的作用逐渐减弱，水化数逐渐减少，K+、Na+、Li+离子的水化数分别为3、4、5，水化作用导致离子的有效体积增大、相反电荷离子间的有效距离变大、离子间引力减弱，因此在增加单位表面积所做的功中克服静电引力消耗的功减小，使表面张力减小，故氯化钾、氯化钠、氯化锂的表面张力依次减小。

2.4 同主族阴离子对表面张力的影响

图4中可知表面张力与浓度基本呈线性关系，随着浓度的增大表面张力有所增大，相同浓度条件下，氯化钾、溴化钾、碘化钾的表面张力依次降低，即有γ氯化钾>γ溴化钾>γ碘化钾。这是由阴离子不同引起的，从离子键键能方面分析，氯化钾、溴化钾、碘化钾，其化合物的离子键键能依次减小，在增加单位表面积所做的功中，克服静电引力消耗的功也依次减小，故表面张力也依次减小；从离子半径来说，Cl-、Br-、I-半径依次增大，离子的半径越大，阴阳离子静电作用愈小，增加单位表面积克服静电引力消耗的功越少，则引起表面张力依次减小。

3 结论

(1)无机盐水溶液的表面张力随浓度的增大而上升。

(2)相同浓度条件下，在元素周期表中同主族阳离子与相同阴离子组成的盐溶液，自上而下其化合物的离子键能增大，水化离子半径逐渐减小，其盐溶液的表面张力从上至下依次增大。

(3)相同浓度条件下，在元素周期表中同主族阴离子与相同阳离子组成的盐溶液，自上而下其化合物的离子键能减小，水化离子半径逐渐增大，其盐溶液的表面张力从上至下依次减小。

参考文献

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表面活性剂水溶液 篇5

含N,S,O等功能团的化合物具有较好的缓蚀性能,目前研究较多的此类酸洗缓蚀剂主要有乌洛托品、植物提取液、醛、嘧啶和咪唑啉、壳聚糖等物质。表面活性剂由于具有疏水基团和亲水基团,可以在金属表面形成保护膜而抑制其腐蚀,也可用作有机缓蚀剂,如季铵盐类表面活性剂在酸性介质中有明显的缓蚀作用[1,2]。

碳氢表面活性剂CATB( 十六烷基三甲基溴化铵)已广泛用作金属缓蚀剂,对碳钢和镁合金都有一定的缓蚀作用[3~5]。碳氟表面活性剂[6]是用氟原子部分或全部取代普通碳氢表面活性剂碳氢链中的氢原子。此类表面活性剂具有高的表面活性、高耐热稳定性及高化学稳定性,既憎水又憎油[7,8],可以抵抗强氧化剂、强酸和强碱的作用,且在强酸强碱溶液中仍能保持良好的表面活性[9]。但目前还未见碳氟表面活性剂作为金属缓蚀剂的研究报道。本工作对比研究了阳离子碳氟表面活性剂FCI -3 和普通碳氢表面活性剂CTAB在HCl溶液中对钢铁的缓蚀性能,以扩展其用途。

1 试验

1. 1 基材前处理

基材为Q235 钢,用于全浸失重试验的尺寸为30 mm × 20 mm × 3 mm,用于电化学试验的尺寸为10 mm × 10 mm × 3 mm。 前处理如下: 用400,800,1 000,1 200,1 600 目砂纸逐级打磨,水磨至呈镜面光亮,再用蒸馏水、无水乙醇、丙酮清洗,冷风吹干,封装保存于干燥皿中。

1. 2 腐蚀条件

腐蚀溶液为1. 0 mol/L HCl及其含( 1. 3 ~ 40. 0) ×10- 5mol / L阳离子碳氟表面活性剂FCI -3{ F[CF( CF3)CF2O]2CF ( CF )3CONH ( CH2)3N ( C2H5)2CH3I } ,或0. 001 ~ 0. 010 mol / L普通碳氢表面活性剂CTAB( 分析纯) 的溶液。

(1)全浸腐蚀

将试样称重后浸入腐蚀溶液中,25℃恒温水浴6 h后取出;刷去腐蚀产物,依次用清水、蒸馏水、无水乙醇洗涤,冷风吹干后称重。

(2)电化学腐蚀

采用三电极体系:研究电极为试样,将打磨好的钢片与导线焊接,用环氧树脂和固化剂封装在PVC管中,裸露有效面积1.0 cm2,裸露面用砂纸打磨成镜面,用蒸馏水、无水乙醇、丙酮冲洗后冷风吹干;辅助电极为Pt电极,参比电极为232型饱和甘汞电极;室温下将试样在腐蚀溶液中浸泡30 min至电压稳定后再开始试验。

1. 3 缓蚀性能测试

(1)全浸腐蚀

采用Quanta200环境扫描电镜(SEM)观察试样的腐蚀形貌,用式(1)计算缓蚀效率:

式中 η———缓蚀效率,%

v’,v ———金属在含与不含缓蚀剂溶液中的腐

m0,m1———试样腐蚀前后的质量,g

S———试样表面积,m2

t———腐蚀时间,h

(2)电化学腐蚀

测试设备为Zahner TM6多功能电化学工作站,极化扫描自阴极向阳极进行,扫描范围为相对自腐蚀电位-0.25~0.35 V,扫描速率为0.5m V/s。通过Cview拟合,得出相应的腐蚀动力学参数(腐蚀电流密度Jcorr、腐蚀电位Ecorr、阳极和阴极塔菲尔斜率ba,bc),并用式(2)计算缓蚀效率:

式中J0corr,J’corr———添加缓蚀剂前后的腐蚀电流密度,A/cm2

交流阻抗测试的频率范围为1 × ( 10- 2~ 106) Hz,交流激励信号为10 m V。所得阻抗谱采用Zview软件进行拟合,并根据式( 3) 计算缓蚀效率[10]:

式中Rp,R’p———添加缓蚀剂前后的电荷转移电阻,Ω·cm2

2 结果与讨论

2. 1 全浸腐蚀

表1 为全浸泡腐蚀中,2 种表面活性剂不同浓度时的缓蚀性能。由表1 可以看出,当FCI-3 浓度为1. 3 ×10- 4mol / L时,缓蚀效率已达92% ,而CTAB浓度为0. 01 mol / L时,缓蚀效率才能达到92% ; FCI -3 的临界胶团浓度为1. 35 × 10- 3mol / L[11],CTAB的为0. 92 ×10- 3mol / L[12],两者差别不大,但当缓蚀效率达到90%以上时,FCI-3 的浓度较CTAB小1 ~ 2 个数量级。

2. 2 动电位极化曲线

2. 2. 1 FCI -3

图1 为Q235 钢在不同FCl -3 浓度HCl溶液中的极化曲线,相应的电化学参数见表2。由图1 及表2 可知: 加入缓蚀剂FCI -3 后,bc未发生明显改变,而ba在缓蚀剂浓度增加至1. 3 × 10- 4mol / L时突然增大,说明缓蚀剂在阳极的吸附速率大于解吸速率,吸附过程起主要作用,而自腐蚀电位Ecorr变化不大,表明缓蚀剂的存在并未改变阴、阳极反应机制,缓蚀效果主要来自缓蚀剂分子对电极表面的几何覆盖效应; FCI-3 对阴极反应和阳极反应都有抑制作用,属于混合型缓蚀剂; 自腐蚀电流密度Jcorr随FCl-3 浓度的增大而减小,即腐蚀速率随其浓度的增大而减小,说明缓蚀剂的加入抑制了金属表面的电极反应,具有一定的缓蚀效果; 随FCl -3浓度的增加,极化曲线的极化区间变大,缓蚀效率也增加。

2. 2. 2CTAB

图2 为Q235 钢在不同CTAB浓度HCl溶液中的极化曲线,相应的电化学参数见表3。

由图2 和表3 可知: 加入CTAB后,Ecorr正移,但不太明显,CTAB的浓度为0. 001 mol/L时,Ecorr相对于不加缓蚀剂的变化小于20 m V,一般只有当自腐蚀电位变化在85 m V以上才可以认为该缓蚀剂为阴极型或阳极型[13],因而CTAB不能认作单纯的阳极型缓蚀剂,其对阳极、阴极均有抑制作用,但对阳极反应的抑制作用大于对阴极反应的( ba< bc) ,其缓蚀作用仍为“几何覆盖效应”; 加入缓蚀剂前后阴、阳极极化曲线Tafel斜率均未发生明显改变,Ecorr变化也不明显,且Jcorr减小,说明CTAB与FCl -3 类似,具有一定的缓蚀作用,当CTAB的浓度为0. 05 mol/L时,缓蚀效率达81. 16% 。

2. 3 阻抗谱

图3 为研究体系电化学过程阻抗谱的等效电路。其中Rs为溶液电阻,Rp为电荷转移电阻,CPE为双电层电容。

2. 3. 1FCI -3

图4 为Q235 钢在不同FCl -3 浓度HCl溶液中的交流阻抗谱。阻抗谱呈半圆形,高频率端的容抗弧代表电极的反应特征,容抗弧与实轴的交点处表示研究电极到参比电极之间的溶液阻抗Rs,高频容抗弧的半径1 /2Rp表示电荷传递阻抗,中频部分的小容抗弧表示有吸附或中间产物生成,低频端的直线部分表示有物质扩散[14],相应的拟合数据见表4。其中,CPE为双电层电容,n表示相迁移系数。

由图4 和表4 可知: 随着FCI -3 浓度的增大,阻抗弧半径增大,Rp增大,高频出现的容抗弧表明,电极表面有较完整的膜生成,金属的腐蚀受到抑制,电荷传递在金属腐蚀中起主导作用; FCI -3 浓度较低时,Rp值增加不大,这是因为缓蚀剂在碳钢基体上吸附而形成的简单几何覆盖膜容易脱落,且形成的膜不完整; n值为0. 5 ~ 1. 0,说明电极表面存在弥散效应。以上结果都说明缓蚀剂在1. 0 mol/L HCl中表现出了良好的缓蚀性能,缓蚀率最高达95% 以上。

2. 3. 2 CTAB

图5 为Q235 钢在不同CTAB浓度HCl溶液中的交流阻抗谱,相应的电化学参数见表5。由图5 和表5可知: 加入CTAB后,阻抗弧半径增大,Rp增大,随着CTAB浓度的增大,缓蚀效率增大,CTAB浓度为0. 010mol / L时,缓蚀效率达88. 93% 。

2. 4 缓蚀形貌

图6 为2 种缓蚀剂最好缓蚀效果下的Q235 钢腐蚀形貌。由图6 可知: 不含缓蚀剂时,Q235 钢的表面己经全面腐蚀,相当粗糙,腐蚀产物粗大; 添加了0. 010mol / L CTAB后,Q235 钢表面相对平整一些,但也有少量粗大腐蚀产物; 添加4. 0 × 10- 4mol / L FCI -3 后,Q235 钢表面形成一层灰色保护膜,腐蚀比较轻微。这说明缓蚀剂在金属表面吸附,覆盖了反应活性中心,阻碍了侵蚀性离子与金属的进一步接触,缓解了金属的腐蚀。

2. 5 缓蚀机理

在HCl体系中碳钢表面带负电荷[15],因而选择性吸附带正电荷的缓蚀剂。带正电荷的表面活性剂的缓蚀作用可以解释为带正电荷的表面活性剂与带负电的碳钢表面主要发生物理静电作用,即物理吸附且疏水疏油,在远离金属表面做定向排布,形成疏水隔离层,阻止腐蚀产物亚铁离子向溶液中扩散及溶液中的H3O+移向金属的腐蚀过程,从而降低了金属的腐蚀速率。从极化曲线和交流阻抗谱都可以看出,FCI -3 和CTAB的缓蚀机理基本一致,即使两者的临界胶团浓度在同一个数量级,但达到相同缓蚀效率时,FCI -3 所需浓度明显小于CTAB的,这是由两者的结构差别所致。

碳氟表面活性剂的尾链为疏水疏油基,不仅可以阻止亲水离子向其靠近,而且还可以阻止溶液中能够对金属造成腐蚀的亲油离子的靠近。从尾链的组成来看,氟原子半径比氢原子大,能将碳原子完全遮盖起来,且氟原子的电负性大,碳氟链中C的电子偏向氟,降低了C -C之间的共价键键能,使疏水疏油的尾链刚性降低,容易弯曲。

CTAB为普通的碳氢表面活性剂,由于极性基带正电荷,可以吸附在带负电荷的碳钢表面,起到缓蚀作用,但是其碳氢链为疏水链,仅对亲水性离子起作用;碳氟链不易弯曲,这些因素均使其的缓蚀能力落后于碳氟表面活性剂,只能靠增加缓蚀剂的浓度来弥补。

3 结论

( 1) 阳离子碳氟表面活性剂FCI -3 和碳氢表面活性剂CTAB在1. 0 mol/L HCl溶液中对Q235 钢的缓蚀机理是一致的,均属“几何覆盖效应”,均属于混合型,后者以抑制阳极反应为主,且缓蚀效率均随缓蚀剂浓度的增加而增大。

表面活性剂水溶液 篇6

一、表面张力实验数据处理

1. 实验数据

实验使用最大气泡法,实验温度T为298.15K,该温度下纯水的表面张力σ水为0.07197N/m。溶液为正丁醇水溶液,浓度c和对应的表面张力σ数据如表1所示。

2. 数据处理

本文使用希什科夫斯基经验公式为模型拟合σ-c关系曲线。模型如(1)式所示:

式中:x1,x2为模型待定参数。由于(1)式为非线性函数,要用非线性最小二乘曲线拟合方法。

(1)σ-c关系曲线拟合

本文用Levenberg-Marquardt算法拟合表1的8个(c,σ)数据点,编程计算得0.145,0.0377。将,数值代入(1)式,得σ-c关系的希什科夫斯基经验式为:

方程(1’)的图形如图1所示。本曲线拟合的确定系数R2=0.997,说明拟合效果很好。拟合曲线是单调的,符合表面张力随溶液浓度增加而单调下降的事实。整个曲线的凹凸性是一致的,曲率半径随浓度的增加也是单调变化的。

对希什科夫斯基经验式(1)求导,代入Gibbs吸附等温式:(2)

(2)求c/Г-c关系方程

式中:R=8.314 J·mol-1·K-1。

推导出c/Γ-c符合直线关系:

将R,T,σ水,x1,x2数值代入(3)式,得到c/Г-c的直线方程:

(3)计算正丁醇分子横截面积

在稀溶液范围内,表面吸附量与溶液的浓度符合如下经验方程:

式子中Г∞为饱和吸附量,K为经验常数。

对比(4)和(3’)式,可知1/Γ∞=2.38×105m2/mol,正丁醇分子横截面积由下式:

计算,式中N为Avogadro常数。算得正丁醇分子横截面积S0为3.95×10-19m2。

(4)外推法求S0

以希什科夫斯基模型分别拟合表1中浓度最低的3、4、5、6、7、8个数据点,得到的模型系数X1和确定系数R2如表2所示。根据本文(2),(3)中的方法计算的正丁醇分子横截面积S0也见表2。参与拟合的数据浓度范围的中位数cm也列于表2。表2中拟合的确定系数R2都很接近与1,说明希什科夫斯基模型拟合效果很好。以表2中分子横截面积S0为纵坐标,浓度范围的中位数cm为横坐标作图,并拟合直线,如图2所示。

图2中拟合直线方程为:

直线拟合的确定系数R2为0.935,说明S0和cm高度线性相关。从表2和图2可以看出,总体趋势是:参与拟合的数据点的浓度范围的中位数cm越小,计算的正丁醇分子横截面积S0越小,相对于文献值偏差也越小。根据(6)式,可得到cm趋近于0时S0的极限为2.80×10-19m2。

二、讨论

本文根据希什科夫斯基模型,用非线性最小二乘曲线拟合方法拟合了溶液的σ-c关系。相对于高次多项式拟合,其优点是能够过滤数据点的偶然波动,使拟合曲线能反映数据点的总体变化趋势。

用希什科夫斯基模型拟合出σ-c关系曲线之后只需要2个步骤就可求出正丁醇分子横截面积,简便。

在本文“一、表面张力实验数据处理”的(3)部分计算的正丁醇分子截面积S0为3.95×10-19m2,比文献值(0.274~0.289nm2)偏大一些。原因是计算中用到的(2)、(4)式中使用了浓度而不是活度。只有在稀溶液情况下,浓度才近似等于活度,而实验溶液的正丁醇浓度并不是很稀的,导致计算的正丁醇分子截面积偏差较大。

浓度趋近于0时,浓度就趋近于活度,以浓度趋近于0时的极限值作为正丁醇分子横截面积,可以避免以浓度代替活度的误差,计算的正丁醇分子横截面积S0应该趋近于真值。根据(6)式外推的S0=2.80×10-19m2,与文献值符合得很好,说明外推是比较可靠的。

表2中第三、四个S0数值的变化趋势与总体趋势稍微不同,可能是实验的偶然误差所致。作为一种低成本的方法,最大气泡法有吸附难以达到平衡的缺点,精度不高是可以理解的。使用容易达到吸附平衡的拉脱法,代替最大气泡法,有可能降低误差,提高实验精度。

三、结束语

希什科夫斯基模型拟合的σ-c关系曲线能很好地反映正丁醇水溶液表面张力与浓度的函数关系,后续的数据处理也较方便,外推法求正丁醇的横截面积的结果较准确。

本文数据处理方法已编成软件,并在表面张力测定实验教学中使用,效果显著。

摘要：为了改进最大气泡法测正丁醇溶液表面张力实验的数据处理,用希什科夫斯基模型拟合了σ-c关系曲线,拟合效果较好,拟合后的处理步骤简便,并用外推法确定正丁醇分子横截面积,结果更准确。

关键词：物理化学实验,表面张力,最小二乘曲线拟合

参考文献

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[2]丑华,朱宇萍.最大气泡法测定乙醇溶液表面张力[J].内江师范学院学报,2009,24(6):72～75

[3]王瑞芳.最大泡压法测溶液表面张力实验数据的计算机处理[J].华南农业大学学报,2001,22(2):92～94

表面活性剂水溶液 篇7

将废旧橡胶粉碎成胶粉掺用在橡胶［７］、塑料［８］、沥青［９］和水泥［１０］等材料中,能起到增量、增强或赋予材料新功能的作用,因此被广泛应用于橡胶［１１－１２］、塑料［１３－１４］、建筑材料［１５－１６］及铺装材料［１７－１８］等领域。但由橡胶、炭黑、硫化促进剂及软化剂等多种物料组成的胶粉是一种表面含交联结构的惰性硫化胶,与共混材料表面的性质不同,相容性较差,直接掺用难以在界面形成较好的粘接界面,将导致复合材料的力学性能大幅度下降,达不到预期效果［１９］。因此,增强胶粉与共混材料两相相容性与结合力成为废旧橡胶回收利用的热点与难点［２０］。 采用一定的方法对废胶粉表面进行物理或化学改性,提高与其他高分子材料的界面结合能力,就可能提升复合材料的综合性能,从而大大增加胶粉的应用领域。本实验考察在水分散体系中次氯酸钠酸溶液对废旧轮胎胶粉表面活化改性的情况,对活化胶粉的红外光谱和表面润湿性等进行测试与表征。 经次氯酸钠酸溶液表面改性处理的废旧轮胎胶粉通过某些性质的调整,有望与ABS树脂等极性高分子材料共混,制备相容性较好、综合性能优异的聚合物共混物。

1实验部分

1.1材料

实验所用废胶粉为60目废旧轮胎胶粉,由江西利新橡胶有限公司提供,记为WGTR;次氯酸钠(分析纯,有效氯含量≥8.0%),西陇化工股份有限公司;浓盐酸[分析纯,36.0%~ 38.0%(wt,质量分数,下同)],西陇化工股份有限公司;乙酸乙酯(分析纯,含量≥99.5%),天津市大茂化学试剂厂。

1.2废旧轮胎胶粉的活化改性

称取20g废旧轮胎胶粉加入带有搅拌器和温度控制装置的三口瓶中,加入200mL蒸馏水,边搅拌边加热,待升温至预设温度后,再依次加入适量次氯酸钠、2mL浓盐酸,恒温搅拌, 使其反应一段时间后,抽滤,洗涤,烘干,即得活化改性废旧轮胎胶粉。

1.3废旧轮胎胶粉的表面润湿性测试

毛细作用取决于液体的表面张力和固体的接触角,通过透过高度法测定室温下乙酸乙酯在胶粉柱中的透过状况,隔段时间记录液体润湿的体积,可以得到乙酸乙酯对胶粉的润湿性情况。由Washburn方程,液体在t时间内润湿的体积V可用式(1)表示:

式中,γ为乙酸乙酯的表面张力;R为胶粉柱的有效毛细管半径,以固定的方法装柱可使其近视为一不变常量;η为乙酸乙酯的粘度;θ为润湿接触角。

作V２-t的关系图,拟合得到一条直线,其斜率为k。 以未经处理的废旧轮胎胶粉作参比,由式(2)计算改性废旧轮胎胶粉的相对润湿角θｒ,相对润湿角表示活化处理使乙酸乙酯在胶粉表面接触角增大的数值,值越大表明提升胶粉润湿性的效果越好。

式中,k０,k１分别为改性前后废旧轮胎胶粉的V２-t图对应的直线斜率。

2结果与讨论

2.1次氯酸钠酸溶液改性机理

次氯酸钠和浓盐酸可以发生反应生成游离态的氯,利用水溶液中的游离氯侵蚀二烯烃类橡胶［２１］。同时作为强氧化剂,次氯酸能氧化橡胶的表面,通过在胶粉表面与之发生氧化反应引入极性基团,如—OH、—COOH及等,从而增加橡胶的表面润湿性［２２］。

[(Ⅰ)未改性胶粉;(Ⅱ)次氯酸钠酸溶液处理胶粉]

废旧轮胎胶粉改性前后表面的化学组成采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR Nicolet 5700型,Thermo Nicolet,美国)进行分析,结果见图1。可见,废胶粉经过次氯酸钠酸溶液处理之后,657cm－１处的C—Cl吸收峰、1436cm－１处的甲氧基特征吸收峰、1845cm－１处的羰基C  O伸缩振动吸收峰均增强,而3442cm－１和3731cm－１处羟基的透射率减小,表明氯基、甲氧基、羰基、羟基等极性基团含量有所增加。亚甲基的面内摇摆在808cm－１左右,2854cm－１、2921cm－１是其吸收峰,峰值增大意味着亚甲基基团的减少;同时1627cm－１处峰强度减小是因为该处C C双键发生了加成或取代反应,引入了含氯基团。 证实次氯酸钠酸溶液处理后胶粉表面的基团发生了变化。

2.2胶粉表面润湿性标准曲线的建立

对未经活化处理的废旧轮胎胶粉进行表面润湿性测试, 并作V２-t的关系图,建立胶粉表面润湿性标准曲线,结果见图2,该标准曲线拟合成斜率k０值为0.00131的直线。按同样方法得到改性胶粉表面润湿性曲线的斜率,并计算改性胶粉相对未改性胶粉的表面接触角。

2.3次氯酸钠酸溶液改性对胶粉表面润湿性的影响

2.3.1次氯酸钠用量对胶粉表面润湿性的影响

控制活化反应时间为10min,反应温度为60℃,考察次氯酸钠用量对废旧轮胎胶粉表面润湿性的影响,结果见图3。

由图3可知,次氯酸钠用量对废旧轮胎胶粉的表面润湿性有较大影响,废旧轮胎胶粉的相对润湿角随次氯酸钠用量的增加而增大,表明增大次氯酸钠用量可以明显加深胶粉氯化、氧化程度,从而增强活化效果。但是考虑到在实际生产过程中,增大次氯酸钠的用量,会导致生产成本的显著增加,也会加大对材料的损伤,因此,应按生产需要合理选择次氯酸钠用量。

2.3.2活化反应温度对胶粉表面润湿性的影响

控制次氯酸钠用量为4mL,活化反应时间为10min,考察活化反应温度对废旧轮胎胶粉表面相对润湿性的影响,结果见图4。

由图4可看出,在30~60℃时,废胶粉表面润湿性随着温度的升高而增加。但是在60℃以后,改性效果明显降低,因此最适合的活化反应温度应当为60℃。这可能是由于次氯酸钠酸溶液与废胶粉表面发生的活化反应为吸热反应,随温度的升高,活化效果增强,而当温度过高时,溶液中的次氯酸钠发生歧化反应,使溶液中的有效率降低,导致活化效果减弱［２１］。

2.3.3活化反应时间对胶粉表面润湿性的影响

控制次氯酸钠用量为4mL、活化反应温度为60℃,考察活化反应时间对废旧轮胎胶粉表面相对润湿性的影响,结果见图5。

由图5可见,活化反应时间对废旧轮胎胶粉表面相对润湿性有很大的影响。随着活化反应的进行,废旧轮胎胶粉的表面润湿性呈线性增大趋势,反应10~20min后,胶粉表面润湿性增幅减缓,当反应时间进一步延长时,其表面润湿性基本保持稳定。其原因可能是次氯酸钠酸溶液在废旧轮胎胶粉表面发生的活化反应已经终止,结合图3的分析结果,应该是溶液中次氯酸钠随活化反应进行而消耗殆尽。

3结论

(1)活化后胶粉所对应碳碳双键、亚甲基等基团的红外吸收峰减弱;对应氯基、羟基、羰基等极性基团的吸收峰显著增强。证实次氯酸钠酸溶液处理可改善废旧轮胎胶粉表面活化能,提高其极性。

(2)未改性胶粉表面润湿性标准曲线满足:V２=0.00131t+ 1.60653×10－５,R２=0.99937。

表面活性剂水溶液 篇8

X70碳钢在硫酸、硝酸和磷酸等溶液中发生阳极溶解时都存在电流振荡现象,即电流在某一电位区间或某一恒定电位下呈现出周期性的变化。电流振荡的产生原因是电极表面钝性保护膜的周期性生成和溶解。电流振荡的出现涉及到金属的活化溶解、预钝化和钝化过程,而且与反应机理有着直接的联系,因此可以通过观察电流振荡现象研究金属的活化过程和钝化过程,深入探究腐蚀机理。

表面粗糙度对金属的耐蚀性有着非常重要的影响[1,2,3,4,5]。一般认为光亮平滑的表面不容易吸附腐蚀介质。左禹等[6]研究发现,电极表面越粗糙,316 L不锈钢在氯离子介质中的亚稳态和稳态点蚀程度越剧烈。王梅丰等[7]研究发现,表面粗糙度减小,304不锈钢表面的活性点的数目和亚稳孔的形核数目减少,点蚀程度减轻。

本文采用动电位极化和恒电位极化技术,观察不同表面粗糙度的X70钢对应的电流振荡现象,研究表面粗糙度对X70碳钢在0.5 mol/L HNO3溶液中的阳极溶解行为产生的影响。

1 实验

采用三电极电解池,工作电极是由X70碳钢棒(0.04%C,1.46%Mn,0.24%Si,0.003%S,0.008%P,d=2.0 mm)制成,钢棒一端焊接铜导线,镶嵌于聚四氟乙烯管中,并用环氧树脂仔细涂封,仅留有未焊接导线一端的端面与溶液接触。每次实验前,用60#、600#或2000#碳化硅砂纸打磨,用蒸馏水清洗,然后再用超声波清洗器在二次蒸馏水中清洗1 min。以铂电极作为辅助电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,文中所有电位均相对于SCE。

腐蚀电解质为0.5 mol/L HNO3溶液,由分析纯试剂和二次蒸馏水配制而成。

电化学测试采用CHI 604B电化学分析仪,在室温下进行。循环伏安曲线扫描时先从-0.5 V正向扫描至0.6 V,然后再逆向扫描至-0.5 V,扫速为10 m V/s。恒电位极化时,记录施加电位后的600 s内电流随时间的变化情况。

2 结果与讨论

2.1 表面粗糙度对X70碳钢在HNO3溶液中循环伏安曲线的影响

图1为不同表面粗糙度的X70碳钢在HNO3溶液中的循环伏安曲线。图1A为60#砂纸打磨后的电极,可以看出,正向扫描时循环伏安曲线大致可分为3个区:活化区(Ⅰ):电流密度随电位的正移而线性增加,有电流峰出现;预钝化区(Ⅱ):如果对工作电极施加位于该电位区间的某一恒定电位,就能观察到周期性的电流振荡现象;钝化区(Ⅲ):由于致密的钝化膜在电极表面形成,电流下降到接近于零,而且非常稳定。

如图1A所示,X70碳钢经60#砂纸打磨后,正向扫描时活化区的峰值电流(imax)为3.82 A cm-2,在电位达到0.567 V时电极开始钝化(此时的电位即为钝化电位Ep);600#砂纸打磨后的电极,如图1B所示,imax=3.47 A cm-2,Ep=0.457 V;2000#砂纸打磨后的电极,如图1C所示,imax=2.55 A cm-2,Ep=0.353 V。但是逆向扫描过程中的再活化电位Ea(逆扫过程中电流突然增大时对应的电位)却几乎不受表面粗糙度的影响。

因此,电极表面越光滑,峰值电流越小,钝化电位越负;相反,电极表面越粗糙,峰值电流越大,钝化电位越正。

2.2 表面粗糙度对X70碳钢在HNO3溶液中i-t曲线的影响

2.2.1 0.22 V恒定电位下表面粗糙度的影响

图2A为E=0.22 V时经60#砂纸打磨过的X70碳钢在HNO3溶液中的i-t曲线,可以看出电流一直较大,没有出现振荡,表明电极一直处于活化溶解状态。图2B为经600#砂纸打磨过的X70碳钢的i-t曲线,可以看出,电流在340 s之前一直较大,电极一直处于活化溶解状态;在340 s开始出现电流振荡,且振荡周期较短、振幅较小。电极表面经2000#砂纸打磨后,如图2C所示,在70 s时就出现了电流振荡。

分析图2中的3条曲线可以得出:相同电位下,电极表面越粗糙,处于活化溶解状态的时间越长;电极表面越光滑,越早出现电流振荡。与活化溶解状态相比,电流振荡对应的是电极表面的钝化过程与活化过程的交替出现,在钝化过程中,由于电极表面钝性保护膜的存在,腐蚀电流较小,因此电流振荡时的腐蚀程度比活化溶解时轻。由此可以得出,电极表面越光滑,腐蚀程度越轻微;电极表面越粗糙,腐蚀程度越严重。

2.2.2 0.40 V恒定电位下表面粗糙度的影响

图3为E=0.40 V时不同表面粗糙度的X70碳钢在HNO3溶液中的i-t曲线。由图3A可以看出,表面经60#砂纸打磨过的电极,在40 s时出现电流振荡。表面经600#砂纸打磨过的电极(图3B),一开始就有电流振荡出现,与图3A相比,振荡周期较长,频率较低,振幅较大。当表面粗糙度为2000#时(图3C),600 s内没有出现电流振荡,电流密度很小而且较稳定,表明电极一直处于钝化状态。

同样可以得出:在0.40 V电位下,电极表面比较粗糙时,钝化出现的较晚,阳极溶解程度比较剧烈;当电极表面比较光滑时,较早开始出现钝化;当电极表面非常光滑时,电极可以一直处于钝化状态。

图3 0.40 V电位下表面粗糙度对X70碳钢在0.5 mol/LHNO3溶液中i-t曲线的影响Fig.3 Effects of surface roughness on the i-t curves of X70 carbon steel in 0.5 mol/L HNO3solution at the potential of 0.40 V

从图2和图3可以得出:电极表面越粗糙,钝性保护膜在其表面越难形成,因此腐蚀程度就较剧烈;相反,电极表面越光滑,越易在其表面形成钝性保护膜,腐蚀程度就较轻微。

3 结论

本文通过电化学方法研究了表面粗糙度对X70碳钢在HNO3溶液中的阳极溶解行为产生的影响,得出以下结论:电极表面越光滑,循环伏安曲线中,峰值电流越小,钝化电位越负。电极表面比较光滑时,0.22 V电位下电极由活化溶解变为振荡溶解;0.40 V电位下,电极由振荡溶解变为钝化状态,即表面越光滑,电极越容易进入钝化状态,腐蚀越轻微。

摘要：采用动电位极化和恒电位极化技术研究了表面粗糙度对X70碳钢在0.5 mol/L HNO3溶液中的阳极溶解行为产生的影响。X70碳钢在0.5 mol/L HNO3溶液中发生阳极溶解时有电流振荡现象出现,振荡是由电极表面膜的周期性生成和溶解导致的。通过分析不同表面粗糙度时的电流振荡,得出结论:表面比较粗糙时,电极难以钝化,阳极溶解比较剧烈;相反,表面非常光滑时,电极容易钝化,阳极溶解比较轻微。

关键词：X70碳钢,HNO3,阳极溶解,表面粗糙度

参考文献

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