月桂酸類緩蝕劑的合成及性能評價

于海洋， 徐 妍， 張捷舒， 徐 帥， 候大慶， 龍小柱

(沈陽化工大學 化學工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

緩蝕劑具有成本低、不改變金屬特性、能用于多種腐蝕環境等優點[1-3].目前雖然國內外研究出了多種咪唑啉類緩蝕劑，但由于它們有著不同的使用條件，所以，對于各類高酸性氣田的開發并不通用，應用效果不能得到充分發揮.但是月桂酸類緩蝕劑制備方法簡單、反應原料易得，可以應用于多種酸性環境中，有效地防止金屬被腐蝕，所以，在各種防腐蝕方法中占據重要地位，并且在生產過程中被廣泛應用.研究出性能優良的緩蝕劑，對于提高經濟效益和石油工業的發展至關重要[4-6].實踐證明，在防止金屬腐蝕的方法中，使用添加劑是一種工藝簡便、經濟實惠、通用性強的防腐措施[7-8].

本文主要研究咪唑啉季銨鹽緩蝕劑合成的最優方案，該緩蝕劑的緩蝕效果采用靜態失重法[9]進行評價，并進行紅外表征.

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

月桂酸、二乙烯三胺、二甲苯、氯化芐、異丙醇、硼酸均為分析純試劑.標準A3鋼片(規格為10 mm×50 mm×2 mm，密度為7.915 g/cm3)、電熱鼓風干燥箱、紅外光譜儀.

1.2 緩蝕劑的制備及原理

第一步，酰胺化反應：將月桂酸和二甲苯通入四口燒瓶，升溫攪拌后加入催化劑硼酸和二乙烯三胺，當出現水時，說明酰胺化反應開始了.在酰胺化反應差不多結束后，進行環化反應，環化反應結束后開始抽真空.

第二步，季銨化反應：將反應放在水浴鍋中繼續進行，加入異丙醇及適量季銨化試劑，調節需要的溫度繼續反應，最終得到深棕色油狀月桂酸緩蝕劑.

反應機理如下：

1.3 緩蝕性能評價方法

實驗的測試條件為：溫度60 ℃，質量分數為15 % 的鹽酸溶液，緩蝕劑的加量為1.5 %(質量分數，以下同)，鋼片在酸性介質中腐蝕時間為4 h.

1.3.1 腐蝕速率計算[10-11]

式中：vc—腐蝕速率，g/(m2·h)；k—所采用單位的常數；m0—掛片腐蝕前的質量，g；mt—掛片腐蝕后的質量，g；S一掛片的表面積，m2；t—實驗時間，h；ρ—掛片密度.

1.3.2 緩蝕率η1的計算

式中：η1—緩蝕率；△m0—空白實驗中試片的質量損失，g；△m1—加入緩蝕劑的實驗中試片的質量損失，g.

2 結果與討論

2.1 中間體合成的工藝條件

2.1.1 原料物質的量比對產物緩蝕性能的影響

設置原料物質的量比分別為1∶0.9、1∶1、1∶1.1、1∶1.2、1∶1.3，催化劑硼酸用量1.0 %(質量分數，以下同)，酰胺化溫度為140～160 ℃，酰胺化時間為2 h,環化溫度為180～220 ℃，環化反應時間為2 h，咪唑啉中間體與氯化芐的物質的量比為1∶1，季銨化反應時間為2 h.通過改變原料物質的量比，考察緩蝕劑在鹽酸介質中的緩蝕性能，結果如圖1所示.

圖1 原料物質的量比對產物緩蝕性能的影響

由圖1得出：原料物質的量比的變化是影響實驗結果的一個因素，即當酸胺物質的量比在1∶0.9～1∶1時，隨著原料物質的量比的逐漸減小，產物緩蝕性能隨之增大；但當原料物質的量比繼續減小時，緩蝕率逐漸下降.因此可以得知，當原料物質的量比為1∶1時，產物緩蝕性能較佳.因此，選用原料物質的量比為1∶1進行實驗.

2.1.2 催化劑(硼酸)用量對產物緩蝕性能的影響

選取催化劑質量分數分別為1 %、1.1 %、1.2 %、1.3 %、1.4 %，其他條件不變，分析其對產物緩蝕性能的影響，測量結果如圖2所示.

圖2 催化劑質量分數對產物緩蝕性能的影響

2.1.3 環化時間對產物緩蝕性能的影響

改變環化時間分別為1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h，其他條件不變，通過改變環化反應時間，討論其對產物緩蝕性能的影響，測量結果如圖3所示.

圖3 環化時間對緩蝕性能的影響

在考查范圍內，隨著環化時間的增加，產物的緩蝕性能逐漸增強，當環化時間為2 h時，產物緩蝕性能較好.因此，環化反應時間選用2 h.

2.1.4 正交試驗

對中間體的合成設計正交試驗.因素選擇酸胺物質的量比、催化劑用量、環化時間，每個因素選取三個水平，采用L9(33)正交表，如表1、表2所示.

表1 反應因素水平表

表2 L9(33)正交試驗數據分析

通過計算極差得到正交結果，優化條件C2>A3>B1.說明催化劑加入量對緩蝕劑的合成影響最大，其次，依次是原料物質的量比和環化時間.

綜上所述，當原料物質的量比[n(月桂酸)∶n(二乙烯三胺)]為1∶1、催化劑質量分數為1.3 %、環化時間2 h時，反應最佳.

2.2 季銨化反應的工藝條件

2.2.1 季銨化反應原料物質的量比對產物緩蝕性能的影響

其他條件不變，改變咪唑啉中間體與季銨化試劑氯化芐的物質的量比分別為1∶1、1∶1.1、1∶1.2、1∶1.3、1∶1.4，反應得最終產物為月桂酸緩蝕劑.觀察原料物質的量比[n(咪唑啉)∶n(氯化芐)，以下同]對產物緩蝕性能的影響，測得結果如圖4所示.

危重病患者具有發生深靜脈血栓的多種危險因素，一旦深靜脈血栓發生將可能加重全身病情，影響伴發疾病的治療，同時深靜脈血栓本身的嚴重并發癥亦可導致患者重要臟器功能受損甚至死亡，故積極預防深靜脈血栓的發生更加重要，越來越多的學者研究深靜脈血栓的預防策略，使具有多種危險因素的危重病患者避免深靜脈血栓及其并發癥的發生。

圖4 季銨化原料物質的量比對產物緩蝕性能的影響

在鹽酸評價溶液中，當咪唑啉中間體與氯化芐的物質的量比為1∶1.2時，產物的緩蝕性能最佳.因此，季銨化反應中咪唑啉中間體與氯化芐的最佳物質的量比為1∶1.2.

2.2.2 季銨化反應溫度對產物緩蝕性能的影響

固定其他條件不變，改變季銨化溫度，在常壓條件下反應得最終產物月桂酸緩蝕劑.考察季銨化溫度對產物緩蝕性能的影響，反應溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃，測得結果如圖5所示.由圖5可知:40～60 ℃時，隨著溫度升高緩蝕率達到最佳；當溫度大于60 ℃時，緩蝕率開始下降.因此，最佳季銨化反應溫度為60 ℃.

圖5 反應溫度對產物緩蝕性能的影響

2.2.3 季銨化反應時間對產物緩蝕性能的影響

在其他條件不變的情況下，考察季銨化反應時間對產物緩蝕性能的影響.季銨化反應時間分別為1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h，考察月桂酸緩蝕劑在鹽酸介質中的緩蝕性能，測得結果如圖6所示.

圖6 反應時間對產物緩蝕性能的影響

由圖6可知：在鹽酸介質中，在季銨化時間為2 h時，產物的緩蝕性最高；當反應時間低于2 h時，產物的緩蝕率一直增加；當反應時間大于2 h時，產物的緩蝕率一直下降.所以，最佳季銨化反應時間為2 h.

2.2.4 季銨化反應正交試驗

選取季銨化溫度、季銨化時間、季銨化試劑的加量三個因素，釆用L9(33)正交表.正交試驗所選取的試驗因素、水平、表頭設計參見表3，正交試驗數據分析見表4.

通過正交試驗結果分析，季銨化時間對緩蝕劑的合成影響最大，極差R為1.25；季銨化試劑加量和季銨化溫度影響效果相同，極差R為0.58.正交試驗最好的結果是A3B3C1.

表3 季銨化反應因素水平表L9(33)

表4 L9(33)季銨化正交試驗數據分析

3 月桂酸緩蝕劑的分子結構表征

實驗利用紅外光譜儀對所合成的月桂酸緩蝕劑的結構進行表征，結果如圖7所示.

圖7 月桂酸緩蝕劑紅外譜圖

圖7為月桂酸緩蝕劑的紅外譜圖.由圖7分析可得：在1 600 cm-1處有吸收峰，代表存在C===N 雙鍵伸縮振動吸收峰；在1 160 cm-1處出現吸收峰，代表存在C—N單鍵伸縮振動吸收峰；在700 cm-1處、1450 cm-1處存在顯著的芐基吸收.通過對比季銨鹽的紅外譜圖可以看出，其形狀與季銨鹽的形狀相似度高，在此基礎上改善了水溶性，最終證明此結構己完成了季銨化反應.

4 結 論

(1) 實驗數據分析得到，月桂酸與二乙烯三胺物質的量比為1∶1、催化劑質量分數為1.3 %、環化時間為2 h是酰胺化反應中的最佳合成條件.

(2) 咪唑啉中間體與季銨化試劑物質的量比為1∶1.2、季銨化反應溫度為60 ℃、季銨化反應時間為2 h是季銨化反應中的最佳合成條件.

(3) 通過對該緩蝕劑官能團結構的紅外表征，證明所合成的產物與目標產物一致.

(4) 將合成的月桂酸型緩蝕劑在評價溶液中進行實驗，得到最佳緩蝕率為97.74 %，此時緩蝕劑表現出的效果非常突出，可以直接應用于現代工業中.