Выбор растительного сырья для создания высокоэффективных ингибирующих композиций

Среди разнообразных методов защиты металлов от атмосферной коррозии защита изделий, конструкций с помощью ингибиторов занимает особое место. Отличительными чертами этого метода являются простота и дешевизна.

При использовании таких ингибиторов поверхность металла и сконденсировавшаяся на ней пленка влаги искусственно или самопроизвольно насыщаются определенными химическими веществами, способными влиять на скорость электрохимических реакций, обуславливающих протекание коррозионного процесса [1].

Ингибиторы атмосферной коррозии делятся на два класса: контактные и летучие. В состав обоих типов входят группы, тормозящие развитие коррозионного процесса, а в составе летучих ингибиторов дополнительно содержатся компоненты, придающие веществу необходимую летучесть. Поэтому контактные ингибиторы представляют собой преимущественно неорганические соединения (нитриты, бензоаты, олеаты, хроматы), а летучие ингибиторы – соли аминов и слабых органических и неорганических кислот: нитробензоаты, нитрофеноляты, азолы, фосфорсодержащие соединения и др.

Однако перечисленные высокоэффективные химические соединения имеют ряд недостатков, а именно, дефицитность, довольно большую стоимость и токсичность. В связи с возрастающими экологическими требованиями существует необходимость поиска нового сырья для создания экологически безопасных ингибиторов коррозии. 

На сегодняшний день наиболее перспективным является разработка экологически чистых ингибирующих композиций на основе продуктов растительного происхождения с высокой эффективностью действия [2,3]. Растительное сырье содержит комплекс органических соединений, потенциально способных к торможению коррозионных процессов, поэтому в последние годы они все чаще используются при создании экологически безопасных продуктов [4,5]. В Украине ежегодно перерабатываются тысячи тонн растительных культур, а значит, образуется большое количество отходов, которые могут стать альтернативным сырьем для создания ингибирующих композиций.

Поэтому целью работы было исследование возможности использования растительных органических веществ для создания, как контактных, так и летучих ингибиторов атмосферной коррозии. Для этого была изучена противокоррозионная эффективность по отношению к черным металлам водных экстрактов и летучих фракций экстрактивной части растительного сырья.

Объекты исследований и методика испытаний

Для исследования было отобрано сырье, которое выращивается в Украине в промышленных объемах и имеет широкую сырьевую базу. Это, прежде всего, шишки хмеля, жмых семян рапса, жмых семян и кисти винограда. Также исследовали семена укропа.

Водные экстракты растительных веществ получали на основе дистиллированной воды с концентрацией сухого продукта 10%. Полученную смесь доводили до кипения и при периодическом перемешивании кипятили в течение 1,5 часа. Готовый раствор экстракта получали после охлаждения и отцеживания. Для извлечения летучих растительных веществ экстракт готовили путем настаивания предварительно измельченного растительного сырья в изопропиловом спирте в течение суток в соотношении 1:10.

Противокоррозионные свойства экстрактов исследовали по двум следующим методикам. В случае использования растительного сырья для создания контактного ингибитора проводили электрохимические исследования на установке для поляризационных измерений, включающей потенциостат ПИ-50-1, программатор П-8 и мешалку ММ-5. В качестве рабочего электрода использовали образец стали марки Ст3 площадью 0,385см2, запрессованный в тефлон. В качестве вспомогательного использовали платиновый электрод, а сравнения – хлорсеребряный. Кривые снимали в водных экстрактах растительного сырья в потенциостатическом режиме пошагово с интервалом 20 мВ и выдержкой потенциала электрода до установления анодного или катодного токов. Поскольку электрохимические исследования затруднены в средах с низкой электропроводностью, то в водные экстракты вводили Na2SO4 из расчета 1н концентрации раствора.

В случае исследования защитных свойств летучих фракций растительного сырья нанесение покрытия проводили путем экспонирования металла в его парах в течение трех суток в закрытой емкости. После чего металлические образцы размещали в герметичный эксикатор с дистиллированной водой и емкостью с изопропанольным экстрактом. Для ускорения коррозионных процессов, эксикатор помещали в термошкаф, в котором поддерживали режим периодической конденсации влаги (1 цикл на протяжении 8 часов при температуре 40°С и 16часов - при температуре 25°С). Длительность испытаний 21 день.

Исследования проводили на образцах стали 20 (размер 50×24×1 мм), перед испытаниями образцы зачищали наждачной бумагой различной зернистости, обезжиривали ацетоном. Изменение массы образцов оценено гравиметрическим методом. Продукты коррозии снимали путем травления в ингибированном 10% растворе соляной кислоты.

Результаты исследования

Анализ результатов показывает, что все исследуемые экстракты растительного сырья обеспечивают защиту металла от коррозии, как при контактном использовании, так при нанесении из паровой фазы, а эффективность защитного действия, зависит от вида растительного компонента.

При использовании растительных летучих фракций образуемая на поверхности металла тонкая невидимая защитная пленка обеспечивает определенную защиту металла от атмосферной коррозии. Максимальная степень защиты наблюдается у изопропанольных экстрактов шишек хмеля, жмыхов семян винограда и рапса (58-59%). Минимальная защитная способность отмечена при использовании семян укропа (33, 59 %). Результаты исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Скорость коррозии Ст 20 ( периодическая конденсация влаги, 40 оС)
в присутствии летучих фракций растительного сырья


Вид растительного сырья

Km-, г/м2·час

Z, %

g

Шишки хмеля «Ароматический»

3,21

58,29

2,38

Жмых семян рапса

3,11

59,61

2,45

Кисти винограда

4,03

46,07

1,89

Жмых семян винограда

3,06

59,04

2,50

Семена укропа

5,08

33,59

1,50

Без ингибитора

7,65

-

-

Результаты ускоренных методов испытаний свидетельствуют, что летучие соединения растительного происхождения, имея высокую упругость насыщенных паров, способны обеспечивать стабильную противокоррозионную защиту металла в начальный период возможного развития коррозии. Первые значительные коррозионные поражения на образцах, обработанных из паровой фазы растительных экстрактов, в условиях периодической конденсации влаги появлялись в среднем после 10 суток испытаний. Это свидетельствует о том, что после данного периода защитное действия образуемой на поверхности металла пленки заканчивается. То есть, растительные изопропанольные экстракты могут стать основой противокоррозионных композиций, однако для увеличения срока защитного действия их необходимо использовать с другими менее летучими соединениями.

Анализ результатов электрохимических исследований механизма действия на поверхности металла водных растительных экстрактов, показывает, что они влияют как на катодный, так и на анодный процесс коррозии металла в среде, моделирующей атмосферную коррозию (рис.1, табл.2).
 


а


б
Рис. 1. Влияние водных экстрактов растительного сырья на анодную (а) и катодную поляризацию (б) стали 20

Таблица 2 – Коэффициенты торможения скорости коррозии (γ) Ст20 в водных экстрактах растительного сырья


Растительное сырье

Анодная область

Катодная область

Km-, г/м2·час (Е=+1,0 В)

Коэффициент торможения γ (Е=+1,0 В)

Z, %

Коэффициент торможения γ (Е= -1,1 В)

Жмых семян винограда

117,7

3,01

67,80

1,32

Жмых семян рапса

254,92

1,43

30,28

3,71

Кисточки винограда

73,83

4,95

67,11

3,23

Семена укропа

224,45

1,63

38,61

1,27

Шишки хмеля

246,56

1,48

32,57

3,56

Наиболее эффективно анодную реакцию коррозии металла тормозят экстрактивные вещества жмыха семян винограда. За исключением экстракта кистей винограда, который более эффективен в катодной области, все исследуемые растительные экстракты являются ингибиторами анодного типа.

Анализ катодных кривых свидетельствует о том, что исследуемые экстракты на катодную реакцию  процесса коррозии действуют неоднозначно. Так, некоторые экстракты (например, жмыха семян рапса, шишек хмеля, кистей винограда) тормозят протекание самой реакции, а также сдвигают предельный диффузионный ток в область отрицательных потенциалов. Другие (экстракты жмыха семян винограда и укропа), ускоряя процесс в кинетической области, тормозят катодную реакцию в диффузионной.

Выводы
1.    Ускоренными методами коррозионных и электрохимических испытаний установлено, что органические соединения растительного происхождения могут быть использованы для создания экологически безопасных  ингибирующих композиций для защиты металлов от атмосферной коррозии.
2.    Летучие фракции растительного сырья обеспечивают стабильную защиту металла в условиях периодической конденсации влаги в течение 10 суток, а водные экстракты, растительных веществ влияют как на катодный, так и на анодный процесс коррозии металла в нейтральной среде.
3.    Учитывая объем сырьевой базы и противокоррозионную эффективность, перспективными видами растительного сырья для создания высокоэффективных ингибирующих композиций являются хмель, жмых семян рапса и винограда.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Розенфельд И. Л., Персианцева В. П. Ингибиторы атмосферной коррозии, М.: Наука, 1985.– 264 с.
  2. Rajendran S., Ganga Sri V., Arosckiaselvi J. Corrosion inhibition by plant extracts // Bull. Electrochem. –2005.– Vol.21, №9. – P. 367-377
  3. Чигиринец Е. Э. Новый порошковый преобразователь ржавчины на основе персиковой косточки // Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів: В 2-х томах / Спецвипуск журналу «Фізико- хімічна механіка матеріалів.-№3.-Львів:Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, -2002. – Т.2. – С.659-663.
  4. Чигиринець О. Е. Прокородований метал і як його захистити лакофарбовим покриттям // Сучасні проблеми металургії: Наукові праці, Дніпропетровськ:Системні технології, 2006.- т.9.– С.82-91.
  5. Ogyzii E. E. Ингибирование коррозии Аl в кислых и щелочных средах экстрактом Sansevieria trifasciata // Corrosion Sci. – 2007.– V.49, №3. – P. 1527-1539.

УДК 620.197
Чигиринец Е.Э.  Выбор растительного сырья для создания высокоэффективных ингибирующих композиций [Електронний ресурс]  / [Чигиринец Е.Э., Воробьева В.И, Мирянова О.А., Гальченко Г.Ю.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.305–308. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet