烟酸、吖啶、黄连素对热浸镀钢材的缓蚀作用及其量化构效关系

论文摘要

为了找到在热浸镀钢材表面清洗处理过程中替代铬酸的缓蚀、清洗剂,本论文通过量子化学计算方法、失重实验、电化学测试和扫描电镜分析等方法系统研究了环境友好型缓蚀剂——烟酸、吖啶和黄连素对热浸镀锌、5%铝-锌和55%铝-锌钢材在盐酸介质中的缓蚀作用及其量化构效关系。量化计算结果表明,这三种杂环化合物均具有多个吸附活性中心的平面结构。Mulliken电荷、最高占据轨道（HOMO）能量和最低空轨道（LUMO）能量分布显示活性中心主要集中在氧原子、氮原子和杂环周围。三种化合物可能通过这些活性中心吸附在镀层表面以阻止镀层电极反应,且其前线轨道同镀层表面锌原子的前线轨道能够相互作用,使得杂环化合物分子可通过在镀层钢材表面形成吸附膜而阻止镀层表面锌在盐酸介质中的溶解。失重和电化学测试的结果表明,三种化合物对三种热浸镀钢材在盐酸介质中均是高效的环境友好型缓蚀剂,最高缓蚀效率可达99%以上;其中黄连素的缓蚀效果最好,在浓度为1.0×10-4M时缓蚀效率就已达到80%以上。实验结果同时表明,三种缓蚀剂通过单分子层的化学吸附方式吸附在镀层表面以阻滞酸液对镀层的腐蚀,其吸附遵从Langmuir吸附等温式。扫描电镜分析结果也显示了在盐酸介质中三种缓蚀剂能够很好地抑制镀层的腐蚀。几种实验方法得到的结果能够很好地吻合,同时又都验证了量子化学计算的推测。另外,通过恒电量方法和量化构效关系（QSAR）研究了盐酸介质中烟酸、吖啶和黄连素对热浸镀钢材的缓蚀机理。恒电量实验验证了失重实验和电化学测试的结果:烟酸、吖啶和黄连素是混合型缓蚀剂,三种缓蚀剂通过活性中心吸附在镀层材料表面,同时抑制镀层的阴阳极反应以减缓镀层在盐酸溶液中的腐蚀。量化构效关系显示缓蚀效率与最高占据轨道能量（EHOMO）成正相关关系,与前线轨道能量差ΔE（ELUMO-EHOMO）成负相关关系;三种缓蚀剂通过提供电子与镀层材料表面锌原子相互作用而起到缓蚀作用。最后,以铬酸清洗方法作参照,使用缓蚀酸液清洗方法对热浸镀钢材的腐蚀产物进行去除,结果显示,缓蚀酸液清洗方法可替代铬酸对热浸镀钢材进行腐蚀产物去除和绿色清洗。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和选题意义
• 1.2 热浸镀锌及锌铝合金镀层
• 1.2.1 热浸镀锌及锌铝合金镀层的发展及应用现状
• 1.2.2 热浸镀锌及锌铝合金镀层的结构及腐蚀特点
• 1.3 缓蚀剂
• 1.3.1 缓蚀剂研究的发展概况
• 1.3.2 缓蚀剂在酸洗过程中的应用
• 1.3.3 缓蚀剂的类型及缓蚀作用机理
• 1.3.4 量子化学计算指导缓蚀剂筛选
• 1.3.5 缓蚀剂的评价方法
• 1.4 研究内容
• 第二章 量子化学计算方法指导热浸镀钢材酸洗缓蚀剂的筛选
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 几何最优化构型
• 2.3.2 Mulliken 电荷分布
• 2.3.3 前线轨道分布
• 2.4 本章小结
• 第三章 烟酸对热浸镀钢材在稀盐酸中的缓蚀研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与实验方法
• 3.2.1 试样准备
• 3.2.2 OCP 测试
• 3.2.3 失重实验
• 3.2.4 电化学测试
• 3.2.5 扫描电镜分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 OCP 测试
• 3.3.2 失重实验
• 3.3.3 电化学测试
• 3.3.4 扫描电镜分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 吖啶对热浸镀钢材在稀盐酸中的缓蚀研究
• 4.1 实验材料与实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 失重实验
• 4.2.2 电化学测试
• 4.2.3 扫描电镜分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 黄连素对热浸镀钢材在稀盐酸中的缓蚀研究
• 5.1 实验材料与实验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 失重实验
• 5.2.2 电化学测试
• 5.2.3 扫描电镜分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 基于恒电量和量子化学计算方法的缓蚀剂快速筛选、评价及缓蚀机理研究
• 6.1 引言
• 6.2 恒电量方法对热浸镀层酸洗缓蚀剂的快速筛选、评价和缓蚀机理研究
• 6.2.1 实验材料及实验方法
• 6.2.2 结果与讨论
• 6.2.3 恒电量方法在缓蚀剂快速筛选、评价和机理研究中的应用
• 6.3 量子化学计算方法对缓蚀剂的快速筛选、评价和缓蚀机理研究
• 6.3.1 热浸镀钢材酸洗缓蚀剂的量化构效关系分析
• 6.3.2 碳钢酸洗缓蚀剂的量化构效关系分析
• 6.3.3 量化计算方法在缓蚀剂快速筛选、评价和机理研究中的应用
• 6.4 本章小结
• 第七章 热浸镀钢材表面处理和腐蚀产物去除无害化方法研究
• 7.1 引言
• 7.2 海水加速腐蚀实验
• 7.2.1 实验材料与方法
• 7.2.2 实验结果
• 7.3 腐蚀产物去除方法对比实验
• 7.3.1 实验方法
• 7.3.2 实验结果与讨论
• 7.3.3 缓蚀酸液清洗方法替代铬酸进行镀层表面处理的应用价值分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 创新点及意义
• 8.3 对今后工作的建议和展望
• 参考文献
• 博士期间发表文章、申请专利目录及所获奖励
• 致谢