王正，榮沙沙，陳以周，艾俊哲

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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一種新型噻唑類緩蝕潤滑劑的合成及性能評價

王正，榮沙沙，陳以周，艾俊哲

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

合成了一種新型的噻唑類緩蝕潤滑劑SZJ-1，并采用失重法、電化學(xué)方法等研究了緩蝕潤滑劑SZJ-1在高濃度鹽酸中對N80鋼的緩蝕性能,采用潤滑儀評價SZJ-1在鉆井泥漿中的潤滑性能，探討了其在N80鋼表面的吸附行為。結(jié)果顯明, 該緩蝕潤滑劑具有良好的緩蝕和潤滑性能，能將腐蝕控制在3g/(m2·h)以下，潤滑系數(shù)降低率達到80.67%，是一種性能優(yōu)良的緩蝕潤滑劑。

緩蝕潤滑劑；噻唑；性能評價；失重法；潤滑系數(shù)；電化學(xué)方法

金屬的腐蝕和磨損問題涉及到諸多領(lǐng)域，凡是應(yīng)用到金屬材料的地方都存在一定程度的腐蝕和磨損的問題[1～4]。在油氣田的開發(fā)及儲運系統(tǒng)工程中，由于腐蝕和磨損的原因而造成的鉆具等金屬材料的失效，使金屬設(shè)備的壽命縮短，甚至?xí)?dǎo)致重大的安全事故和巨大的經(jīng)濟損失。為了能夠抑制金屬的腐蝕和磨損，加入緩蝕劑和潤滑劑[5]是一個行之有效的辦法。噻唑類有機物具有良好的抗腐蝕和抗磨損的性能，噻唑環(huán)上的氮硫雜原子以及分子結(jié)構(gòu)中的雙鍵可以有效的吸附于金屬表面形成多個吸附中心，直接與金屬表面發(fā)生吸附，從而阻止其與外界接觸而起到抗腐蝕和磨損的作用[6～9]。筆者在2-氨基-5-苯基噻唑合成的基礎(chǔ)上與醛酮經(jīng)過曼尼希反應(yīng)后再季銨化，得到新型化合物噻唑類緩蝕潤滑劑SZJ-1成品，并采用失重法、電化學(xué)方法等[10～14]研究了該緩蝕潤滑劑在高濃度鹽酸中對N80鋼的緩蝕性能以及其在泥漿中的潤滑性能。

1　試驗部分

1.1緩蝕潤滑劑SZJ-1的合成

步驟1：中間體2-氨基-5-苯基噻唑的合成，按一定的摩爾比加入硫脲、苯乙酮和單質(zhì)碘，再加入無水甲醇作溶劑，升溫至60～80℃加熱回流一段時間，反應(yīng)完成后濾液用無水乙醚萃取,再向其中加入適量的氨水溶液，將pH值調(diào)至8左右，再冷卻溶液至室溫，直到有大量淡黃色絮狀物析出，抽濾得到粗產(chǎn)物；粗產(chǎn)物用無水乙醇進行重結(jié)晶，產(chǎn)物呈淡黃色或白色針狀結(jié)晶，即中間體2-氨基-5-苯基噻唑，干燥后稱重。合成過程如下：

步驟2：緩蝕潤滑劑SZJ-1成品的合成，按一定的摩爾比加入合成的中間體、苯乙酮和甲醛，加入無水乙醇作溶劑，碘作催化劑，升溫至80～90℃加熱回流6～12h后，加入氯乙酸鈉季銨化，攪拌回流，反應(yīng)10～12h，反應(yīng)完成后除去溶劑，得到粗產(chǎn)物，用乙醇或乙醇和丙酮的混合溶劑重結(jié)晶提純，干燥即得到最終產(chǎn)物，即緩蝕潤滑劑SZJ-1成品，產(chǎn)率可達81.17%。合成過程如下：

1.2失重法

在酸性介質(zhì)中，首先配制鹽酸溶液，根據(jù)試片的表面積每平方厘米需酸液的用量為20cm3，把所需的酸液倒入反應(yīng)容器中，然后放入恒溫水浴中將酸液升溫至所需測定的溫度。將處理好的試片單片吊掛，3片1組分別放入未加和加有緩蝕潤滑劑SZJ-1的平行酸液中，保證試片全部表面與酸液相接觸。在試驗溫度下放置4h后，取出試片，觀察腐蝕狀況并作詳細(xì)記錄。然后立即將試片用水沖洗，清洗除去試片上的腐蝕產(chǎn)物，干燥至恒重，精確稱取試片重量并計算腐蝕速率。

腐蝕速率計算公式為：

(1)

平均腐蝕速率計算公式為：

(2)

緩蝕率計算公式為：

(3)

1.3潤滑系數(shù)的測定

按照Q/SH1025 0512-2007《鉆井液用潤滑劑通用技術(shù)條件》中潤滑系數(shù)降低率的評價方法進行試驗。用EP極壓潤滑儀在150MPa的壓力下測定了空白基漿和基漿加潤滑劑后的潤滑系數(shù)。試驗步驟為：預(yù)熱后測定150MPa下清水的極壓潤滑系數(shù)，再測定泥漿樣品的極壓潤滑系數(shù)。每測一個樣品用蒸餾水校準(zhǔn)一次，蒸餾水的摩阻系數(shù)在28～48，否則應(yīng)繼續(xù)磨合[7,8]。

潤滑系數(shù)降低率計算公式為：

(4)

式中， Y為潤滑系數(shù)降低率； F1為空白試劑潤滑系數(shù)； F2為加潤滑劑后的潤滑系數(shù)。

1.4電化學(xué)方法

電化學(xué)測試采用CHI660電化學(xué)工作站的三電極體系測量交流阻抗和極化曲線。自制N80工作電極，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極，試驗測試溫度為 25℃。

極化曲線法電位掃描是由陰極向陽極進行，掃描速率為 0.01V/s，掃描范圍相對開路電位±200mV。交流阻抗法施加的交流信號幅度為±10mV，從高頻到低頻掃描，掃描頻率范圍為1～100000Hz，采用對數(shù)掃頻。

2　試驗結(jié)果與討論

2.1產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的表征

圖1　噻唑類緩蝕潤滑劑SZJ-1的紅外光譜圖

2.2失重法試驗結(jié)果

考察緩蝕潤滑劑SZJ-1用量在50～300mg/L的范圍內(nèi)的緩蝕性能, 在 60℃、不同緩蝕潤滑劑SZJ-1加量的靜態(tài)腐蝕試驗條件下，分別測量了N80碳鋼在15% HCl溶液中浸泡4h后的腐蝕失重，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)緩蝕潤滑劑SZJ-1濃度為50mg/L時，N80鋼的緩蝕率達97.49%；當(dāng)濃度為150mg/L時曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折；如果繼續(xù)增加緩蝕潤滑劑的濃度,緩蝕率的提高幅度并不顯著，這是由于緩蝕潤滑劑SZJ-1超過一定用量后，其吸附覆蓋度不能進一步提高的原因。

2.3潤滑系數(shù)測定結(jié)果

試驗中選用市場上常用的3種極壓潤滑劑ZN-10、RV-5和TRS作為對比潤滑劑，測試了鉆井液加入不同比例的緩蝕潤滑劑SZJ-1與潤滑劑ZN-10、RV-5和TRS在常溫、150MPa下的極壓潤滑性能，其結(jié)果見圖3。圖3給出了鉆井液基漿中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的緩蝕潤滑劑SZJ-1與潤滑劑ZN-10、RV-5和TRS在常溫、150MP下的的極壓潤滑系數(shù)。

圖3　不同潤滑劑不同加量下泥漿的潤滑性能

從圖3可以看出，隨著潤滑劑用量的增加，4種潤滑劑的極壓潤滑系數(shù)也逐漸下降，其中，緩蝕潤滑劑SZJ-1的潤滑性能最好。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是緩蝕潤滑劑SZJ-1的吸附性較好，能夠在金屬和泥漿表面形成保護膜，從而達到潤滑和極壓抗磨的效果。

2.4電化學(xué)測試結(jié)果

1)極化曲線試驗在15%HCl溶液中進行，測定了在25℃時，不同的緩蝕潤滑劑SZJ-1加量條件下的噻唑季銨鹽緩蝕潤滑劑SZJ-1的極化曲線。試驗中首先將電極接入電路系統(tǒng)，當(dāng)電位恒定后(約15min)，從該恒定電位以0.01V/s的速度進行掃描。數(shù)據(jù)記錄由計算機自動完成。在電化學(xué)的反應(yīng)中，以電流密度的對數(shù)為縱坐標(biāo)，以過電位為橫坐標(biāo)，作圖可知呈一定的直線關(guān)系。

圖4　25℃時N80鋼在不同緩蝕潤滑劑加量下的極化曲線

由圖4可知，相對于空白鹽酸溶液，在15%HCl溶液中，添加緩蝕潤滑劑后的腐蝕電流密度明顯減小，表明緩蝕潤滑劑對N80鋼的腐蝕產(chǎn)生抑制作用。隨著緩蝕潤滑劑濃度的不斷增加，陰、陽極極化曲線均向低電流方向移動，腐蝕電流密度顯著降低，陰極和陽極Tafel斜率變大，陰、陽支電流密度均有所降低，這表明所合成的緩蝕潤滑劑對金屬的陽極溶解和陰極析氫均具有阻礙作用。緩蝕潤滑劑的濃度越大，腐蝕速率越小，緩蝕效果越好。這是因為緩蝕潤滑劑在電極表面形成的緩蝕潤滑劑膜越來越完整致密，阻止了腐蝕介質(zhì)與電極表面的接觸，抑制了金屬的腐蝕，從而起到良好的緩蝕作用。

對比分析添加和未添加緩蝕潤滑劑的極化曲線可以發(fā)現(xiàn)，腐蝕電位逐漸向正方向移動，說明緩蝕潤滑劑SZJ-1是以控制陽極反應(yīng)為主的混合型緩蝕潤滑劑。

圖5　交流阻抗等效電路圖

2)交流阻抗以N80鋼試片為工作電極，測試了在25℃時，添加不同濃度緩蝕劑的15%HCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜，采用Zview軟件進行擬合，得到的等效電路圖如圖5所示。在擬合的等效電路圖圖5中，Rs是溶液電阻;Rp是極化電阻;CPE是常相位角元件，類似于等效電容，其值在0～1。

表1給出了N80鋼在不同緩蝕潤滑劑濃度下交流阻抗圖的電化學(xué)參數(shù)。表1中，CPE-T代表電容量，CPE-P為與純電容的相似程度。

表1　N80鋼在不同緩蝕潤滑劑加量下交流阻抗的電化學(xué)參數(shù)

圖6　25℃時N80鋼在不同緩蝕潤滑劑加量下的交流阻抗圖

圖6是在25℃溫度下，以N80鋼試片為工作電極測定了在添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的緩蝕潤滑劑的15%HCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜圖，其中橫坐標(biāo)Z′表示阻抗，縱坐標(biāo)Z″表示容抗。在表1和圖6中，容抗弧的半圓直徑對應(yīng)的是極化電阻Rp，Rp值越大，緩蝕率越高。隨著緩蝕潤滑劑濃度的增加，容抗弧的半圓直徑隨著緩蝕劑濃度的增加而增大，即極化電阻Rp變大，緩蝕率隨之增大。這是因為隨著緩蝕潤滑劑SZJ-1濃度的增大，吸附在金屬電極表面的緩蝕潤滑劑SZJ-1分子也隨之逐漸增加，說明形成的保護膜有效地抑制了腐蝕反應(yīng)的進行。

從上述圖表中可以看出，由交流阻抗測試得出的腐蝕速率與緩蝕率與極化曲線和失重法測試結(jié)果一致。

3　結(jié)論

1)合成了新型噻唑類緩蝕潤滑劑SZJ-1，其在高濃度鹽酸溶液(15%)中對N80具有良好的緩蝕性能，能將腐蝕控制在3g/(m2·h)以下；在泥漿中具有良好的潤滑性能，極壓潤滑系數(shù)最低為8.6，潤滑系數(shù)降低率達到80.67%。

2)合成的噻唑類緩蝕潤滑劑SZJ-1是以陽極為主的復(fù)合型緩蝕劑。

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[編輯]趙宏敏

2016-04-28

非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心基金項目(HBUOC-2014-21)。

王正(1990-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事應(yīng)用電化學(xué)方面的研究工作； 通信作者：艾俊哲，aajzz@163.com。

TE982

A

1673-1409(2016)19-0001-05

[引著格式]王正，榮沙沙，陳以周，等.一種新型噻唑類緩蝕潤滑劑的合成及性能評價[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(19)：1～5.