聚合物氮杂环丁烷鎓盐阳离子聚合物在酸性介质中对碳钢合金的防腐作用：实践与理论方面

《Materials Chemistry and Physics》：Influence of a polymeric azetidinium salt cationic polymer as an anticorrosion agent in an acidic medium for carbon steel alloy: practical and theoretical aspects

聚亚胺盐在1M HCl中对碳钢的腐蚀抑制机理及性能研究，采用电化学和 gravimetric方法，结合SEM表征与Langmuir吸附模型，通过响应面法优化发现2000 ppm时抑制率超97%，DFT和MD模拟表明质子化聚合物在Fe(100)表面平行取向，能量间隙缩小和偶极矩增大增强吸附及电子转移能力。

　　在当今工业领域，金属材料的腐蚀问题一直是影响设备寿命和经济成本的重要因素。碳钢（C-steel）因其成本低廉、机械性能优良，广泛应用于建筑、化工、能源等多个行业。然而，由于其在酸性环境中的易腐蚀性，特别是在工业中常见的1.0 M盐酸溶液中，碳钢的腐蚀速率较高，导致材料性能下降和经济损失。因此，寻找一种高效、环保的腐蚀抑制剂成为研究的重点。本研究聚焦于一种新型的阳离子聚合物——聚氮杂环丁烷盐，具体为[1,1-(乙二胺)双(3-氯-2-丙醇)]，探讨其在1.0 M盐酸溶液中对碳钢的腐蚀抑制效果。

### 腐蚀抑制剂的重要性与研究背景

腐蚀抑制剂的作用在于通过物理或化学手段减少金属表面的腐蚀反应。传统的腐蚀抑制剂通常包括有机化合物、无机盐以及某些特定的表面活性剂。然而，这些方法往往存在一定的局限性，如环境影响、高温稳定性不足、使用成本较高等。近年来，随着对环保和可持续发展的重视，研究人员开始关注能够替代传统抑制剂的新型材料，尤其是具有高吸附能力、优异性能和较低环境影响的聚合物。这类材料因其分子结构的多样性、较高的比表面积和良好的柔韧性，被认为在腐蚀抑制方面具有更大的潜力。

阳离子聚合物作为一类特殊的腐蚀抑制剂，因其在金属表面能够形成稳定的吸附层，从而有效阻止腐蚀反应的进行。在酸性环境中，这些聚合物通常通过电荷相互作用与金属表面结合，形成一层保护膜，减少金属与腐蚀性介质之间的直接接触。然而，尽管阳离子聚合物在腐蚀抑制领域展现出良好的前景，其实际应用仍面临一些挑战，例如如何提高其在不同环境条件下的适应性、如何优化其结构以增强抑制效果等。因此，深入研究阳离子聚合物的结构、吸附机制及其在腐蚀过程中的作用路径，对于推动其在工业中的应用具有重要意义。

### 研究方法与实验设计

为了全面评估该阳离子聚合物的腐蚀抑制性能，本研究采用了多种实验方法，包括电化学技术、重力分析以及扫描电子显微镜（SEM）等。这些方法能够从不同的角度揭示腐蚀抑制剂的作用机制。电化学技术用于测量腐蚀电流密度、极化曲线和电化学阻抗谱（EIS），从而定量分析抑制剂对腐蚀过程的影响。重力分析则通过测量金属在腐蚀环境中的质量损失，提供直观的腐蚀速率数据。SEM用于观察金属表面在腐蚀过程中的微观形貌变化，揭示抑制剂对金属表面的保护效果。

此外，研究还采用了响应面模型（RSM）对实验数据进行统计优化，以确定最佳的抑制剂浓度、溶液温度和暴露时间等参数。RSM是一种基于实验设计和统计分析的多变量优化方法，能够帮助研究人员在较短时间内找到最优条件，提高实验效率。通过RSM，可以预测不同条件下腐蚀抑制剂的最佳性能，并验证实验结果的可靠性。

为了进一步理解该聚合物在金属表面的吸附行为，研究还进行了吸附等温模型的分析。通过比较不同吸附模型（如Langmuir、Freundlich等）与实验数据的拟合度，可以判断该聚合物的吸附机制。研究发现，该阳离子聚合物的吸附行为符合Langmuir等温模型，表明其在金属表面形成了单层吸附，且吸附过程具有较高的选择性和稳定性。

### 分子结构与吸附机制

该阳离子聚合物的结构特点使其在腐蚀抑制方面表现出色。其分子中含有多个阳离子基团，这些基团能够与金属表面的负电荷产生强烈的静电相互作用。同时，聚合物的分子链具有较高的柔韧性和可变形性，使其能够紧密贴合金属表面，形成一层稳定的保护膜。这种结构特性不仅提高了聚合物的吸附能力，还增强了其在腐蚀环境中的稳定性。

为了深入探讨该聚合物的分子行为及其在金属表面的吸附机制，研究还结合了量子化学计算和分子动力学（MD）模拟。量子化学计算通过密度泛函理论（DFT）分析了该聚合物在酸性环境中的质子化行为及其对电子转移的影响。研究发现，当该聚合物在酸性溶液中发生质子化时，其电子转移能力显著增强，这可能与其分子结构的变化有关。质子化过程导致分子的极性增加，从而提高了其在金属表面的吸附能力。

分子动力学模拟则进一步揭示了该聚合物在金属表面的吸附行为。模拟结果显示，质子化的聚合物在Fe(100)表面采用平行吸附构型，这种构型有助于提高其与金属表面的接触面积，从而增强吸附效果。此外，MD模拟还表明，聚合物在金属表面的吸附过程具有一定的自发性，这意味着其在腐蚀环境中能够迅速形成保护层，减少腐蚀反应的发生。

### 实验结果与性能分析

实验结果表明，该阳离子聚合物在1.0 M盐酸溶液中对碳钢的腐蚀抑制效果显著。在最佳条件下，其抑制效率超过了97%，显示出极高的保护能力。这种高抑制效率可能与其在金属表面的吸附能力和形成的保护膜有关。通过重力分析，研究人员发现，在加入该聚合物后，碳钢的质量损失显著减少，表明其能够有效减缓腐蚀过程。

电化学分析进一步支持了这一结论。极化曲线显示，随着聚合物浓度的增加，腐蚀电流密度逐渐降低，表明其对腐蚀反应的抑制作用增强。电化学阻抗谱（EIS）的结果也表明，该聚合物能够显著提高金属表面的电化学阻抗，减少腐蚀反应的速率。这些数据表明，该聚合物不仅能够有效减缓腐蚀，还能在较长的时间内保持稳定的保护性能。

此外，研究还发现，该聚合物的抑制效果与其浓度、溶液温度和暴露时间密切相关。通过响应面模型的优化，研究人员确定了最佳的抑制剂浓度为2000 ppm，此时其抑制效率达到最高。温度的变化对抑制效果也产生了一定的影响，但其总体趋势表明，该聚合物在较宽的温度范围内均能保持良好的性能。暴露时间的延长虽然会增加腐蚀反应的可能性，但该聚合物的高吸附能力和稳定性使其在较长时间内仍能提供有效的保护。

### 机理研究与理论分析

为了更深入地理解该聚合物的腐蚀抑制机制，研究还进行了量子化学计算和分子动力学模拟。量子化学计算揭示了该聚合物在酸性环境中的质子化行为及其对电子转移的影响。研究发现，质子化后的聚合物具有更低的能量间隙和更高的偶极矩，这表明其电子转移能力显著增强。这种增强的电子转移能力可能与其在金属表面的吸附行为有关，因为吸附过程需要分子与金属表面之间发生电子交换，从而形成稳定的化学键。

分子动力学模拟进一步验证了这一理论分析。模拟结果显示，质子化的聚合物在Fe(100)表面采用平行吸附构型，这种构型有助于提高其与金属表面的接触面积，从而增强吸附效果。此外，MD模拟还表明，该聚合物在金属表面的吸附过程具有一定的自发性，这意味着其能够在腐蚀环境中迅速形成保护层，减少腐蚀反应的发生。这些计算结果不仅为实验数据提供了理论支持，还帮助研究人员更好地理解该聚合物在金属表面的吸附机制和电子转移路径。

### 环保性与经济性

除了高效的腐蚀抑制性能，该阳离子聚合物还表现出良好的环保性和经济性。在实验过程中，研究人员发现该聚合物的制备过程相对简单，且原料成本较低，这使其在工业应用中具有较高的可行性。此外，该聚合物在使用过程中不会产生有害物质，也不会对环境造成污染，符合当前对绿色化学和可持续发展的要求。

在实际应用中，该聚合物的环保性和经济性使其成为一种理想的腐蚀抑制剂。相比传统的腐蚀抑制剂，它不仅能够提供更高的保护效果，还能减少对环境的影响，降低工业生产中的成本。这种双重优势使其在多个行业中具有广阔的应用前景，特别是在需要长期防护和高安全性的领域，如化工、能源和建筑等。

### 结论与展望

综上所述，本研究通过实验和理论相结合的方法，系统评估了阳离子聚合物[1,1-(乙二胺)双(3-氯-2-丙醇)]在1.0 M盐酸溶液中对碳钢的腐蚀抑制效果。实验结果表明，该聚合物具有优异的吸附能力和保护性能，其抑制效率超过了97%。量子化学计算和分子动力学模拟进一步揭示了其分子行为和吸附机制，表明其在酸性环境中的质子化行为显著增强了电子转移和吸附能力。

本研究不仅为新型腐蚀抑制剂的开发提供了理论依据，还为实际应用中的优化提供了指导。未来的研究可以进一步探讨该聚合物在不同腐蚀环境中的适应性，以及其在实际工业应用中的长期稳定性。此外，还可以研究该聚合物与其他材料的复合使用，以进一步提高其保护性能。通过不断优化和改进，该阳离子聚合物有望成为一种高效、环保的腐蚀抑制剂，为工业领域的可持续发展做出贡献。