苯并三唑缓蚀剂的作用机理分析

程之星(爱丁堡大学EH8 9YL英国爱丁堡)

苯并三唑缓蚀剂的作用机理分析

程之星(爱丁堡大学EH8 9YL英国爱丁堡)

本文介绍了以苯并三唑为主的缓蚀剂的性质及其作用机理，通过苯并三唑与咪唑的协同作用更好地说明了缓释作用的进行，并结合了氯化钠溶液中铜的腐蚀实例来说明了三唑类化合物的缓蚀作用。

苯并三唑;缓蚀剂;协同作用

1 苯并三唑性质与功能

苯并三唑，有机化合物，又名苯丙三氮唑、苯并三氮杂茂、连三氮杂茚、苯三唑等，是白色到浅粉色针状结晶,也是一种良好的缓蚀剂材料。溶于醇、苯、甲苯、氯仿，二甲基甲酰胺及多数有机溶剂，微溶于水，易溶于热水，易溶于碱性水溶液中。1, 2,3-苯并三唑分为油溶性苯并三唑和水溶性苯并三唑。其中后者可以用水或溶剂来溶解。溶剂可以包括乙醇、苯、甲苯、氯仿和N,N-二甲基甲酰胺。

另外，苯并三唑在电镀中用以表面纯化银、铜、锌，有防变色作用。而且是良好的紫外光吸收剂，可用作黑白胶片和相纸的显影防灰雾剂。它还是工业上广泛采用的铜及其合金缓蚀剂,但毒性较大。但苯并三唑的咪唑衍生物相对毒性较低且在酸性条件下能良好缓蚀铜合金。

2 缓蚀剂概况与作用机理

缓蚀剂也称为腐蚀抑制剂，在特定浓度和介质下可以起到防止或减缓材料腐蚀的作用。缓蚀剂的用量一般为0.1%～1%，可以起到显著的缓蚀剂保护。它可以用到的介质涵盖酸性、中性和气体，分别包括锅炉冷却水，除垢除锈酸浸溶液和气相缓蚀剂。以下以控制部位分类解释。

2.1 阳极型缓蚀剂

阳极型缓蚀剂一般为无氧强氧化剂，包括铬、钼、钨、钒等含氧酸盐以及亚硝酸盐等。作用机理是在金属表面阳极区与金属阳离子作用生成氧化覆盖膜并起保护作用，也就是钝化。这种作用抑制了金属的溶解，但抑制作用取决于缓蚀剂的浓度，若未达到足够高的浓度，保护膜覆盖不全，会造成点蚀作用。

2.2 极型缓蚀剂

阴极型缓蚀剂是抑制金属表面阴极反应的类型，种类包括碳酸锌、碳酸钙、磷酸锌、磷酸钙等。阴极型缓蚀剂的作用机理是在阴极区与金属反应生成足够厚的沉积膜，阻碍电子的释放和参与反应。在实际应用中，水中天然存在钙离子、碳酸根离子和氢氧根离子，所以只需加入可溶性锌和磷酸盐即可作用，起到缓蚀作用。

2.3 混合型缓蚀剂

混合型缓蚀剂是一种特殊的有机缓蚀剂，分子架构中包含有两种相反的极性基团，在金属表面形成单分子膜的区域即可以是阳极区也可以是阴极区。抑制作用都是抑制水中的溶解氧向金属表面扩散，阻碍了腐蚀反应的进行。此类缓蚀剂包括苯并三唑，十六烷胺等。

3 苯并三唑缓蚀剂作用

3.1 咪唑和苯并三唑的缓蚀协同作用

在铜金属表面，一价铜离子和苯并三唑通过吸附和反应形成不溶性复合膜，同样起到了阻碍铜金属被腐蚀的作用。而且苯并三唑对铜氧化膜有非常可观的促进钝化的作用。将苯并三唑和咪唑复配使用后,阴阳极过程的极化作用被显著加强，腐蚀电位负移,表明二者之间存在明显的协同作用,复配使用可以增加对NaCl介质中Cu的缓蚀作用。

从分子层面解释，苯并三唑和咪唑能在Cu表面的氧化膜上和一价铜离子作用,形成聚合膜,从而抑制铜的腐蚀。当咪唑和苯并三唑复配使用时,咪唑可以部分承接来自于Cu(d)轨道的电子,从而增加了络合膜的稳定性。

3.2 苯并三唑在金属表面的缓释作用

在酸性和中性环境中，缓蚀作用的效率受到多方面的作用。它随着化学势的增大，亲电效应减小而增强，还会随着分子的最低非占据轨道能量升高而升高。而特别地，在中性环境下，分子结构中形成双键的氮原子和与连接碳原子的氧原子有可能成为活性位点，而且这些原子的区域成为了电子密度较大的区域，主要体现出了整体分子的电负性。另外，在酸性条件下，反应活性位点则集中于中间的氮原子，其次是氧原子，并起到与中性条件相同的作用。

所以通过以上对比我们可以得出：含有硫原子的三唑类化合物在缓蚀作用的表现上可能要优于含有氧原子的三唑类化合物。

4 结语

苯并三唑（BTA）广泛用于金属的防锈和缓蚀剂，可作防锈和气相缓蚀剂。本品也可与多种阻垢剂，杀菌灭藻剂配合使用于铜、银质设备的缓蚀，防锈。在电镀的应用中，可以用作纯化银和铜的表面，并防止氧化变色。对于铜的缓蚀应用，苯并三唑可以与表面铜离子形成共价键及配位键，反应生成聚合物保护膜，阻碍腐蚀氧化还原反应的进行。同样的缓蚀效果也可以发生在其他金属材料的应用中，比如锌，铅，铸铁和镍等。苯并三唑也可以与多种其他缓蚀剂配合使用来提高缓释效果。特别地，在封闭用循环冷却水系统的缓蚀应用中，效果甚佳。另外，在汽车用防冻剂乙二醇和水混合溶液中添加苯并三唑同样可以发挥良好的缓释作用，为延长设备的寿命提供了更可观的前景。

苯并三唑作为一种常用，易得的缓蚀剂和化工原料，在多方面都有着相当大的用途。如何提高其工业产量，以及如何更大效益地发挥其在生活和应用中的作用是目前所面临的挑战。