论文总字数：16875字

摘 要

近年来，随着科学技术的发展，热管被运用到越来越多的领域。热管具有良好的导热性、优良的等温性、可变的热流密度、热流方向酌可逆性、可远距离传热、恒温特性(可控热管)、热二极管与热开关性能等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。因此，在余热回收等方面，热管已取得显著成效。

以往热管普遍采取钝化的方式以延长寿命，钝化的主要成分为重铬酸盐溶液，但重铬酸盐是一种有毒，致癌物质。因此，应国家环保部要求，全面禁止重铬酸盐的使用，寻找一种新型环保的钝化方式刻不容缓。

本课题以肌醇六磷酸酯、柠檬酸、硅酸钠为主要成分，配成钝化液，热管材料选用20钢，在常温、常压下对热管进行钝化，采用控制变量法，通过多组实验及其数据进行对比、观察，从而发现钝化效果较佳的钝化液配方。

实验应分组探讨钝化液内不同成分对钝化效果的影响，认真记录、分析实验数据，最后进行归纳、汇总，本着严谨的科学态度，得出最好的实验结论。

关键词：热管 钝化 肌醇六磷酸酯 实验

Inactivation of Heat Pipe by Phytate

Abstract

In recent years, with the development of science and technology, heat pipes have been used in more and more fields. The heat pipe has a series of advantages such as good thermal conductivity, excellent isothermality, variable heat flux density, discretionary reversibility of heat flow direction, long-distance heat transfer, constant temperature characteristics (controllable heat pipe), thermal diode and thermal switch performance, and the like. The heat exchanger composed of heat pipes has the advantages of high heat transfer efficiency, compact structure, and low fluid loss. Therefore, heat pipes have achieved remarkable results in terms of waste heat recovery.

In the past, heat pipes were generally used in a passivation mode to prolong life. The main component of passivation was dichromate solution, but dichromate was a toxic and carcinogenic substance. Therefore, in accordance with the requirements of the Ministry of Environmental Protection, a complete ban on the use of dichromate, the search for a new type of environmentally-friendly passivation method is in no hurry.

In this project, inositol hexaphosphate, citric acid, and sodium silicate were used as the main components to form a passivation solution. The heat pipe material was made of 20 steel. Passivation of the heat pipe was performed at normal temperature and pressure, and the control variable method was adopted. The group experiment and its data were compared and observed to find out the passivation solution formula with better passivation effect.

The experiment should be divided into groups to discuss the effects of different components in the passivation solution on the passivation effect, carefully record and analyze the experimental data, and finally summarize and summarize. In the strict scientific attitude, draw the best experimental conclusion.

Key words: Heat pipe; passivation; phytate; experiment

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及目的 1

1.2金属钝化 1

1.2.1 钝化现象 1

1.2.2金属钝化的必要标志 2

1.2.3金属钝化的特征^[5] 2

1.2.4钝化的优点 2

1.3传统热管钝化 2

1.3.1铬酸盐钝化膜的作用^[7] 2

1.3.2铬酸盐膜的形成过程 3

1.3.3其他钝化方式 3

1.4小结 3

第二章 肌醇六磷酸酯对热管钝化的研究 4

2.1 基本信息 4

2.2 钝化机理 5

2.3 肌醇六磷酸酯的应用 5

2.4 肌醇六磷酸酯钝化的利与弊 6

第三章 肌醇六磷酸酯对热管钝化的实验 7

3.1 成分 7

3.1.1传统钝化剂 7

3.1.2肌醇六磷酸酯钝化剂 7

3.2 实验准备 7

3.2.1实验器材 7

3.2.2实验药品 7

3.2.3药品性质与作用 7

3.2 实验步骤 8

3.4 实验数据 9

3.4 实验结果与分析 14

3.5 实验中存在的问题 15

第四章 总结 17

致 谢 20

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及目的

热管在各行各业均有广泛应用，并取得了很大成效，而且在余热回收领域尤为突出^[1]。热管因其可以将大量热量通过很小的传热面积传送到很远的地方，成为现今最为有效的传热手段之一^[2]。并且热管元件与其他传热元件相比，拥有很多独有的优点：很高的导热性及优良的等温性，体积小，环境适应性好，热二极管与热开关性能，恒温特性等^[3]。

影响热管使用寿命的因素一般可以总结为三个方面：

（1）由于热管内的工作液体与管壁金属材料之间产生的电化学反应，因而产生不凝性气体，造成热管气塞，导致热阻变大，冷凝面积变小，传热性能下降，传热能力显著下降。

（2）热管内工作液体在高温高压下可能会逐步分解，并与管壁材料发生化学反应，导致工作液体性质改变。

（3）管科材料再长时间使用后产生溶解、腐蚀等情况，出现杂质，使热管内部流动阻力增大，传热效果降低。

为延长热管使用寿命一般均采用表面钝化的方法，在热管金属材料表面形成一层致密的氧化膜，从而隔绝活性金属与其他物质的接触，来达到延长热管寿命的要求。

传统热管钝化方法均采用重铬酸盐处理，其可以将热管寿命从2年延长至10年左右。但是重铬酸是一种有毒、致癌的物质，应国家环保部的要求，传统钝化液将逐渐停止使用，研究一种新型环保钝化液刻不容缓。

通过大量的资料文献查阅，发现肌醇六磷酸酯与金属螯合的特性满足热管钝化的要求，因此进行一系列的对比试验，寻找一种可行的钝化液配方。

1.2金属钝化

1.2.1 钝化现象

一般来说，金属中电极点位大幅向正方向偏移，金属的溶解速度变快。而在一些特定情况中，电流突然变少，如在金属表面形成了一层钝化膜，使反应减缓或停止，，从而延缓金属被腐蚀的速度，这种现象被称之为钝化现象^[4]。

金属钝化通常是在金属表面形成了一层薄膜，这种钝化膜是一种十分薄的、有非常致密，能坚固的吸附在金属表面，并能完全覆盖在金属表面，隔绝外界的氧气等物质与金属进行反应。

1.2.2金属钝化的必要标志

①金属腐蚀速度大大降低；

②金属电极电位向正方向大幅跃变。

1.2.3金属钝化的特征^[5]

①腐蚀速度明显下降；

②只有金属表面发生钝化；

③金属的电位向正方向移动；

④金属表面进行钝化处理后，即使改变外界条件，也能在相当程度保持钝化状态。

1.2.4钝化的优点

（1）和传统的方法相比，金属表面进行钝化处理后，因钝化膜极薄，几乎不会增加金属的厚度，也不会改变金属的颜色，使对金属的进一步加工更加方便。

（2）钝化生产工艺中，钝化液可以反复添加，重复使用，因此，使用寿命延长，同时也降低了费用。

（3）金属表面经过钝化处理后，会形成一层致密钝化膜，而且性能十分稳定，因而与传统的涂防锈漆等方法相比，钝化所形成的钝化膜耐腐蚀性更佳。

1.3传统热管钝化

在传统的热感生产加工中最为常用的钝化手段是采用铬酸盐进行处理，这种方法可以在金属表面形成一层以铬酸盐为主要成分的致密转化膜，从而能有效保护金属腐蚀，提高抗氧化、生锈的能力。

在过去的一百余年间，铬酸盐作为一种十分优秀的腐蚀抑制剂，被广泛的应用于各个行业的金属表面处理。但是，铬酸盐中所含的六价铬不仅有很高的毒性，对环境有害，而且还是一种致癌物质。

1.3.1铬酸盐钝化膜的作用^[7]

（1）可有效预防因直接触摸金属表面等造成的污染；

（2）可提高有机涂料或其他漆层与金属表面的粘附能力；

（3）可得到有色彩的装饰外观；

（4）可提高金属与金属表层的抗腐蚀能力，对金属表层来说，致密的铬酸盐镀膜既可以使金属表面出现腐蚀的时间大大推迟，又能对基底金属有很好的保护作用。

1.3.2铬酸盐膜的形成过程

铬酸盐溶液中，加入金属后，会在金属表面形成铬酸盐膜，此反应过称为^[8]：

①首先金属表面失去电子被氧化，然后生成的金属离子进入反应溶液，并同时在金属表面析出氢；

②一些六价铬被金属表面析出的氢还原为铬，氢离子的减少，同时使溶液-金属界面液相区pH值上升，溶液中的三价铬离子形成氢氧化铬，并生成沉淀；

③反应溶液中一定数量的六价铬离子与生成的氢氧化铬胶体吸附、结合，形成一层有特定结构的铬酸盐转化膜。

1.3.3其他钝化方式

还有一种通过添加抑雾剂、高效缓蚀剂^[9]等的酸洗钝化，可抑制酸雾的产生、保护金属出现酸脆现象和过度腐蚀。从90年代到现在研制的酸洗缓蚀剂主要有咪唑啉类和含硫咪唑啉衍生物,如SM-硫脲缩合物、IS-129咪唑啉类铜的盐酸缓蚀剂、脱氢松香基咪唑啉类缓蚀剂、SH-707、IS-156、BH-2等。但是，相对于硫酸，更多情况下会使用盐酸进行代替^[10]。

1.4小结

虽然使用钝化剂能有效增长热管的寿命，保障热管的质量，但传统铬酸盐钝化剂既破坏环境，又对人体危害很大。所以，随着近年来环保意识越来越强，含有六价铬的工业污水、废料排放限制越来越严格，直至现在不在允许使用此类化学试剂，传统钝化剂将停止使用，为了热管行业的生存与发展，研究一种新型无污染钝化剂已刻不容缓。

第二章 肌醇六磷酸酯对热管钝化的研究

过去热管钝化一般采用铬酸法，这种方法不仅价格昂贵，而且严重污染环境，对人体有害。近年来随着对环保的重视，人们开始探究对热管无铬钝化的方法，采取加入各种有机合成磷酸的方式，以图提高其防腐能力，但效果均不尽人意。但将肌醇六磷酸酯用于热管钝化中，发现其防腐性能远优于各种烃基膦酸^[11]。

2.1 基本信息

肌醇六磷酸酯(又称植酸Phyticaeid)的学名是环己六醇一l,2,3,4,5,6一六磷酸脂(简称IP₆) ^[12]，是一种从植物中提取的无毒有机化合物（分子结构如图1所示）^[13]。分子式为C₆H₁₈O₂₄P₆，相对分子量为660.04，相对密度1.58，实际上是环己六醇六磷酸酯的内消旋体,为稻草色糖浆状液体^[14]。植酸分子中有24 个氧原子、12 个经基和6 个磷酸基能与金属配合^[15]。

肌醇六磷酸酯最初在1872年被发现，一直到近百年后的1969年其分子结构才得以最终确定。在一定的pH值范围内，肌醇六磷酸酯可与金属反应形成各种盐。在一般情况下，肌醇六磷酸酯的状态是比较稳定的，但在进行高温加热后，其溶液会随着温度的升高与加热时间的延长，而慢慢水解。除此之外，肌醇六磷酸酯在加热后会发生颜色的变化，从100℃开始一直到125℃，由淡黄色最终转变为黑色。

肌醇六磷酸酯作为食品添加剂，它有很强的抗氧化作用，它能够很好的保存食物的颜色防止氧化发生变色。工业上，肌醇六磷酸酯能够作为很好的抗腐蚀药剂。在医疗上，肌醇六磷酸酯被应用于多种疾病的治疗，例如肾结石、胃炎等。肌醇六磷酸酯的分子可以说是一种二维分子，因为它所有的碳原子都处在同一平面上，这就意味着肌醇六磷酸酯如果附着在某些物质表面上不容易形成孔隙，其分子之间能够自发的形成规则的网状结构。本课题选用肌醇六磷酸酯作为钝化的最主要原因是其分子与金属阳离子有很好的契合度，二者结合生成的肌醇六磷酸盐具有巨大的螯合势能，附着在金属表面，致密且具有一定的强度，可以有效地减缓金属的腐蚀。肌醇六磷酸酯是非国家管控化学物质，满足国家要求排放标准。

2.2 钝化机理

肌醇六磷酸酯在与金属进行络合时，容易形成多个螯合环，所以络合物的稳定性很高。肌醇六磷酸酯的分子结构中有6个磷酸基，其中五个均在e位上，只有一个处在a位。其中有四个磷酸基处于一个平面上，因此，肌醇六磷酸酯在金属表面上与金属络合时，容易在金属表面形成一层致密的分子保护膜，可以有效阻止O₂等进入金属表面,从而减缓了金属的腐蚀。并且即使在强酸性环境中，肌醇六磷酸酯也可以与金属离子反应形成的络合物。除此之外，形成的单分子保护膜中含有羟基和磷酸基等活性基团能与有机涂层发生化学作用，具有与有机涂料近似的化学性质，所以经肌醇六磷酸酯处理过的金属表面与有机涂料之间有很强的粘结能力^[16-18]。

2.3 肌醇六磷酸酯的应用

肌醇六磷酸酯及其盐可以在金属表面形成一层很致密又很薄的有机磷化膜，此膜覆盖在金属表面后，会使金属表面变成“惰性”，电极电位变得与金、铂等金属相似，这样金属表面就能取良好的防腐效果。相关研究还表明，肌醇六磷酸酯可作为一种优秀的缓蚀剂，如在铜、钢等金属的水溶液中 ^[19-21]。

利用肌醇六磷酸酯的特殊性能，现已将其成功应用于金属防腐、常温磷化、无铬钝化等工艺中。肌醇六磷酸酯在金属防护处理中的普遍推广应用, 对于促进表面技术进步, 避免环境污染等方面都具有重要的经济价值^[22-24]。

在低温磷化液中，加入肌醇六磷酸酯及其复合盐，不但降低了传统磷化液含有的毒性和对环境造成的污染，而且使磷化膜的耐腐蚀性和附着力得到了提升，大大提升了磷化膜的效果，传统的符合添加剂已被这种添加肌醇六磷酸酯的磷化液所替代。

将肌醇六磷酸酯加入清洗剂中，除锈能力很强，效果很好。既可以用在一些普通的金属零部件表面的油污进行去除，也可以对某些机电工业设备去污清洗，例如汽车的内燃机冷却系统的清洗，对油脂、污渍、锈迹、水垢、鳞屑等都有较好的清除效果，并且不影响冷却系统的运转。

大量研究发现,肌醇六磷酸酯在工业中的金属防腐蚀等方面有越来越广的应用，其既能作为一种效果很好的缓蚀剂，又在金属表面处理上，是优秀的螯合剂。

在本次试验中，因肌醇六磷酸酯与金属螯合的特殊性质，作为一种有机酸，与传统的铬酸法相比,能完全满足环保、绿色的要求，故而成为新型钝化液配方的不二人选。

2.4 肌醇六磷酸酯钝化的利与弊

采用新型的肌醇六磷酸酯钝化工艺无疑对生产厂家落实环保要求十分有利，其作为一种有机酸，无任何毒性，完全满足环保要求。一般来说，以往已进行研究的无铬钝化方法进行钝化的钢板的耐腐蚀性能均达不到铬酸盐对钢管钝化的效果，因此，希望此种新型钝化剂能都有所突破，解决热管行业的一大难题。但是采用新的生产工艺需要新型的工艺设备，并且，生产成本会大大升高。

举例来说，上海宝钢股份公司有2、3两条产能完全相同的钝化彩涂线，2号线采用铬酸盐钝化，3号线采用无铬钝化的方法，而3号线的设备投资费用要比2号线高出一千多万元。并且，现在对含有六价铬废水的处理方法也非常成熟，采用生物法的钝化槽，进行一次处理后便能达标。这种可在线处理所有含铬废水的全自动装置，只需投入三百余万元即可达到2号线无铬钝化法同样的环保标准。

与此同时，肌醇六磷酸酯钝化工艺所需的化学药剂的价格要比传统的铬酸盐钝化药剂贵很多。而且，根据肌醇六磷酸酯的分子结构进行分析，钝化过程中肌醇六磷酸酯的消耗量要比铬酸盐要多。

除此之外，相对于已经使用了几十年的铬酸盐钝化法，其技术成熟、效果优秀，能有效保护热管，延长热管寿命，并已经过了时间的验证。而肌醇六磷酸酯对热管表面钝化的研究才刚刚开始，本课题只能对此进行初步的探究，更多深入的问题还需大量的实验和时间去解决。

第三章 肌醇六磷酸酯对热管钝化的实验

3.1 成分

3.1.1传统钝化剂

传统一次钝化剂配方为铬酸 250-300g/L 、200-250g/L，硫酸10~20ML/L、24~30ML/L、30~40ML/L、15~20ML/L，温度为30~40度室温。

3.1.2肌醇六磷酸酯钝化剂

新型钝化液配方参照 刘仁辉《黄铜表面植酸钝化膜耐蚀性及其成膜机理》^[25]中的钝化液配方。根据新型钝化液对金属表面形成的氧化膜在酸性环境之下的腐蚀程度来判断合适的钝化液配比。初步选定的钝化也配比为：1.5%肌醇六磷酸酯、40%硅酸钠、柠檬酸5g/L。

试验中肌醇六磷酸酯是进行钝化的主要物质，硅酸钠不仅是粘合剂，还能起到一定的防酸腐作用，柠檬酸代替硫酸用来调节反应溶液的pH值。

3.2 实验准备

3.2.1实验器材

烧杯若干，量筒一个，玻璃棒一根，滴管两个，电子秤一个（精确度为0.1g），热管30根（规格：长9.5cm，外径2.5cm，壁厚1.5mm的中空圆筒，材质为20钢）。

3.2.2实验药品

70%工业用肌醇六磷酸酯，硅酸钠晶体，柠檬酸，三乙醇胺，钼酸钠。

3.2.3药品性质与作用

肌醇六磷酸酯：是一种微黄色十分粘稠的液体，有弱酸性，易溶于水、酒精等。由于其具有一种独特的化学性质，不仅可作为食品添加剂，在工业中，还可作为抗氧化剂与螯合剂。在本实验中，肌醇六磷酸酯起到与金属络合，在金属表面形成一层致密的钝化膜的作用。

硅酸钠：是一种可溶于水的硅酸盐，其水溶液俗称为水玻璃。化学式为（Na₂O·nSiO₂）,是一种白色或白灰色的粉末、块状物，可以被风化，有较低的毒性，不溶于酸和酒精，可溶于稀氢氧化钠溶液。一般应将其密封保存于干燥、阴凉处。硅酸钠有较强的耐酸、耐热能力，但耐水、耐碱能力较差，有很强的粘结力，是一种良好的粘合剂。

柠檬酸：分子式为C₆H₈O₇，通常含有一个分子的结晶水，是一种无色晶体，易溶于水，闻上去有很强烈的酸味。在空气湿度较大时，略微能够潮解。是一种十分重要的有机酸，在食品、工业等多个领域均有多种用途。也是一种羧酸类化合物，酸性较强，加热到一定温度后会分解成多种产物，可以与酸、碱、焦油等多种物质进行反应。故而，在本实验中，柠檬酸作为有机酸，代替硫酸、盐酸等作为调节钝化液pH值的作用。

三乙醇胺：可以看成为三乙胺的三羟基替代物，是一种淡黄色或无色的十分粘稠的透明液体，在低温时，会凝结成一种无色或淡黄色的立方晶体。易溶于水、酒精、丙酮等，微溶于乙醚、四氯化碳和苯等。暴露放置在空气中颜色会慢慢变深。有微弱的碱性，因而能与有机酸、无机酸均能发生反应。即使一种高效的螯合剂，又能作为金属缓蚀剂的重要成分，可有效保护金属表面不被氧化。

钼酸钠：分子式为Na₂MoO₄,微溶于水，是一种白色、菱形的结晶状物体，有较低的毒性，对人体有一定的刺激性。其对环境有较低的污染性，但与一些物质配合时使用后，不仅能减少钼酸钠的使用量，而且可以大大增加缓蚀效果，因而现在有较多的应用。在本实验中，钼酸钠将与三乙醇胺配合使用，作为金属钝化反应的缓蚀剂。

3.2 实验步骤

本实验在常温（室温约20度），常压（一个标准大气压）下进行，配置200mL溶液，反应时间约40min。

（1）因热管为工厂取出的新管，已经放置的很长的一段时间，表面已产生了一层锈迹，所以在实验开始之前，应先对热管进行除锈处理。取若干根热管，放入烧杯，加入一定量的柠檬酸（每根约5g），再倒入适量的水，浸泡30-40分钟，对热管表面的锈迹进行初步去除。

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