一种氢局部腐蚀检测聚合物膜

1.本发明涉及腐蚀检测技术领域，尤其是一种新型氢局部腐蚀检测聚合物膜。


背景技术：

2.局部腐蚀发生在油气管道和设备表面不同位置的腐蚀环境中，常见的局部腐蚀类型有缝隙腐蚀、应力腐蚀、微生物腐蚀、局部磨损腐蚀、点蚀、氢致开裂等。目前常用的局部腐蚀检测方法有声导波技术、电化学噪声和丝束电极等，这些方法存在灵敏度、分辨率较低，很难兼具原位、非扰动和不接触特性、检测价格较贵等缺点。
3.局部腐蚀都伴随着显著的氢渗透现象，即氢原子从腐蚀位点向金属内部渗透，最终到达腐蚀位点的背面，形成渗透氢。由此可见，渗透氢是从腐蚀位点传输至位点背面的直接信号。氢局部腐蚀检测聚合物膜是一种新型检测方法，腐蚀微环境中产生的氢原子与聚合物膜中的碳氮双键反应，使其从氧化态变为还原态，伴随着颜色的变化，从而确定腐蚀发生的位置，实现从外部检测内部发生的局部腐蚀，且成本低廉、操作容易，更适用于现场检测。
4.氢局部腐蚀检测聚合物膜是一种氢致变色材料。目前，国内外对于氢致变色材料方面的研究虽然较多，但多应用于电子显示方面，在氢局部腐蚀检测方面的研究较少，现场方面的应用更是少之又少，因此研究局部腐蚀检测方法对于油气管道和设备的防护尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种具有可显示局部腐蚀区域、颜色变化明显、响应迅速等优点的氢局部腐蚀检测聚合物膜。
6.本发明提供的氢局部腐蚀检测聚合物膜设置在待检测物腐蚀区域的背面，通过膜的颜色变化来确定腐蚀发生的位置。所述聚合物膜使用的聚合物材料选自聚2，5-二甲氧基苯胺、聚邻苯二胺、聚邻甲氧基苯胺、聚邻乙氧基苯胺、聚4-氨基联苯、聚邻甲基苯胺其中的任意一种。所述聚合物膜通过电化学沉积法在待测物表面制成，或者通过化学合成法制成。
7.优选的是，所述聚合物膜为聚2，5-二甲氧基苯胺膜。氢原子与聚2，5-二甲氧基苯胺膜中的碳氮双键反应，使其从氧化态变为还原态，伴随着颜色由绿色变为黄色，即腐蚀区域颜色由绿色变为黄色，颜色变化明显，从而确定局部腐蚀发生的位置。
8.所述聚合物膜可以采用下述的三种方法之一制成：
9.方法一，线性循环伏安法，步骤如下：
10.(1)将2，5-二甲氧基苯胺溶于乙醇后，加入h2so4溶液中，充分搅拌，得到电解液；
11.(2)选择碳钢为工作电极、铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，将三电极浸泡在电解液中，并与电化学工作站连接好，利用电化学工作站中的线性循环伏安法，初始电位和第一顶点电位设置为0v，第二顶点电位和终止电位设置为1v，扫描数十圈；待扫描结束，进行合成后处理，在硫酸溶液中以相同的电位和扫速，扫描数圈，在工作电极表面形成
一层草绿色的聚合物膜，即为氧化态的聚2，5-二甲氧基苯胺。
12.方法二，恒电位极化法，步骤如下：
13.(1)将2，5-二甲氧基苯胺溶于乙醇后，加入h2so4溶液中，充分搅拌，得到电解液；
14.(2)选择碳钢为工作电极、铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，将三电极浸泡在电解液中，并与电化学工作站连接好，利用电化学工作站中的恒电位极化法，将电位设置为0.4v，时间为7-10分钟，最终在工作电极表面形成一层草绿色的聚合物膜，即为氧化态的聚2，5-二甲氧基苯胺。
15.方法三，化学合成法，步骤如下：
16.(1)将2，5-二甲氧基苯胺溶于hcl溶液中，将反应容器置于冰浴中保持温度在0-5℃，在磁力搅拌下逐滴加入(nh4)2s2o8，1小时内滴完，此时墨绿色的沉淀逐渐生成，在室温下继续搅拌15小时，过滤，用hcl溶液洗涤，干燥，得到墨绿色粉末即为盐酸掺杂的聚2，5-二甲氧基苯胺粉末；
17.(2)将聚2，5-二甲氧基苯胺粉末溶解在正硅酸乙酯中，将溶液均匀涂在待测物腐蚀区域背面，即形成一层均匀的草绿色聚合物膜。
18.上述方法中，优选的是电化学沉积法，以电沉积的方式聚合成膜，确保了聚合物膜的均匀性和致密性。
19.聚合物膜依据变色检测氢局部腐蚀的分布，原理如下：
20.(1)阴极反应为析氢反应的局部腐蚀，其微环境中会产生渗透氢，聚合物膜对氢原子高度敏感。
21.(2)氢原子由腐蚀位置向外渗透直至接触聚合物膜，氢原子与聚合物膜中的碳氮双键反应，使其从氧化态变为还原态，伴随着颜色的变化。
22.各种聚合物的变色反应性能如下：
23.聚邻苯二胺：还原态电位：-0.25v(透明)，氧化态电位：0.8v(棕色)；
24.聚邻甲氧基苯胺：还原态电位：-0.3v(黄绿色)，氧化态电位：0.8v(深蓝色)；
25.聚邻乙氧基苯胺：还原态电位：-0.15v(黄色)，中间氧化态电位：0.1v(绿色)，氧化态电位：0.75v(紫色)；
26.聚4-氨基联苯：还原态电位：0v(黄色)，中间氧化态电位：0.3v(绿色)，氧化态电位：1v(棕色)；
27.聚邻甲基苯胺：还原态电位：-0.2v(黄色)，氧化态电位：0.6v(紫色)。
28.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
29.(1)本发明的聚合物膜适用于检测油气管道和设备中发生的局部腐蚀，也适用于验证金属材料不同微观结构产生渗透氢的位置。通过特定的方法在管道或设备表面合成一层均匀致密的聚合物膜，聚合物膜对腐蚀环境中产生的氢原子异常敏感，氢原子与聚合物膜中的碳氮双键反应，使其从氧化态变为还原态，伴随着颜色改变，从而确定局部腐蚀发生的位置。
30.(2)通过聚合物膜的颜色变化反映内部发生的腐蚀位置，实现从外部检测内部发生的局部腐蚀，与现有技术相比更加直观、便捷。
31.(3)本发明环保无毒、成本低廉且制作容易。
32.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本
发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
33.图1、聚2，5-二甲氧基苯胺的线性循环伏安曲线。
34.图2、聚合物膜(聚2，5-二甲氧基苯胺)检测局部腐蚀区域实验结果图。
35.图3、聚2，5-二甲氧基苯胺膜随充氢时间和不同充氢电流的颜色变化图。
36.图4、聚2，5-二甲氧基苯胺膜的红外光谱表征图。
具体实施方式
37.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
38.实施例1
39.一种聚合物膜制备方法流程如下：
40.先将5mmol的2，5-二甲氧基苯胺溶于20ml乙醇待充分溶解后，再加入300ml 0.5mol/l的h2so4溶液中，充分搅拌，直至溶液变为透明，即为电解液。
41.然后选择4
×4×
0.5cm的l245碳钢为工作电极、铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极。将三电极浸泡在电解液中，并与电化学工作站连接好，利用电化学工作站中的线性循环伏安法，其中初始电位和第一顶点电位设置为0v(相对参比电极)，第二顶点电位和终止电位设置为1v(相对参比电极)，扫描速率为20mv/s，扫描圈数为30圈。待扫描结束，进行合成后处理，在0.5mol/l的硫酸溶液中以相同的电位和扫速，扫描5圈，线性循环伏安曲线如图1所示。扫描结束，在工作电极表面可以观察到一层草绿色的聚合物膜，即为氧化态的聚2，5-二甲氧基苯胺。
42.实施例2
43.一种聚合物膜制备方法流程如下：
44.先将5mmol的2，5-二甲氧基苯胺溶于20ml乙醇待充分溶解后，再加入300ml 0.5mol/l的h2so4溶液中，充分搅拌，直至溶液变为透明，即为电解液。
45.然后选择4
×4×
0.5cm的l245碳钢为工作电极、铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，将三电极浸泡在电解液中，并与电化学工作站连接好，利用电化学工作站中的恒电位极化，将电位设置为0.4v(相对参比电极)，时间为7-10分钟。最后，在工作电极表面可以观察到一层草绿色的聚合物膜，即为氧化态的聚2，5-二甲氧基苯胺。
46.实施例3
47.一种聚合物膜制备方法流程如下：
48.先将0.1mol的2，5-二甲氧基苯胺溶于100ml 1mol/l的hcl溶液中，将反应容器置于冰浴中，并始终保持温度在0-5℃，在磁力搅拌下逐滴加入20ml的5℃的(nh4)2s2o8，控制滴加速率，1小时内滴完，此时墨绿色的沉淀逐渐生成。在室温下继续搅拌15小时，然后过滤，用100ml 1mol/l的hcl洗涤滤饼，直至滤液为透明。将得到的滤饼放置烘箱内，温度调至60℃干燥24小时，得到的墨绿色粉末即为盐酸掺杂的聚2，5-二甲氧基苯胺粉末。
49.将制得的聚2，5-二甲氧基苯胺粉末在正硅酸乙酯(teos)中充分搅拌溶解，用玻璃棒蘸取后均匀涂在试样腐蚀区域的背面，5min后，即形成一层均匀的草绿色聚合物膜，观察
其颜色变化即可。
50.取实施例1制备的沉积聚2，5-二甲氧基苯胺膜的碳钢，在背面相同区域内，左半部分用硅胶封住，右半部分加入湿润的硫粉进行腐蚀，腐蚀前和腐蚀后的图片见图2。可以看到，发生腐蚀的区域变为黄色，与未发生腐蚀的区域呈鲜明对比。
51.取实施例1制备的沉积聚2，5-二甲氧基苯胺膜的碳钢，在背面相同区域内进行电化学充氢，分别施加1ma/cm2、5ma/cm2和10ma/cm2的充氢电流，可以看到聚2，5-二甲氧基苯胺膜的颜色随着充氢时间的增大而变浅，即由绿色逐渐变为黄色，且电流越大，颜色变化时间越短。当充氢时间接近4.6h，此时电流逐渐增大，可以看到聚合物膜的颜色变为浅绿色，由此可说明聚2，5-二甲氧基苯胺膜对氢原子足够敏感，且响应迅速。聚2，5-二甲氧基苯胺膜随充氢时间和不同充氢电流的颜色变化图见图3。
52.聚2，5-二甲氧基苯胺膜的变色机理反应如下：
[0053][0054]
聚2，5-二甲氧基苯胺膜的红外光谱表征结果见图4。图中3440cm-1
为n-h伸缩振动；1641cm-1
为膜表面吸附的h-o-h；1433cm-1
为苯环上的c＝c骨架振动，也可能来自于-och3非对称弯曲振动；pdma在1490cm-1
和1600cm-1
处的醌类峰和苯类峰不明显，可能是与在1400-1600cm-1
范围内苯环上的c＝c伸展带重叠；1120cm-1
为＝c-o-c(-och3)的νs。
[0055]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种氢局部腐蚀检测聚合物膜，其特征在于，所述聚合物膜设置在待检测物腐蚀区域的背面，通过膜的颜色变化来确定腐蚀发生的位置；所述聚合物膜使用的聚合物材料选自聚2，5-二甲氧基苯胺、聚邻苯二胺、聚邻甲氧基苯胺、聚邻乙氧基苯胺、聚4-氨基联苯、聚邻甲基苯胺其中的任意一种；所述聚合物膜通过电化学沉积法在待测物表面制成，或者通过化学合成法制成。2.如权利要求1所述的氢局部腐蚀检测聚合物膜，其特征在于，所述聚合物膜为聚2，5-二甲氧基苯胺膜。3.如权利要求2所述的氢局部腐蚀检测聚合物膜，其特征在于，所述聚合物膜通过电化学沉积法在待测物表面制成。4.如权利要求3所述的氢局部腐蚀检测聚合物膜，其特征在于，所述聚合物膜的制备方法如下：(1)将2，5-二甲氧基苯胺溶于乙醇后，加入h2so4溶液中，充分搅拌，得到电解液；(2)选择碳钢为工作电极、铂电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，将三电极浸泡在电解液中，并与电化学工作站连接好，利用电化学工作站中的线性循环伏安法或恒电位极化法，在工作电极表面形成一层草绿色的聚合物膜，即为氧化态的聚2，5-二甲氧基苯胺。5.如权利要求4所述的氢局部腐蚀检测聚合物膜，其特征在于，所述线性循环伏安法具体是：初始电位和第一顶点电位设置为0v，第二顶点电位和终止电位设置为1v，扫描数十圈；待扫描结束，进行合成后处理，在硫酸溶液中以相同的电位和扫速，扫描数圈，在工作电极表面形成一层草绿色的聚合物膜，即为氧化态的聚2，5-二甲氧基苯胺。6.如权利要求4所述的氢局部腐蚀检测聚合物膜，其特征在于，所述恒电位极化法具体是：将电位设置为0.4v，时间为7-10分钟，最终在工作电极表面形成一层草绿色的聚合物膜，即为氧化态的聚2，5-二甲氧基苯胺。7.如权利要求2所述的氢局部腐蚀检测聚合物膜，其特征在于，所述聚合物膜通过化学合成法制成，方法步骤如下：(1)将2，5-二甲氧基苯胺溶于hcl溶液中，将反应容器置于冰浴中保持温度在0-5℃，搅拌下逐滴加入(nh4)2s2o8，1小时内滴完，此时墨绿色的沉淀逐渐生成，在室温下继续搅拌15小时，过滤，用hcl溶液洗涤，干燥，得到墨绿色粉末即为盐酸掺杂的聚2，5-二甲氧基苯胺粉末；(2)将聚2，5-二甲氧基苯胺粉末溶解在正硅酸乙酯中，将溶液均匀涂在待测物腐蚀区域背面，即形成均匀的草绿色聚合物膜。

技术总结
本发明公开了一种氢局部腐蚀检测聚合物膜，所述聚合物膜设置在待检测物腐蚀区域的背面，通过观察膜的颜色变化来确定腐蚀发生的位置；所述聚合物膜使用的聚合物材料选自聚2，5-二甲氧基苯胺、聚邻苯二胺、聚邻甲氧基苯胺、聚邻乙氧基苯胺、聚4-氨基联苯、聚邻甲基苯胺其中的任意一种；聚合物膜通过电化学沉积法在待测物表面制成，或者通过化学合成法制成。本发明的聚合物膜对腐蚀环境中产生的氢原子异常敏感，氢原子会改变其内部结构，使其从氧化态变为还原态，伴随着颜色改变；通过聚合物膜的颜色变化反映内部发生的腐蚀位置，实现从外部检测内部发生的局部腐蚀，与现有技术相比更加直观便捷。直观便捷。直观便捷。


技术研发人员：扈俊颖 周欣 钟显康
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/16