喷气燃料银片腐蚀微波法研究

佟丽萍 宗 营 王岸英

(1.空军勤务学院，江苏 徐州 221000; 2.空军后勤部军需能源质量监督站，北京 100000)

1 微波催化加速银片腐蚀机理

1.1 微波对晶态物质表面极化影响分析

微波对晶态物质表面性能的影响，主要是对晶态电介质表面性能的影响。电介质作为一种电阻率很高、导电性能很差的物质，其所带的带电粒子被约束在电介质的分子中，而不能做宏观运动[1]。

在外电场作用下，电介质内的带电粒子发生微观位移，使分子产生极化。电介质的偶极子转向极化和界面极化对物质在微波下的能量吸收起主要作用。

1.2 微波对银片腐蚀反应的催化机理

微波主要从银片表面空间电荷的局部积聚、银片表面晶格缺陷部分与微波产生共振吸收、以及腐蚀产物硫化银共价键结构所具有的反应扩散特性等方面，催化加速喷气燃料银片腐蚀。

(1) 微波催化化学反应的热效应表现在微波以光速渗入物体内部，由电子、离子的移动或缺陷偶极子的极化而被吸收，对反应体系中的带电粒子做功，导致体系温度升高，形成反应物质内外部“整体”加热效果，加快反应的进行。

(2) 微波催化化学反应的热效应[2]表现在电磁场作用和微波特性两个方面，它同时影响了相撞“分子对”整体的运动和两分子相对于其共同质心的运动，使反应体系中极性分子、极性原子和极性离子等带电粒子发生转动能级间的跃迁，改变它们的活化状态，从而引起始态反应分子内能和位能的提高，最终得以加快化学反应的速度。

(3) 微波作用下的金属银片的界面极化效应会引起表面自由电荷的移动，使其产生宏观偶极矩，形成表面空间电荷的局部积聚，使得金属银片更易于吸收微波能，提高了银片与硫化物的反应活性。

(4) 在微波场中，银片表面弱键和缺陷部位与微波发生局域共振耦合传能，暴露出新鲜表面，增加了反应界面，导致银片表面能量的不均匀而形成“微波热点”和腐蚀反应活性中心，硫化腐蚀就发生在这些部位，而且体系中的极性分子具有“相互摩擦效应”和“分子搅拌效应”，通过破坏银片表面的物理吸附膜来提高硫化物离子与银片反应的活度。

(5) 银片和喷气燃料中的活性硫作用生成的硫化银具有共价键成分，电导性低，介电损耗因子小，与微波作用深度浅，不易发生深度腐蚀反应，易发生蔓延式的腐蚀反应。

2 微波催化银片腐蚀反应影响因素分析

2.1 喷气燃料银片腐蚀催化剂加入量研究

分别取为质量百分比为8、10、12、14、20、30%(对应体积为4、5、6、7、10、15 ml)的催化剂，倒入银片腐蚀为2级的喷气燃料中，组成50 mL混合溶液。把银片按照SH/T0023-1990(2000)标准方法处理后，悬置在腐蚀检测瓶的油样中。把盛放油样的腐蚀检测瓶放入专用微波容器中，放在微波快速测定仪的中心处(为最大限度的减少误差，每次试验专用微波容器均放在同一位置)，调节微波功率150 mA。反应时间为10 min。反应结束后观察银片表面腐蚀情况，实验结果如表1所示。

表1 催化剂加入量对银片腐蚀的影响

反应结束后，专用微波容器内有大量溶液，腐蚀检测瓶中的溶液的体积随着催化剂加入量的增加而减少，说明随着催化剂加入量的增加，反应体系爆沸现象严重，蒸发出来的混合液遇玻璃容器壁迅速冷凝，流到容器底部而形成。从试验现象可以看出，催化剂的加入量不是越多越好，而是有一个最佳值。从反应结果看，催化剂的加入量为12%时银片腐蚀现象为：蓝色、紫色、麦黄色，反应的效果最好。

2.2 微波试验时间对腐蚀反应结果影响分析

选用腐蚀级别为2级的油样，用微波快速测定方法进行腐蚀试验，观察不同试验时间结果如表2。

从上述试验结果看，试样在试验前2 min对银片几乎不发生作用，大约3 min时，开始对银片产生作用，并随时间延长，对银片的腐蚀逐渐加重。试验时间在10～15 min段的结果与SH/T 0023-1990(2006)标准法的试验结果有较好的可比性。

表2 不同试验时间银片腐蚀情况

2.3 微波功率对腐蚀反应结果影响分析

腐蚀级别为2级的油样，用微波快速测定方法进行腐蚀试验，调节微波功率分别为50、100、150、200 mA，试验结果如表3所示：

表3 不同微波功率下银片腐蚀情况

可以看出，当微波功率为50 mA，腐蚀现象较轻，可定为1级腐蚀，随着微波功率的加大，腐蚀现象也随着增大，当微波功率为150mA时，2级腐蚀现象较明显，可见在微波功率接近150 mA时，银片腐蚀微波快速试验法的结果与SH/T 0023-1990(2006)标准法的试验结果有较好的可比性。

2.4 微波负载对腐蚀反应结果影响分析

取8组油样，其中6个2级油样，1个3级油样，1个4级油样，测定结果如表4。

结果表明，与2～3级腐蚀基本吻合，稍微有减轻，但不明显，仍可定为2级腐蚀。说明增加微波负载对腐蚀结果影响不明显。

表4 多组油样同时试验的情况

3 微波催化银片腐蚀反应最佳试验条件研究

通过微波催化喷气燃料银片腐蚀反应影响因素的研究结果，表明微波功率、试验时间、催化剂用量对银片腐蚀程度都有很大的影响。所以，为了考察微波功率、试验时间、催化剂用量、反应体系体积与银片腐蚀速度的关系，本论文采用正交试验法，根据每个因素选取三个水平，构成四因素三水平的正交表，用银片腐蚀级别为2级的喷气燃料样品，按表中条件因素进行试验，以达到相应腐蚀级别(2级)所需时间为测试结果，得出四因素的最优组合，即最佳试验条件。

3.1 银片腐蚀反应正交试验表设计

四个因素，即催化剂用量A、实验时间B、微波功率C、反应体系体积D。每个因素选取三个水平，即催化剂的用量A：A1、A2、A3；实验时间B：B1、B2、B3；微波功率C：C1、C2、C3；反应体系的体积D：D1、D2、D3。因素水平见表5。

表5 银片腐蚀反应正交试验表

3.2 银片腐蚀反应正交试验研究

通过正交试验得到催化剂用量(5 mL～7 mL)、实验时间(8 min～12 min)、微波功率(100～300 mA)、反应体系的体积(40 mL～60 mL)四个因素对银片腐蚀速度的影响趋势。从表6中可以看出四个因素对银片腐蚀影响从大到小依次是：反应时间、催化剂用量、反应体积、微波功率。考虑到进行银片腐蚀时喷气燃料是挥发性的，以及微波快速测定仪的使用寿命、微波负载等因素，本论文最终确定的微波催化银片腐蚀反应快速试验方法的条件为：催化剂用量为5 ml，反应时间为15 min、微波功率为150 mA，反应体系体积为50 mL。

表6 银片腐蚀反应正交试验结果

注：(1) 颜色评分是根据和水浴加热颜色比较，吻合程度来判断；(2) 表中K1、K2、K3分别表示各因素取1、2、3、4水平时相应试验结果之和；k1、k2、k3为各次实验结果的平均值。(3) R表示极差。

4 结论

通过微波催化喷气燃料银片腐蚀反应影响因素的研究结果，表明微波功率、试验时间、催化剂用量对银片腐蚀程度都有很大的影响。

采用正交试验法，考察了微波功率、试验时间、催化剂用量、反应体系体积对银片腐蚀速度的影响。得出了四因素的最优组合，确定了微波催化银片腐蚀反应快速试验条件：催化剂用量为5 ml，反应时间为15 min、微波功率为150 mA，反应体系的体积为50 ml。