作者：陈志远，刘静怡摘要：针对钢铁制品在储运及使用过程中普遍发生的锈蚀问题，传统强酸除锈剂存在氢脆风险、操作安全隐患及环保处理成本高等突出缺陷，而市售有机酸盐类中性除锈剂反应速率慢（室温>30 min）、除锈过程显色过深难以观察终点、溶锈容量不足。
本研究基于分子螯合与pH缓冲协同机理，开发了一种新型中性快速除锈复合剂。通过优化螯合基团结构与去离子水配比（30 wt%原液+70 wt%去离子水），制得pH≈7.0的工作液。实验表明：浅表层锈蚀在≤3 min内完全去除；除锈过程中工作液保持浅色透明，便于实时此处本研究为钢铁部件的环保、高效、可视化解锈提供了一种可靠的技术方案。
关键词：中性除锈；螯合协同；pH中性；氢脆防控；钢铁表面处理
钢材因其优异的力学性能和加工经济性，在机械制造、建筑工程、交通运输等领域占据主导地位。然而，锈蚀问题始终伴随钢铁制品的全生命周期。文献[1]指出，全球每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约占GDP的3%~4%。在我国，由于部分钢材标号偏低、防锈油品质参差及包装储运过程中的破损等因素，锈蚀发生率居高不下，除锈产品因而具有持续且庞大的市场需求。
传统除锈方法以强酸（盐酸、硫酸、磷酸等）浸泡或涂抹为主。强酸通过与铁锈（Fe₂O₃·nH₂O、Fe₃O₄等）发生快速化学反应实现除锈，但其固有缺陷日益受到行业关注：首先，酸洗过程中氢原子渗入金属晶格，引发“氢脆”现象，显著降低结构件抗拉强度与疲劳寿命[2]；其次，强酸溶液对操作人员的皮肤、呼吸道具有强刺激性，飞溅风险高；再者，废酸液属于危险废物，其中和、沉淀及合规排放的处理成本极为高昂，且面临日趋严格的环保督察压力。
为规避强酸弊端，业界尝试开发中性除锈剂。第一代中性产品以有机酸盐（如柠檬酸铵、EDTA盐）为主剂。此类产品虽pH接近中性，但反应动力学缓慢——室温下除锈时间普遍超过30分钟，仅适用于慢速浸泡，无法满足现场喷洒或快速作业需求。近年来出现的“快速中性除锈剂”在反应速度上有所提升，但仍存在两大痛点：其一，除锈过程中工作液迅速变为深黑色或墨绿色，严重遮挡操作者视线，难以判断锈层是否彻底剥离；其二，单位体积除锈剂所能溶解的铁锈总量（溶限）偏低，导致频繁更换槽液，增加成本与废液量。
针对上述问题，灵智燎原节能环保技术研究院基于螯合动力学与显色调控的协同设计，开发了S5011中性快速除锈复合剂。本研究旨在系统表征该技术的理化性能、除锈效率、溶锈容量及工艺适应性，为钢铁表面处理行业提供一种兼顾环保性、高效性与操作友好型的新方案。
2. 技术原理与方法2.1 分子结构设计S5011复合剂的核心功能组分是一种多齿螯合配体，其分子结构中同时包含羧基（–COOH）、羟基（–OH）与氨基（–NH₂）三类供电子基团。通过密度泛函理论计算预筛选，确定了最优的空间构型——三个配位原子与Fe³⁺形成五元环螯合单元，结合常数lgK稳定在10~12之间。这种设计确保了在中性pH条件下对铁离子的高效捕集能力，同时避免了强酸体系下的过度刻蚀。
图2（分子结构示意图） 展示了该螯合剂在去离子水中自组装形成的胶束状结构，其亲水外壳保证了水溶性，而内部的疏水微区有助于加速锈层剥离。
2.2 作用机理分步解析本技术的除锈过程可分解为以下三个协同步骤：
步骤1（润湿渗透）：复合剂中的非离子表面活性剂降低工作液表面张力（经测定为28.5 mN/m，纯水为72.0 mN/m），使溶液迅速铺展并渗入锈层的多孔结构内部，打破锈层与基体金属的机械结合。
步骤2（螯合溶解）：螯合剂分子与锈层中的Fe³⁺/Fe²⁺发生配位反应，生成可溶性铁-螯合物，锈层由此逐层剥离进入液相。该反应在室温下的速率常数k = 0.12 s⁻¹（25°C，pH=7.0），较传统有机酸盐（k ≈ 0.03 s⁻¹）提升4倍。
步骤3（分散稳定）：溶解后的铁-螯合物微粒被体系中的分散剂包裹，防止其重新沉积于金属表面，同时保持工作液呈浅色透明状态——这是实时观察除锈终点的关键。
2.3 协同效应分析相较于单一组分，螯合剂、渗透剂与分散剂的三元复配产生了显著的“1+1+1>3”效应。实验数据显示：仅使用螯合剂时，除锈时间约为8分钟，工作液呈深褐色；添加渗透剂后时间缩短至4分钟，但显色问题未解决；进一步引入分散剂，时间降至≤3分钟，且工作液始终保持浅黄色透明。该协同体系还提高了溶锈阈值：在铁离子浓度累积至12 g/L之前，不会出现沉淀或粘度骤增现象。
3. 结果与讨论3.1 理化性能表征依据GB/T 9724-2007《化学试剂 pH值测定通则》，对按30 wt% S5011原液与70 wt%去离子水配制的工作液进行检测，其pH值为6.8~7.2（25°C）。采用精密pH试纸（范围5.5~9.0）浸泡后观察，试纸呈中性绿色，证明该产品不含强酸或强碱成分。表1汇总了关键理化指标。
表1：S5011工作液（30 wt%）理化性能指标
取经盐雾试验72小时生成的浅表层均匀锈蚀（锈层厚度约30~50 μm）Q235钢板，尺寸50×50×2 mm。将S5011工作液与竞品A（市售快速中性除锈剂）、竞品B（有机酸盐型中性除锈剂）进行对比测试。采用喷洒方式（每30秒喷洒一次，均匀覆盖），记录完全除锈所需时间。S5011平均用时2分48秒，竞品A为5分15秒，竞品B＞35分钟。结果表明，S5011在喷洒模式下效率优势最为显著，这得益于其快速渗透-螯合的双重机制。
3.3 除锈显色与溶锈量对比在除锈过程中，S5011工作液接触铁锈后仅变为浅黄色（类似于淡茶色），而竞品A在1分钟内即变为深墨绿色，完全遮挡金属表面。操作人员可透过S5011的浅色液膜直接观察锈层是否剥离干净，避免过度处理或残留。
溶锈量测试方法：各取50 mL工作液于烧杯中，在搅拌条件下逐次加入真实铁锈粉末（过200目筛），记录至溶液明显增稠或出现沉淀时累计加入的铁锈质量。S5011饱和溶锈量为14.5 g/L，竞品A为9.7 g/L，提升幅度达49.5%（约50%）。
3.4 氢脆风险验证依据GB/T 15970.1-2018《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验》中的弯梁法，对30CrMnSiA高强度钢试片分别进行强酸除锈（15%盐酸，常温浸泡20分钟）与S5011除锈（25°C，喷洒+浸泡共5分钟）。随后采用三点弯曲加载（加载应力为屈服强度的80%）并在空气中放置48小时。强酸组试片出现3处微裂纹，而S5011组试片表面完好，无裂纹萌生。这说明中性配方彻底杜绝了氢脆隐患。
3.5 讨论综合上述实验数据，S5011的性能突破主要源于分子层面的协同设计。值得注意的是，该技术对严重锈蚀（锈层厚度>200 μm）的极限溶限仍有一定边界——当锈层过厚时，建议采用先机械铲除再喷洒的顺序，或加热至50°C浸泡以提升反应速率。这一局限性与所有化学除锈剂一致，并非本技术特有。此外，除锈后必须立即用清水冲洗并擦干，否则残留螯合剂的亲水性会加速二次返锈（该现象在同类产品中普遍存在，需配合后处理防锈油）。
本研究系统评价了灵智燎原节能环保技术研究院开发的S5011中性快速除锈复合剂，得出以下结论：
pH中性安全：30 wt%工作液pH=7.0±0.2，不含强酸，对操作人员、金属基体及环境友好，经弯梁法验证无氢脆风险。
快速高效：浅表层锈蚀（≤50 μm）喷洒除锈时间≤3分钟，较市售快速中性竞品提速约47%。
全程可视：除锈过程中工作液保持浅黄色透明，便于实时判断除锈终点，避免过处理或残留。
高溶锈容量：饱和溶锈量达14.5 g/L，较竞品提升50%，延长槽液寿命，降低废液产生。
4.2 技术意义本技术填补了“中性、快速、可视、高容量”四位一体除锈产品的市场空白，为精密机械、航空部件、汽车钣金等对氢脆敏感的领域提供了安全可靠的替代方案。同时，其近中性的排放特性显著降低了企业的环保合规成本。
4.3 展望未来研究方向包括：①进一步优化分散剂体系，将溶锈容量提升至20 g/L以上；②开发配套的在线pH监测与自动补液装置，实现浸泡线的智能化控制；③探索该螯合体系在高盐、高湿海洋环境中的缓蚀协同效应。灵智燎原节能环保技术研究院欢迎业内同仁开展横向对比验证与技术交流。
参考文献：[1] 中国腐蚀与防护学会. 中国腐蚀成本白皮书[R]. 北京: 化学工业出版社, 2021.[2] GB/T 15970.1-2018《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第1部分：试验方法总则》[3] 某检测机构. 检测报告编号：HX2024-0892[R]. 2024. （S5011理化性能测试）[4] 灵智燎原节能环保技术研究院研发中心. 产品技术数据表（TDS）: S5011中性快速除锈复合剂[Z]. 2024.