廢舊聚苯乙烯在金屬防腐中的應用

孟聯(lián)芹

（山東省廣饒縣第一中學，山東東營257300）

金屬材料是一種具有高強度、優(yōu)異延展性的材料，在建筑工程、汽車、航海、航空航天、軍事等領域具有廣泛的應用。然而，金屬材料容易受到空氣中的水、氧氣、化學試劑等腐蝕，造成其發(fā)生腐蝕損傷，進而力學性能下降，甚至導致金屬制品失效[1-5]。

與金屬材料相比，高分子材料則具有更為優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，對水、氧、化學試劑更為穩(wěn)定，但往往力學強度不及金屬材料，因此在很多領域無法代替金屬使用。不過，高分子材料常用于金屬的防腐，在金屬材料表面涂覆高分子材料的涂層，不僅使得金屬制品具有必要的使用性能，還能使其防腐蝕性能大幅提升[6-10]。

聚苯乙烯是一種通用塑料，具有較為優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、耐候性、耐老化性以及較高的比強度，是一種理想的金屬防腐材料。聚苯乙烯常用于生產(chǎn)泡沫塑料、商品包裝、家電內(nèi)飾等，廢棄后在環(huán)境中自降解周期較長。若不能科學地對廢舊聚苯乙烯進行回收，不僅會造成環(huán)境的污染，還會造成資源的浪費?；趯U舊聚苯乙烯進行回收利用，通過預處理、溶解、改性等手段，制備出一種改性聚苯乙烯防腐涂層，將其用于20 碳鋼的防腐中，并對其涂層的粘附性以及防腐性能進行了詳細研究。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

廢舊聚苯乙烯：廢品站回收，將其粉碎為粒徑為≤76 μm 的顆粒，干燥備用；酚醛樹脂：牌號SJ-32F，樅陽縣三金顏料有限責任公司；醇酸樹脂：牌號SJ-1850，樅陽縣三金顏料有限責任公司；氯化石蠟：牌號HS-30，蘇州禾森特種油品有限公司；蓖麻油：一級，濟南天錟化工有限公司；吡唑酮緩蝕劑：型號HC530，東莞市泓晨工業(yè)材料有限公司；氯乙酸甲酯、氨水、氯仿、二甲苯、丙酮、甲苯二異氰酸酯、鄰苯二甲酸二丁酯：均為分析純，北京化工廠。

1.2 儀器

FTIR-1500 傅里葉變換紅外光譜儀，中世沃克（天津）科技發(fā)展股份有限公司；Autolab 電化學工作站，瑞士萬通中國有限公司。

1.3 廢舊聚苯乙烯的回收和改性

廢舊聚苯乙烯回收和改性按照圖1 的工序進行。首先將廢舊聚苯乙烯粉碎，然后用孔徑為76 μm 的過濾篩進行過濾，收集粒徑不大于76 μm 的廢舊聚苯乙烯顆粒。然后將廢舊聚苯乙烯顆粒溶解于氯仿、二甲苯和丙酮的混合溶劑中，加入氯乙酸甲酯，升溫至50 ℃后反應1 h，對聚苯乙烯進行接枝改性；接著向其中加入氨水進行氨化，最終得到酰胺基團接枝改性的聚苯乙烯（圖2）。取少量混合物在乙醚中沉淀后，得到改性的聚苯乙烯，烘干備用。向剩余部分中加入質量均為聚苯乙烯5% 的酚醛樹脂、醇酸樹脂、氯化石蠟、蓖麻油、吡唑酮緩蝕劑、甲苯二異氰酸酯、鄰苯二甲酸二丁酯，混合均勻后，倒入乙醚中沉淀，干燥后進行分散、磨砂過濾，最終得到改性聚苯乙烯防腐材料。

圖1 廢舊聚苯乙烯的回收和改性工序Fig.1 Procedure of recycle and modification of PS

圖2 改性聚苯乙烯的結構Fig.2 Structure of modified PS

2 結果與討論

2.1 改性聚苯乙烯的結構

首先按照1.3 中所描述的方法對廢舊聚苯乙烯進行清洗、粉碎回收，然后在鋁催化劑的作用下，在聚苯乙烯苯環(huán)鄰位接枝了氯乙酸甲酯，然后在氨水的氨化下，將酯基轉變?yōu)轷０坊鶊F。利用乙醚沉淀得到改性聚苯乙烯后，干燥并利用溴化鉀壓片法對改性聚苯乙烯的結構進行了表征，相應紅外光譜如圖3 所示。圖3 中除了具有典型聚苯乙烯的特征峰外，還在1630 cm-1處出現(xiàn)了明顯的酰胺基團（-CONH-）的振動峰，這說明聚苯乙烯被成功改性。而在1615 cm-1處沒有出現(xiàn)酯基的信號峰，這說明在苯環(huán)鄰位沒有酯基的存在，也就是說氯乙酸甲酯被完全氨化。以上結果說明，利用本文所提供的方法能夠有效對聚苯乙烯進行改性，且可得到目標結構產(chǎn)物。

圖3 改性聚苯乙烯的紅外光譜Fig.3 FTIR spectrum of modified PS

2.2 改性聚苯乙烯涂覆性能

防腐涂層的附著力和涂覆性能是一個非常重要的性能，決定了防腐涂層能否與金屬材料之間較好的結合。我們對聚苯乙烯進行改性的目的便是在聚苯乙烯的非極性主鏈中引入極性的基團，從而提高聚苯乙烯與金屬材料之間的界面結合強度。除了附著力外，聚苯乙烯涂膜的硬度和耐水性也對其防腐性能產(chǎn)生明顯的影響。選用了碳鋼20 作為研究樣本，詳細測試了改性聚苯乙烯在碳鋼20 表面的附著力，以及聚苯乙烯涂膜的硬度和耐水性。另外，還對其固含量、細度和表干時間進行了測試，實驗結果及測試標準見表1。

表1 聚苯乙烯的涂覆性能Table 1 Performances of the PS coating

實驗結果表明，與未改性的聚苯乙烯相比，改性聚苯乙烯的固含量、細度以及表干時間未出現(xiàn)明顯的變化，但其光澤度得到了一定程度的提升，由56% 提高到了70% 以上。另外，由于聚苯乙烯和改性聚苯乙烯在室溫下均具有較為優(yōu)異的耐水性，二者在室溫下浸泡于水中2 天后，均未出現(xiàn)明顯的破損，涂層完好；不過，由于酰胺基團的引入，聚苯乙烯鏈段中存在極性基團。一方面，極性基團提高了聚苯乙烯與碳鋼20 之間的相容性，所以界面強度得到有效提升，改性后，防腐涂層在碳鋼20 表面的附著力由1 MPa 以下提高到2 MPa 以上；另一方面，極性基團的引入，由于極性基團之間的偶極作用，使得防腐涂層的表面硬度也得到了明顯提升，由0.1 以下提高到0.3 以上。以上結果表明，通過對回收聚苯乙烯的改性，在其主鏈中引入酰胺基團能夠有效改善防腐涂層的硬度、光澤性和與金屬材料的結合力，說明本文所提供的改性方法能夠有效提升防腐涂層的應用性能。

2.3 改性聚苯乙烯防腐性能

在使用過程中，金屬材料與空氣中的濕氣、氧、化學物質反應，造成金屬表面腐蝕的主要原理是電化學腐蝕。因此可以通過測量材料表面電阻來衡量其抗腐蝕性能，通常電阻越大，抗腐蝕性能越好。將碳鋼20 和涂覆了改性聚苯乙烯的碳鋼20 分別浸泡在質量分數(shù)為10%的氯化鈉水溶液中20 天，對碳鋼20 表面以及改性聚苯乙烯的碳鋼20 界面處的電化學阻抗進行了測試，測試結果見表2。表2 中數(shù)據(jù)表明，當在碳鋼20 表面涂覆了改性聚苯乙烯防腐層之后，與未涂覆防腐涂層的碳鋼20 相比，其表面的電阻率明顯升高，由0.17×10-8Ω·cm-2提高到了0.97×10-8Ω·cm-2，而且涂層空隙電阻率也較高，為2.21×10-8Ω·cm-2。以上結果說明，涂覆了改性聚苯乙烯材料的碳鋼20 展現(xiàn)出了更好的防腐性能。

表2 改性聚苯乙烯涂層與碳鋼20 界面的電阻率Table 2 Resistance of interface between modified polystyrene coating and carbon steel 20

為了進一步研究改性聚苯乙烯涂層對碳鋼20 防腐性能的改善，我們將涂覆了改性聚苯乙烯防腐層的碳鋼20浸泡在質量分數(shù)為10% 的氯化鈉水溶液不同時間后，我們對碳鋼20 表面的電阻率和涂層空隙電阻率進行測試，結果如圖4 所示。

圖4 改性聚苯乙烯涂層與碳鋼20 界面的電阻率變化Fig.4 Resistance of interface between modified polystyrene coating and carbon steel 20

由圖4 可知，隨著浸泡時間的正常，無論是碳鋼20的表面電阻率，還是改性聚苯乙烯涂層的孔隙電阻率，都逐漸降低。當浸泡時間為20 天時，碳鋼20 的表面電阻率和改性聚苯乙烯涂層的孔隙電阻率分別為0.97×10-8Ω·cm-2和2.21×10-8Ω·cm-2；浸泡時間延長至30 天后，碳鋼20 的表面電阻率和改性聚苯乙烯涂層的孔隙電阻率均下降明顯，分別為0.83×10-8Ω·cm-2和1.18×10-8Ω·cm-2；然而，在浸泡30 天之后，碳鋼20 的表面電阻率和改性聚苯乙烯涂層的孔隙電阻率不再出現(xiàn)明顯變化，尤其是當浸泡時間超過50 天后，而這變化更加微乎其微。當浸泡時間為50 天時，碳鋼20的表面電阻率和改性聚苯乙烯涂層的孔隙電阻率分別為0.68×10-8Ω·cm-2和0.95×10-8Ω·cm-2；當 浸泡時間 為60 天時，碳鋼20 的表面電阻率和改性聚苯乙烯涂層的孔隙電阻率分別為0.65×10-8Ω·cm-2和0.94×10-8Ω·cm-2。這說明，改性聚苯乙烯涂層在氯化鈉水溶液中浸泡30天后，基本進入穩(wěn)定狀態(tài)，而且浸泡60 天后碳鋼20 的表面電阻率依然高于未進行防腐保護的碳鋼20，說明改性聚苯乙烯的確對碳鋼20 起到了較好的防腐保護作用。

3 結論

本文通過對廢舊聚苯乙烯進行清洗、粉碎、回收和改性，制備了一種苯環(huán)鄰位連結了酰胺基團的改性聚苯乙烯，并利用紅外光譜對其結構進行了表征。本文利用所制備的改性聚苯乙烯對碳鋼20 進行防護保護，實驗結果表明，與未改性的聚苯乙烯相比，改性聚苯乙烯在碳鋼20 表面的附著力、硬度和光澤都有所改善，而且依然具有較好的耐水性、較高的固含量和較快的表干時間。涂覆了改性聚苯乙烯涂層后，碳鋼20 表面電阻率顯著提升，且浸泡60 天后的表面電阻率依然高于未進行防腐保護的碳鋼20，這說明改性聚苯乙烯涂層對碳鋼20 的防腐性能起到了較為明顯的改善作用。