废旧聚苯乙烯在金属防腐中的应用

孟联芹

（山东省广饶县第一中学，山东东营257300）

金属材料是一种具有高强度、优异延展性的材料，在建筑工程、汽车、航海、航空航天、军事等领域具有广泛的应用。然而，金属材料容易受到空气中的水、氧气、化学试剂等腐蚀，造成其发生腐蚀损伤，进而力学性能下降，甚至导致金属制品失效[1-5]。

与金属材料相比，高分子材料则具有更为优异的化学稳定性，对水、氧、化学试剂更为稳定，但往往力学强度不及金属材料，因此在很多领域无法代替金属使用。不过，高分子材料常用于金属的防腐，在金属材料表面涂覆高分子材料的涂层，不仅使得金属制品具有必要的使用性能，还能使其防腐蚀性能大幅提升[6-10]。

聚苯乙烯是一种通用塑料，具有较为优异的化学稳定性、耐候性、耐老化性以及较高的比强度，是一种理想的金属防腐材料。聚苯乙烯常用于生产泡沫塑料、商品包装、家电内饰等，废弃后在环境中自降解周期较长。若不能科学地对废旧聚苯乙烯进行回收，不仅会造成环境的污染，还会造成资源的浪费。基于对废旧聚苯乙烯进行回收利用，通过预处理、溶解、改性等手段，制备出一种改性聚苯乙烯防腐涂层，将其用于20 碳钢的防腐中，并对其涂层的粘附性以及防腐性能进行了详细研究。

1 实验部分

1.1 实验原料

废旧聚苯乙烯：废品站回收，将其粉碎为粒径为≤76 μm 的颗粒，干燥备用；酚醛树脂：牌号SJ-32F，枞阳县三金颜料有限责任公司；醇酸树脂：牌号SJ-1850，枞阳县三金颜料有限责任公司；氯化石蜡：牌号HS-30，苏州禾森特种油品有限公司；蓖麻油：一级，济南天锬化工有限公司；吡唑酮缓蚀剂：型号HC530，东莞市泓晨工业材料有限公司；氯乙酸甲酯、氨水、氯仿、二甲苯、丙酮、甲苯二异氰酸酯、邻苯二甲酸二丁酯：均为分析纯，北京化工厂。

1.2 仪器

FTIR-1500 傅里叶变换红外光谱仪，中世沃克（天津）科技发展股份有限公司；Autolab 电化学工作站，瑞士万通中国有限公司。

1.3 废旧聚苯乙烯的回收和改性

废旧聚苯乙烯回收和改性按照图1 的工序进行。首先将废旧聚苯乙烯粉碎，然后用孔径为76 μm 的过滤筛进行过滤，收集粒径不大于76 μm 的废旧聚苯乙烯颗粒。然后将废旧聚苯乙烯颗粒溶解于氯仿、二甲苯和丙酮的混合溶剂中，加入氯乙酸甲酯，升温至50 ℃后反应1 h，对聚苯乙烯进行接枝改性；接着向其中加入氨水进行氨化，最终得到酰胺基团接枝改性的聚苯乙烯（图2）。取少量混合物在乙醚中沉淀后，得到改性的聚苯乙烯，烘干备用。向剩余部分中加入质量均为聚苯乙烯5% 的酚醛树脂、醇酸树脂、氯化石蜡、蓖麻油、吡唑酮缓蚀剂、甲苯二异氰酸酯、邻苯二甲酸二丁酯，混合均匀后，倒入乙醚中沉淀，干燥后进行分散、磨砂过滤，最终得到改性聚苯乙烯防腐材料。

图1 废旧聚苯乙烯的回收和改性工序Fig.1 Procedure of recycle and modification of PS

图2 改性聚苯乙烯的结构Fig.2 Structure of modified PS

2 结果与讨论

2.1 改性聚苯乙烯的结构

首先按照1.3 中所描述的方法对废旧聚苯乙烯进行清洗、粉碎回收，然后在铝催化剂的作用下，在聚苯乙烯苯环邻位接枝了氯乙酸甲酯，然后在氨水的氨化下，将酯基转变为酰胺基团。利用乙醚沉淀得到改性聚苯乙烯后，干燥并利用溴化钾压片法对改性聚苯乙烯的结构进行了表征，相应红外光谱如图3 所示。图3 中除了具有典型聚苯乙烯的特征峰外，还在1630 cm-1处出现了明显的酰胺基团（-CONH-）的振动峰，这说明聚苯乙烯被成功改性。而在1615 cm-1处没有出现酯基的信号峰，这说明在苯环邻位没有酯基的存在，也就是说氯乙酸甲酯被完全氨化。以上结果说明，利用本文所提供的方法能够有效对聚苯乙烯进行改性，且可得到目标结构产物。

图3 改性聚苯乙烯的红外光谱Fig.3 FTIR spectrum of modified PS

2.2 改性聚苯乙烯涂覆性能

防腐涂层的附着力和涂覆性能是一个非常重要的性能，决定了防腐涂层能否与金属材料之间较好的结合。我们对聚苯乙烯进行改性的目的便是在聚苯乙烯的非极性主链中引入极性的基团，从而提高聚苯乙烯与金属材料之间的界面结合强度。除了附着力外，聚苯乙烯涂膜的硬度和耐水性也对其防腐性能产生明显的影响。选用了碳钢20 作为研究样本，详细测试了改性聚苯乙烯在碳钢20 表面的附着力，以及聚苯乙烯涂膜的硬度和耐水性。另外，还对其固含量、细度和表干时间进行了测试，实验结果及测试标准见表1。

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

实验结果表明，与未改性的聚苯乙烯相比，改性聚苯乙烯的固含量、细度以及表干时间未出现明显的变化，但其光泽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温下均具有较为优异的耐水性，二者在室温下浸泡于水中2 天后，均未出现明显的破损，涂层完好；不过，由于酰胺基团的引入，聚苯乙烯链段中存在极性基团。一方面，极性基团提高了聚苯乙烯与碳钢20 之间的相容性，所以界面强度得到有效提升，改性后，防腐涂层在碳钢20 表面的附着力由1 MPa 以下提高到2 MPa 以上；另一方面，极性基团的引入，由于极性基团之间的偶极作用，使得防腐涂层的表面硬度也得到了明显提升，由0.1 以下提高到0.3 以上。以上结果表明，通过对回收聚苯乙烯的改性，在其主链中引入酰胺基团能够有效改善防腐涂层的硬度、光泽性和与金属材料的结合力，说明本文所提供的改性方法能够有效提升防腐涂层的应用性能。

2.3 改性聚苯乙烯防腐性能

在使用过程中，金属材料与空气中的湿气、氧、化学物质反应，造成金属表面腐蚀的主要原理是电化学腐蚀。因此可以通过测量材料表面电阻来衡量其抗腐蚀性能，通常电阻越大，抗腐蚀性能越好。将碳钢20 和涂覆了改性聚苯乙烯的碳钢20 分别浸泡在质量分数为10%的氯化钠水溶液中20 天，对碳钢20 表面以及改性聚苯乙烯的碳钢20 界面处的电化学阻抗进行了测试，测试结果见表2。表2 中数据表明，当在碳钢20 表面涂覆了改性聚苯乙烯防腐层之后，与未涂覆防腐涂层的碳钢20 相比，其表面的电阻率明显升高，由0.17×10-8Ω·cm-2提高到了0.97×10-8Ω·cm-2，而且涂层空隙电阻率也较高，为2.21×10-8Ω·cm-2。以上结果说明，涂覆了改性聚苯乙烯材料的碳钢20 展现出了更好的防腐性能。

表2 改性聚苯乙烯涂层与碳钢20 界面的电阻率Table 2 Resistance of interface between modified polystyrene coating and carbon steel 20

为了进一步研究改性聚苯乙烯涂层对碳钢20 防腐性能的改善，我们将涂覆了改性聚苯乙烯防腐层的碳钢20浸泡在质量分数为10% 的氯化钠水溶液不同时间后，我们对碳钢20 表面的电阻率和涂层空隙电阻率进行测试，结果如图4 所示。

图4 改性聚苯乙烯涂层与碳钢20 界面的电阻率变化Fig.4 Resistance of interface between modified polystyrene coating and carbon steel 20

由图4 可知，随着浸泡时间的正常，无论是碳钢20的表面电阻率，还是改性聚苯乙烯涂层的孔隙电阻率，都逐渐降低。当浸泡时间为20 天时，碳钢20 的表面电阻率和改性聚苯乙烯涂层的孔隙电阻率分别为0.97×10-8Ω·cm-2和2.21×10-8Ω·cm-2；浸泡时间延长至30 天后，碳钢20 的表面电阻率和改性聚苯乙烯涂层的孔隙电阻率均下降明显，分别为0.83×10-8Ω·cm-2和1.18×10-8Ω·cm-2；然而，在浸泡30 天之后，碳钢20 的表面电阻率和改性聚苯乙烯涂层的孔隙电阻率不再出现明显变化，尤其是当浸泡时间超过50 天后，而这变化更加微乎其微。当浸泡时间为50 天时，碳钢20的表面电阻率和改性聚苯乙烯涂层的孔隙电阻率分别为0.68×10-8Ω·cm-2和0.95×10-8Ω·cm-2；当 浸泡时间 为60 天时，碳钢20 的表面电阻率和改性聚苯乙烯涂层的孔隙电阻率分别为0.65×10-8Ω·cm-2和0.94×10-8Ω·cm-2。这说明，改性聚苯乙烯涂层在氯化钠水溶液中浸泡30天后，基本进入稳定状态，而且浸泡60 天后碳钢20 的表面电阻率依然高于未进行防腐保护的碳钢20，说明改性聚苯乙烯的确对碳钢20 起到了较好的防腐保护作用。

3 结论

本文通过对废旧聚苯乙烯进行清洗、粉碎、回收和改性，制备了一种苯环邻位连结了酰胺基团的改性聚苯乙烯，并利用红外光谱对其结构进行了表征。本文利用所制备的改性聚苯乙烯对碳钢20 进行防护保护，实验结果表明，与未改性的聚苯乙烯相比，改性聚苯乙烯在碳钢20 表面的附着力、硬度和光泽都有所改善，而且依然具有较好的耐水性、较高的固含量和较快的表干时间。涂覆了改性聚苯乙烯涂层后，碳钢20 表面电阻率显著提升，且浸泡60 天后的表面电阻率依然高于未进行防腐保护的碳钢20，这说明改性聚苯乙烯涂层对碳钢20 的防腐性能起到了较为明显的改善作用。