孟聯(lián)芹

（山東省廣饒縣第一中學(xué)，山東東營(yíng)257300）

金屬材料是一種具有高強(qiáng)度、優(yōu)異延展性的材料，在建筑工程、汽車(chē)、航海、航空航天、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，金屬材料容易受到空氣中的水、氧氣、化學(xué)試劑等腐蝕，造成其發(fā)生腐蝕損傷，進(jìn)而力學(xué)性能下降，甚至導(dǎo)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(xué)穩(wěn)定性，對(duì)水、氧、化學(xué)試劑更為穩(wěn)定，但往往力學(xué)強(qiáng)度不及金屬材料，因此在很多領(lǐng)域無(wú)法代替金屬使用。不過(guò)，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(xué)穩(wěn)定性、耐候性、耐老化性以及較高的比強(qiáng)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(zhǎng)。若不能科學(xué)地對(duì)廢舊聚苯乙烯進(jìn)行回收，不僅會(huì)造成環(huán)境的污染，還會(huì)造成資源的浪費(fèi)?；趯?duì)廢舊聚苯乙烯進(jìn)行回收利用，通過(guò)預(yù)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(duì)其涂層的粘附性以及防腐性能進(jìn)行了詳細(xì)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)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(shù)脂：牌號(hào)SJ-32F，樅陽(yáng)縣三金顏料有限責(zé)任公司；醇酸樹(shù)脂：牌號(hào)SJ-1850，樅陽(yáng)縣三金顏料有限責(zé)任公司；氯化石蠟：牌號(hào)HS-30，蘇州禾森特種油品有限公司；蓖麻油：一級(jí)，濟(jì)南天錟化工有限公司；吡唑酮緩蝕劑：型號(hào)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(chǎng)。

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(xué)工作站，瑞士萬(wàn)通中國(guó)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?qǐng)D1 的工序進(jìn)行。首先將廢舊聚苯乙烯粉碎，然后用孔徑為76 μm 的過(guò)濾篩進(jìn)行過(guò)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(yīng)1 h，對(duì)聚苯乙烯進(jìn)行接枝改性；接著向其中加入氨水進(jìn)行氨化，最終得到酰胺基團(tuán)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(zhì)量均為聚苯乙烯5% 的酚醛樹(shù)脂、醇酸樹(shù)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(jìn)行分散、磨砂過(guò)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(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of modified PS

2 結(jié)果與討論

2.1 改性聚苯乙烯的結(jié)構(gòu)

首先按照1.3 中所描述的方法對(duì)廢舊聚苯乙烯進(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)轷０坊鶊F(tuán)。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(duì)改性聚苯乙烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，相應(yīng)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(tuán)（-CONH-）的振動(dòng)峰，這說(shuō)明聚苯乙烯被成功改性。而在1615 cm-1處沒(méi)有出現(xiàn)酯基的信號(hào)峰，這說(shuō)明在苯環(huán)鄰位沒(méi)有酯基的存在，也就是說(shuō)氯乙酸甲酯被完全氨化。以上結(jié)果說(shuō)明，利用本文所提供的方法能夠有效對(duì)聚苯乙烯進(jìn)行改性，且可得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)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(gè)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(jié)合。我們對(duì)聚苯乙烯進(jìn)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(tuán)，從而提高聚苯乙烯與金屬材料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。除了附著力外，聚苯乙烯涂膜的硬度和耐水性也對(duì)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(xì)測(cè)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(duì)其固含量、細(xì)度和表干時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xì)度以及表干時(shí)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(guò)，由于酰胺基團(tuán)的引入，聚苯乙烯鏈段中存在極性基團(tuán)。一方面，極性基團(tuán)提高了聚苯乙烯與碳鋼20 之間的相容性，所以界面強(qiáng)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(tuán)的引入，由于極性基團(tuán)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(jié)果表明，通過(guò)對(duì)回收聚苯乙烯的改性，在其主鏈中引入酰胺基團(tuán)能夠有效改善防腐涂層的硬度、光澤性和與金屬材料的結(jié)合力，說(shuō)明本文所提供的改性方法能夠有效提升防腐涂層的應(yīng)用性能。

2.3 改性聚苯乙烯防腐性能

在使用過(guò)程中，金屬材料與空氣中的濕氣、氧、化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)，造成金屬表面腐蝕的主要原理是電化學(xué)腐蝕。因此可以通過(guò)測(cè)量材料表面電阻來(lái)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氯化鈉水溶液中20 天，對(duì)碳鋼20 表面以及改性聚苯乙烯的碳鋼20 界面處的電化學(xué)阻抗進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。表2 中數(shù)據(jù)表明，當(dāng)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(jié)果說(shuō)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(jìn)一步研究改性聚苯乙烯涂層對(duì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 的氯化鈉水溶液不同時(shí)間后，我們對(duì)碳鋼20 表面的電阻率和涂層空隙電阻率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)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(shí)間的正常，無(wú)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(dāng)浸泡時(shí)間為20 天時(shí)，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(shí)間延長(zhǎng)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(dāng)浸泡時(shí)間超過(guò)50 天后，而這變化更加微乎其微。當(dāng)浸泡時(shí)間為50 天時(shí)，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(dāng) 浸泡時(shí)間 為60 天時(shí)，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(shuō)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(jìn)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(jìn)行防腐保護(hù)的碳鋼20，說(shuō)明改性聚苯乙烯的確對(duì)碳鋼20 起到了較好的防腐保護(hù)作用。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)廢舊聚苯乙烯進(jìn)行清洗、粉碎、回收和改性，制備了一種苯環(huán)鄰位連結(jié)了酰胺基團(tuán)的改性聚苯乙烯，并利用紅外光譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。本文利用所制備的改性聚苯乙烯對(duì)碳鋼20 進(jìn)行防護(hù)保護(hù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)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(jìn)行防腐保護(hù)的碳鋼20，這說(shuō)明改性聚苯乙烯涂層對(duì)碳鋼20 的防腐性能起到了較為明顯的改善作用。