《Next Research》：Recycling PET Waste for Corrosion-Resistant Roof Coating: A Sustainable Approach to Enhance Protective Performance
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本研究开发并优化了一种用于屋顶板的耐腐蚀复合材料涂层（CRCC），通过环氧树脂（ER）、PET废塑料（PW）和氧化锌（ZnO）的协同作用，实现91.75%的腐蚀率降低和27.27%的附着力提升。采用混合型简单旋转型优化方法，最佳配比为80% ER、10% PW和10% ZnO，其腐蚀率降至0.00688 mm/y，并验证了材料复合的协同防腐机制。
Faith James|Fatima Badiru Ibrahim|Olusegun Ayoola Ajayi|Johnson Otun|Nuhu Lawal|Ayodeji Nathaniel Oyedeji
尼日利亚艾哈迈杜·贝洛大学水资源与环境工程系
摘要
本研究探讨了一种耐腐蚀复合涂层（CRCC）的开发和优化，该涂层专为屋顶板材应用设计，使用了环氧树脂（ER）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）废塑料（PW）作为主要成分，这些材料能够增强涂层的致密性并限制腐蚀性物质的扩散，同时添加了氧化锌（ZnO）作为辅助成分。这种新型CRCC结合了环氧树脂和PET废塑料，既符合可持续发展的目标，又通过ZnO提供了电化学防腐和屏障增强作用，从而在提高耐腐蚀性和附着力方面实现了综合效果，这是屋顶板材涂层中尚未有过的组合。通过系统配方优化方法（混合单纯形格子法），在0.05的统计显著性水平下，该涂层在耐腐蚀性和粘附力方面得到了显著提升。表现最佳的配方含有最高比例的ZnO，其腐蚀速率降低了91.75%，从对照组的0.08339 ± 0.0042毫米/年降至0.00688 ± 0.0007毫米/年（n = 3）。粘附力提高了27.27%，达到11.36 ± 0.52 MPa，而环氧树脂涂层仅为8.93 ± 0.45 MPa。通过将这种最优配方与现有的先进屋顶涂层（环氧树脂面漆、聚氨酯和丙烯酸涂料）进行对比，进一步证实了其优越性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实了各成分的成功结合以及与涂层性能提升相关的关键官能团的形成。尽管增加ZnO含量可以带来最佳的整体效果，但过量添加可能会增加生产成本或影响粘附力。这些发现表明，这种CRCC通过利用回收的PET和环保添加剂，成为一种可持续的屋顶防护方案。
引言
在降雨量较大的地区，如尼日利亚，屋顶径流是一种实用的水资源。然而，径流中通常含有来自腐蚀金属屋顶板材的盐分、有机物和其他杂质，这会降低收集水的质量和结构完整性。在水资源稀缺的社会中，尤其是在干旱和半干旱地区，这一问题更加严重[1,2]。Vanham等人[3]指出，到2030年，全球约47%的人口将面临严重的水资源短缺问题。气候变化和不良的水资源管理可能会加剧这一趋势[4,5]。虽然水资源的可用性因地区和时间而异，但它们在农业、工业和日常生活中的重要性不容忽视。水资源短缺仍然是全球文明面临的持续挑战[6]，影响着人们的生计、粮食安全和公共卫生，尤其是在发展中国家。全球水资源危机促使人们寻找替代水源[7]，例如雨水收集[8]，特别是在撒哈拉以南非洲地区，因为传统水源往往受到污染[9]。屋顶径流系统可以提供经济高效的分散式供水方案。尽管屋顶径流通常比地表水或地下水更安全，但它仍可能受到微量金属、有机化合物、病原体和营养物质等污染物的污染[10]，这些污染物通常来自金属的腐蚀。Galster和Helmreich[11]以及Charters等人[12]的最新研究表明，屋顶材料是雨水中的主要金属污染源，尤其是在初次降雨时，这凸显了在城市集水区使用防腐涂层的重要性。
在发达国家，每年的腐蚀成本占国内生产总值（GDP）的3%至5%[13]；尽管缺乏尼日利亚等发展中国家的全面数据，但石油和天然气行业是工厂、航运和航空业、饮用水系统、桥梁及公共结构中腐蚀问题的主要来源[14]。许多研究探讨了在不同空气条件下屋顶板材上腐蚀产物的生长和扩散情况。屋顶覆盖材料会因大气腐蚀（包括湿沉降和干沉降）而劣化[15]。腐蚀现象在多种环境和时间尺度（几天、几周或几个月）内都有广泛研究。暴露一年后，腐蚀速率通常会先增加，随后逐渐下降并趋于稳定[16]。为了解决这个问题，金属结构（包括屋顶）通常会涂覆有机涂层或保护层[17]。
有机涂层作为腐蚀环境与金属结构之间的屏障，是效率最高且经济可行的防腐技术之一[18]。防腐蚀涂料领域取得了显著进展，致力于开发对环境和工人健康危害较小的产品[19]。新的表面处理技术、涂料应用方法以及新型聚合物和颜料有助于减少腐蚀[20]。屋顶公司使用环氧树脂（ER）涂层系统来防止水分渗透，并解决雨水、积雪和积水引起的问题[21]。
在自分层涂层的研究中，环氧树脂（ER）通常被用作底漆[22]。相比之下，丙烯酸、醇酸、聚氨酯、聚酯、乙烯基或氟化树脂则用作面漆[23]。先前的研究表明，环氧树脂与硅树脂的组合在聚碳酸酯基材上具有理想的分层和粘附性能，但机械强度较低[24,25]。颜料和填料可以提高涂层的耐腐蚀性，但也可能影响粘附性、分层效果和美观度。此外，将基于塑料的涂层用于建筑材料（包括屋顶板材）是一种可持续的解决方案，有助于提高水质并通过回收PET塑料减少环境影响[26]。越来越多的人认识到，回收PET塑料作为建筑材料的使用是一种可持续策略。例如，据报道，回收的PET可以替代混凝土中超过2%的细骨料，提高其抗压强度和抗裂性能，同时减少环境污染和资源消耗[27-30]。这一举措旨在消除无效的废物管理做法和塑料生产带来的负面影响[31]。在某些条件下，紫外线辐射会将塑料分解为其单体成分，包括微塑料，这些微塑料非常复杂，几乎无法回收，并可能对食物链、人类健康和环境造成危害[32]。
作为“废物变财富”计划的一部分，PET废料（如轮胎[33]和橡胶粉[34]）被用作环氧基材料中的增韧剂。除了提高机械强度外，PET粉还通过物理屏障机制增强耐腐蚀性[31]。当分散在基体中时，PET颗粒可以增加涂层厚度，减少微孔连通性，并阻碍水分、氧气和腐蚀性离子进入金属基材。这种机制与氧化锌（ZnO）的作用机制不同，ZnO主要通过电化学抑制和在涂层-金属界面形成钝化膜来发挥作用[35]，而环氧树脂则作为连续的粘合和保护层[35,36]。ZnO之所以被选中，是因为它能够形成保护屏障，防止金属腐蚀并具有自修复性能[35,36]。先前的一些研究（如?omoghi等人的研究[37]）已经证明了这一点，他们使用ZnO纳米填料改善了基于环氧树脂的复合材料的机械性能和防腐性能。
鉴于需要通过收集屋顶径流来缓解水资源短缺问题，以及环氧基涂层机械性能不佳和PET废料的问题，本研究旨在将ZnO整合到一种环保的耐腐蚀复合涂层（CRCC）的开发中，用于屋顶板材。因此，PET和ZnO的联合使用实现了协同保护效果：PET限制了腐蚀性物质的传输，而ZnO则在界面处减缓了腐蚀反应。通过混合单纯形格子优化方法确定了适合CRCC的ER、PET和ZnO的最佳比例，该方法被认为是开发复合材料时最常用的优化工具之一[38]。
本研究通过将回收的PET粉（PW）整合到专门为屋顶径流应用设计的环氧树脂/ZnO涂层系统中，推动了涂层技术的发展，实现了扩散控制下的耐腐蚀性（通过PW增强屏障作用）、电化学防腐（通过ZnO实现）、机械粘附（通过环氧树脂基体）以及废物再利用的多重效益，这种组合在屋顶涂层文献中尚属首次报道。研究采用混合单纯形格子优化方法，找到了平衡屋顶基材耐腐蚀性和粘附力的实用配方。
样本制备
根据CRCC用于屋顶径流收集的应用需求，检测了各组分在标准温度和压力条件下的溶解性。环氧树脂（ER）通常不溶于水，因此具有出色的屏障性能[39]。氧化锌（ZnO）在水中的溶解度非常低[40]，这使其作为防腐剂具有稳定性和有效性。PET等PET组分也不溶于水[41]，从而增强了复合材料的耐久性。
所开发CRCC的腐蚀和粘附性能
表3汇总了8次实验结果，每次实验使用了不同比例的ER、PW和ZnO来制备CRCC，并记录了相应的耐腐蚀性和粘附力。其中，含有80 wt% ER、10 wt% PW和10 wt% ZnO的CRCC表现出最低的腐蚀速率0.00688毫米/年，表明其耐腐蚀性最高。相比之下，未添加PW和ZnO的CRCC腐蚀速率最高。
结论
在研究使用ER和ZnO增强的环保型CRCC用于屋顶板材的过程中，得出以下结论：
- i.
最佳CRCC配方——包含80 wt%环氧树脂（ER）、10 wt%塑料废料（PW）和10 wt%氧化锌（ZnO）——表现出最低的腐蚀速率0.00688毫米/年，相比未经增强的CRCC（100 wt% ER，腐蚀速率为0.08339毫米/年）提高了91.75%
资金来源
本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。
数据可用性
本研究生成的数据集可在Mendeley Data平台上获取，链接：d.oi: 10.17632/d4gsjmjprp.1作者贡献
Faith James：撰写初稿、方法论设计、实验实施、数据分析；Fatima Badiru Ibrahim：审稿与编辑、资源协调、概念构思、方法论指导、监督；Olusegun Ayoola Ajayi：审稿与编辑、资源协调、概念构思、方法论指导、监督；Johnson Otun：审稿与编辑、监督；Nuhu Lawal：数据收集；Ayodeji Nathaniel Oyedeji：初稿审阅、数据讨论、数据分析
作者声明
Faith James：撰写初稿、方法论设计、实验实施、数据分析；Fatima Badiru Ibrahim：审稿与编辑、资源协调、概念构思、方法论指导、监督；Olusegun Ayoola Ajayi：审稿与编辑、资源协调、概念构思、方法论指导、监督；Johnson Otun：审稿与编辑、监督；Nuhu Lawal：数据收集；Ayodeji Nathaniel Oyedeji：初稿审阅、数据讨论、数据分析
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
作者贡献说明
Faith James：撰写初稿、方法论设计、实验实施、数据分析；Fatima Badiru Ibrahim：审稿与编辑、资源协调、概念构思、方法论指导、监督；Olusegun Ayoola Ajayi：审稿与编辑、资源协调、概念构思、方法论指导、监督；Johnson Otun：审稿与编辑、监督；Nuhu Lawal：数据整理；Ayodeji Nathaniel Oyedeji：审稿与编辑、数据分析
致谢
作者感谢非洲工程教育新教学法卓越中心（ACENPEE）、聚合物与纺织工程系以及水资源与环境工程系对本文研究的支持。
