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给装备披上石墨烯防腐外衣


2017年09月29日 11:25:23 稿源: 经济日报-中国经济网 佘惠敏 发表评论
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王立平研究员在实验站查看涂层防腐实验结果,并向记者介绍石墨烯防腐涂料特点。 记者 佘惠敏摄

成功运用石墨烯重防腐涂料的我国海上风电场风电机组塔筒。 (资料图片)

  不论是风吹浪打的海船、跨海大桥,还是高悬太空的卫星、空间站,都很容易被腐蚀,要让它们上天入海不惧锈蚀,就必须给它们披上防腐外衣。对于任何工业材料来说,腐蚀都是一名悄悄的破坏者——每年,我国的腐蚀总成本达两万亿元人民币

  现在,中国科学院宁波材料技术与工程研究所(下称“中科院宁波材料所”)的科学家们用掺入石墨烯的涂料,做出了世界上最好也是性价比最高的防腐外衣。想看看石墨烯怎么成为防腐战士吗?请跟随《经济日报》记者,到中科院宁波材料所的海洋环境材料腐蚀实验现场看一看吧。

  厉害的防腐战甲

  目前,国际上最好的重防腐涂料耐盐雾寿命也仅有3000小时左右,而我国自主研发的新型石墨烯改性重防腐涂料,能让这一耐受时间超过6000小时

  在中科院西沙海洋科学综合实验站的小楼楼顶,竖着几排架子,每个架子上都整齐地斜铺着一片片用螺钉固定的长方形钢铁薄片。这些薄片有的锈层颇深已看不出底色,有的锈痕斑斑,有的却锃亮如新。这就是“裸奔”的、穿普通防锈衣的、穿石墨烯防锈衣的不同钢片之间的区别。

  “这是船用高强钢,这是卫星用的,这个完全锈蚀的是低碳钢……”中科院宁波材料所研究员王立平介绍,这里是高盐雾环境下的暴晒实验场,样件大概有1000多个,分8大类30余种材料,涵盖了块体材料、不同薄膜材料、重防腐材料和航天航空材料。暴晒实验可以发现材料的缺陷,通过实验反馈参数给研发团队,来调整制造工艺。

  “实验中明显可以看到,使用了我们石墨烯改性重防腐涂料的材料,抗锈蚀能力很强,在这种苛刻腐蚀环境中暴晒半年后还跟新的一样。很多没做防腐处理的型号材料,一个月就几乎全部腐蚀。”王立平说,热带海洋无孔不入的腐蚀介质(水、氯离子、氧气等)是钢铁难以抵挡的超级“杀手”,国际上最好的重防腐涂料耐盐雾寿命也基本只有3000小时左右。而中科院宁波材料所王立平研究员、乌学东研究员和薛群基院士联合团队开发的新型石墨烯改性重防腐涂料,拥有自主知识产权,能让钢铁材料在中性盐雾试验中的耐受时间超过6000小时。

  石墨烯是已知世界上最薄的材料,只有一个原子厚,厚度相当于一根头发的20万分之一,一克石墨烯就可以覆盖一个足球场,其强度是钢的200倍。这种材料自2004年首次制成后,迅速成为热门材料并得到业界认可,以至于在仅仅6年后的2010年,诺贝尔奖就颁发给了石墨烯的制备者——安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。

  正是因为它的性能优良、功能众多,石墨烯被广泛应用到锂电子电池、超级电容、导电油墨、触摸屏、软性电子等领域。其中,防腐涂料正是非常有市场前景的应用领域之一。

  石墨烯为何能防腐?作为目前自然界最薄的二维纳米材料,石墨烯的阻隔与屏蔽性能非常优异。石墨烯能够有效阻止水分子和氯离子的通过,大幅降低金属基体的腐蚀速率。通过引入石墨烯,能够增强涂层的附着力、耐冲击等力学性能和对介质的屏蔽阻隔性能,尤其是能够显著提高热带海洋大气环境中服役涂层的抗腐蚀介质渗透能力。

  耐心的科研团队

  研制具有实用价值的高性能石墨烯改性重防腐涂料,难度非常大。60人的研发团队过去10年只做一件事——研发石墨烯涂料

  近年来,利用石墨烯的“迷宫”阻隔效应,提高有机涂层的抗渗透性和防腐性,已成为国内外防腐涂料领域的研究热点。然而,研制具有实用价值的高性能石墨烯改性重防腐涂料难度非常大,主要原因在于:至今还没有形成完善的涂料体系;缺少性能全面考核和实际工况长效服役评估;缺乏详细的专用数据库和相关涂料标准;石墨烯成本相对较高。解决这些难题,需要摸清石墨烯防腐的微观物理化学影响机制,突破石墨烯的稳定分散、与树脂相容性、配方及配套体系优化等一系列关键技术。

  中科院宁波材料所有大约60人的团队,过去10年只做一件事,就是研发石墨烯涂料。他们成功开发出拥有自主知识产权且兼具优异力学性能、长效防腐和特殊功能性的8大系列石墨烯改性新型防腐涂料:为满足不同应用需求,其包含了沿海储油罐重防腐涂料、导静电防腐涂料、电网塔架防腐涂料、光伏塔架防腐涂料、耐海水防腐涂料和航天国防特种涂料等多种类型。

  “石墨烯的理论厚度仅为0.335纳米,阻隔性能非常好,几乎可以阻隔水、氧气、钠离子等任何离子,可以在大幅降低涂膜厚度的同时,显著提高涂层的防腐寿命。”王立平说,目前,市场上主要使用的重防腐涂料是富锌底漆,锌含量在60%至80%,不但防护寿命短,且大量使用锌,浪费资源还不环保。而中科院宁波材料所研发的各种石墨烯改性重防腐涂料中,锌含量低于30%甚至更少,性能却至少提高2倍。

  目前,石墨烯改性新型防腐涂料技术已通过中国腐蚀与防护学会的鉴定,其关键技术指标“耐盐雾寿命”超过6000小时,是目前国际上最优重防腐涂料耐盐雾寿命的2倍。相关研究成果不仅申请了国家发明专利78项,还申请国际专利(PCT)2项,授权美国专利1项。

  王立平说:“对新材料的研究,需要积累长期实验数据。我们的海洋环境材料腐蚀实验最少要连续做10年,目前已在文昌实验站做了一年半,在西沙实验站做了半年,今后还将继续坚持下去。”他认为,材料锈蚀情况虽然在实验室做过加速实验,但数据未必符合真实情况,像西沙站这样暴露在真实浓盐雾环境下的考验,才能暴露出新材料的工艺是否达标,是否真能承受热带海洋环境的考验。这些真实数据的反馈,可以帮助他们把石墨烯改性防腐涂料技术精益求精,得到更高的性价比。

  吸金的实用技术

  目前,该技术成果已实施了产业化,具备年产万吨级的石墨烯改性重防腐涂料生产能力,实现了石墨烯改性重防腐涂料的低成本稳定量产,市场前景十分广阔

  石墨烯最初制备出来时价比黄金。随着研究深入和生产规模提高,石墨烯的成本越来越低。目前,得益于石墨烯粉体规模化制备技术的突破,使得在工业产品中大规模添加石墨烯具备了商业可行性。

  王立平说,“石墨烯当前价格跟涂料中其他原材料价格相当。加上其添加量非常少,仅在百分之一以内,故对于石墨烯涂料成本的增加并不显著。目前国内比较好的防腐涂料1公斤30元,我们研发的石墨烯改性涂料稍高于其他普通的防腐涂料,但远低于进口重防腐涂料动辄上百元一公斤的价格。并且,就当前所做的测试结果来看,在国内外这个领域的涂料中,我们是最好的”。

  目前,该技术成果已经由宁波中科银亿新材料有限公司实施了产业化,具备年产万吨级的石墨烯改性重防腐涂料生产能力,实现了石墨烯改性重防腐涂料的低成本稳定量产。其产品已在国家电网沿海地区和工业大气污染地区大型输电铁塔、西南地区光伏发电支架、石化装备以及航天装备等领域进入规模示范应用阶段。这也是全球首次完成石墨烯改性重防腐涂料工程化全链条,囊括材料开发、自然环境考核、工程示范乃至大规模生产和应用。

  “材料做好了不愁钱。”王立平介绍,该成果在与中科银亿实施技术转移转化时,就让实验团队获得了3000余万元的收益,这让烧钱的新材料研发和实验进入了良性循环。

  那么,石墨烯防腐材料的市场到底有多大?对新兴海洋工程、现代交通运输、能源工业、石油工业、大型化工企业、海岛工程等领域的装备设施来说,腐蚀是其安全性和服役寿命的重要影响因素。统计显示,仅2014年,中国的腐蚀总成本就超过2.1万亿元人民币,约占当年GDP的3.34%。

  我国拥有高达2000亿元的防腐涂料市场,其中重防腐涂料需求年均增速超过20%。以前,由于没有形成自主知识产权技术,缺乏相应技术标准,我国70%的重防腐涂料市场被外资品牌垄断,质量参差不齐。

  重防腐涂料是减小腐蚀破坏、保障苛刻腐蚀环境下装备和设施可靠性和服役寿命的关键材料,其发展水平是一个国家涂料科技水平的重要标志。对中科院宁波材料所的石墨烯涂料研发团队来说,石墨烯改性重防腐涂料的研发,将在已取得的重大突破基础上,继续从基础研究和产业推广两方面深入推进,让那些处于易腐蚀环境中的装备设施,都穿上国产的石墨烯防腐外衣!

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