給裝備披上石墨烯防腐外衣

時間:2017-09-29 08:09:24 來源:中國經濟網

原標題:給裝備披上石墨烯防腐外衣

王立平研究員在實驗站檢視涂層防腐實驗結果,并向記者介紹石墨烯防腐涂料特點。 記者 佘惠敏攝

成功運用石墨烯重防腐涂料的我國海上風電場風電機組塔筒。 (資料圖片)

不論是風吹浪打的海船、跨海大橋,還是高懸太空的衛星、空間站,都很容易被腐蝕,要讓它們上天入海不懼銹蝕,就必須給它們披上防腐外衣。對于任何工業材料來說,腐蝕都是一名悄悄的破壞者——每年,我國的腐蝕總成本達兩萬億元人民幣

現在,中國科學院寧波材料技術與工程研究所(下稱“中科院寧波材料所”)的科學家們用摻入石墨烯的涂料,做出了世界上最好也是性價比最高的防腐外衣。想看看石墨烯怎么成為防腐戰士嗎?請跟隨《經濟日報》記者,到中科院寧波材料所的海洋環境材料腐蝕實驗現場看一看吧。

厲害的防腐戰甲

目前,國際上最好的重防腐涂料耐鹽霧壽命也僅有3000小時左右,而我國自主研發的新型石墨烯改性重防腐涂料,能讓這一耐受時間超過6000小時

在中科院西沙海洋科學綜合實驗站的小樓樓頂,豎著幾排架子,每個架子上都整齊地斜鋪著一片片用螺釘固定的長方形鋼鐵薄片。這些薄片有的銹層頗深已看不出底色,有的銹痕斑斑,有的卻锃亮如新。這就是“裸奔”的、穿普通防銹衣的、穿石墨烯防銹衣的不同鋼片之間的區別。

“這是船用高強鋼,這是衛星用的,這個完全銹蝕的是低碳鋼……”中科院寧波材料所研究員王立平介紹,這里是高鹽霧環境下的暴曬實驗場,樣件大概有1000多個,分8大類30余種材料,涵蓋了塊體材料、不同薄膜材料、重防腐材料和航天航空材料。暴曬實驗可以發現材料的缺陷,通過實驗反饋參數給研發團隊,來調整制造工藝。

“實驗中明顯可以看到,使用了我們石墨烯改性重防腐涂料的材料,抗銹蝕能力很強,在這種苛刻腐蝕環境中暴曬半年后還跟新的一樣。很多沒做防腐處理的型號材料,一個月就幾乎全部腐蝕。”王立平說,熱帶海洋無孔不入的腐蝕介質(水、氯離子、氧氣等)是鋼鐵難以抵擋的超級“殺手”,國際上最好的重防腐涂料耐鹽霧壽命也基本只有3000小時左右。而中科院寧波材料所王立平研究員、烏學東研究員和薛群基院士聯合團隊開發的新型石墨烯改性重防腐涂料,擁有自主智慧產權,能讓鋼鐵材料在中性鹽霧試驗中的耐受時間超過6000小時。

石墨烯是已知世界上最薄的材料,只有一個原子厚,厚度相當于一根頭發的20萬分之一,一克石墨烯就可以覆蓋一個足球場,其強度是鋼的200倍。這種材料自2004年首次制成后,迅速成為熱門材料并得到業界認可,以至于在僅僅6年后的2010年,諾貝爾獎就頒發給了石墨烯的制備者——安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫。

正是因為它的性能優良、功能眾多,石墨烯被廣泛應用到鋰電子電池、超級電容、導電油墨、觸摸屏、軟性電子等領域。其中,防腐涂料正是非常有市場前景的應用領域之一。

石墨烯為何能防腐?作為目前自然界最薄的二維納米材料,石墨烯的阻隔與屏蔽性能非常優異。石墨烯能夠有效阻止水分子和氯離子的通過,大幅降低金屬基體的腐蝕速率。通過引入石墨烯,能夠增強涂層的附著力、耐沖擊等力學性能和對介質的屏蔽阻隔性能,尤其是能夠顯著提高熱帶海洋大氣環境中服役涂層的抗腐蝕介質滲透能力。

耐心的科研團隊

研制具有實用價值的高性能石墨烯改性重防腐涂料,難度非常大。60人的研發團隊過去10年只做一件事——研發石墨烯涂料

近年來,利用石墨烯的“迷宮”阻隔效應,提高有機涂層的抗滲透性和防腐性,已成為國內外防腐涂料領域的研究熱點。然而,研制具有實用價值的高性能石墨烯改性重防腐涂料難度非常大,主要原因在于:至今還沒有形成完善的涂料體系;缺少性能全面考核和實際工況長效服役評估;缺乏詳細的專用數據庫和相關涂料標準;石墨烯成本相對較高。解決這些難題,需要摸清石墨烯防腐的微觀物理化學影響機制,突破石墨烯的穩定分散、與樹脂相容性、配方及配套體系優化等一系列關鍵技術。

中科院寧波材料所有大約60人的團隊,過去10年只做一件事,就是研發石墨烯涂料。他們成功開發出擁有自主智慧產權且兼具優異力學性能、長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:為滿足不同應用需求,其包含了沿海儲油罐重防腐涂料、導靜電防腐涂料、電網塔架防腐涂料、光伏塔架防腐涂料、耐海水防腐涂料和航天國防特種涂料等多種類型。

“石墨烯的理論厚度僅為0.335納米,阻隔性能非常好,幾乎可以阻隔水、氧氣、鈉離子等任何離子,可以在大幅降低涂膜厚度的同時,顯著提高涂層的防腐壽命。”王立平說,目前,市場上主要使用的重防腐涂料是富鋅底漆,鋅含量在60%至80%,不但防護壽命短,且大量使用鋅,浪費資源還不環保。而中科院寧波材料所研發的各種石墨烯改性重防腐涂料中,鋅含量低于30%甚至更少,性能卻至少提高2倍。

目前,石墨烯改性新型防腐涂料技術已通過中國腐蝕與防護學會的鑒定,其關鍵技術指標“耐鹽霧壽命”超過6000小時,是目前國際上最優重防腐涂料耐鹽霧壽命的2倍。相關研究成果不僅申請了國家發明專利78項,還申請國際專利(PCT)2項,授權美國專利1項。

王立平說:“對新材料的研究,需要積累長期實驗數據。我們的海洋環境材料腐蝕實驗最少要連續做10年,目前已在文昌實驗站做了一年半,在西沙實驗站做了半年,今后還將繼續堅持下去。”他認為,材料銹蝕情況雖然在實驗室做過加速實驗,但數據未必符合真實情況,像西沙站這樣暴露在真實濃鹽霧環境下的考驗,才能暴露出新材料的工藝是否達標,是否真能承受熱帶海洋環境的考驗。這些真實數據的反饋,可以幫助他們把石墨烯改性防腐涂料技術精益求精,得到更高的性價比。

吸金的實用技術

目前,該技術成果已實施了產業化,具備年產萬噸級的石墨烯改性重防腐涂料生產能力,實現了石墨烯改性重防腐涂料的低成本穩定量產,市場前景十分廣闊

石墨烯最初制備出來時價比黃金。隨著研究深入和生產規模提高,石墨烯的成本越來越低。目前,得益于石墨烯粉體規模化制備技術的突破,使得在工業產品中大規模添加石墨烯具備了商業可行性。

王立平說,“石墨烯當前價格跟涂料中其他原材料價格相當。加上其添加量非常少,僅在百分之一以內,故對于石墨烯涂料成本的增加并不顯著。目前國內比較好的防腐涂料1公斤30元,我們研發的石墨烯改性涂料稍高于其他普通的防腐涂料,但遠低于進口重防腐涂料動輒上百元一公斤的價格。并且,就當前所做的測試結果來看,在國內外這個領域的涂料中,我們是最好的”。

目前,該技術成果已經由寧波中科銀億新材料有限公司實施了產業化,具備年產萬噸級的石墨烯改性重防腐涂料生產能力,實現了石墨烯改性重防腐涂料的低成本穩定量產。其產品已在國家電網沿海地區和工業大氣污染地區大型輸電鐵塔、西南地區光伏發電支架、石化裝備以及航天裝備等領域進入規模示范應用階段。這也是全球首次完成石墨烯改性重防腐涂料工程化全鏈條,囊括材料開發、自然環境考核、工程示范乃至大規模生產和應用。

“材料做好了不愁錢。”王立平介紹,該成果在與中科銀億實施技術轉移轉化時,就讓實驗團隊獲得了3000余萬元的收益,這讓燒錢的新材料研發和實驗進入了良性循環。

那么,石墨烯防腐材料的市場到底有多大?對新興海洋工程、現代交通運輸、能源工業、石油工業、大型化工企業、海島工程等領域的裝備設施來說,腐蝕是其安全性和服役壽命的重要影響因素。統計顯示,僅2014年,中國的腐蝕總成本就超過2.1萬億元人民幣,約占當年GDP的3.34%。

我國擁有高達2000億元的防腐涂料市場,其中重防腐涂料需求年均增速超過20%。以前,由于沒有形成自主智慧產權技術,缺乏相應技術標準,我國70%的重防腐涂料市場被外資品牌壟斷,質量參差不齊。

重防腐涂料是減小腐蝕破壞、保障苛刻腐蝕環境下裝備和設施可靠性和服役壽命的關鍵材料,其發展水準是一個國家涂料科技水準的重要標志。對中科院寧波材料所的石墨烯涂料研發團隊來說,石墨烯改性重防腐涂料的研發,將在已取得的重大突破基礎上,繼續從基礎研究和產業推廣兩方面深入推進,讓那些處于易腐蝕環境中的裝備設施,都穿上國產的石墨烯防腐外衣! (經濟日報·中國經濟網記者 佘惠敏)

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