不論是風(fēng)吹浪打的海船、跨海大橋，還是高懸太空的衛(wèi)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(duì)于任何工業(yè)材料來(lái)說(shuō)，腐蝕都是一名悄悄的破壞者——每年，我國(guó)的腐蝕總成本達(dá)兩萬(wàn)億元人民幣
現(xiàn)在，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（下稱“中科院寧波材料所”）的科學(xué)家們用摻入石墨烯的涂料，做出了世界上最好也是性價(jià)比最高的防腐外衣。想看看石墨烯怎么成為防腐戰(zhàn)士嗎？請(qǐng)跟隨《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者，到中科院寧波材料所的海洋環(huán)境材料腐蝕實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)看一看吧。
厲害的防腐戰(zhàn)甲
目前，國(guó)際上最好的重防腐涂料耐鹽霧壽命也僅有3000小時(shí)左右，而我國(guó)自主研發(fā)的新型石墨烯改性重防腐涂料，能讓這一耐受時(shí)間超過(guò)6000小時(shí)
在中科院西沙海洋科學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)站的小樓樓頂，豎著幾排架子，每個(gè)架子上都整齊地斜鋪著一片片用螺釘固定的長(zhǎng)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(qū)別。
“這是船用高強(qiáng)鋼，這是衛(wèi)星用的，這個(gè)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(huán)境下的暴曬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，樣件大概有1000多個(gè)，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(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)材料的缺陷，通過(guò)實(shí)驗(yàn)反饋參數(shù)給研發(fā)團(tuán)隊(duì)，來(lái)調(diào)整制造工藝。
“實(shí)驗(yàn)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(qiáng)，在這種苛刻腐蝕環(huán)境中暴曬半年后還跟新的一樣。很多沒(méi)做防腐處理的型號(hào)材料，一個(gè)月就幾乎全部腐蝕?！蓖趿⑵秸f(shuō)，熱帶海洋無(wú)孔不入的腐蝕介質(zhì)（水、氯離子、氧氣等）是鋼鐵難以抵擋的超級(jí)“殺手”，國(guó)際上最好的重防腐涂料耐鹽霧壽命也基本只有3000小時(shí)左右。而中科院寧波材料所王立平研究員、烏學(xué)東研究員和薛群基院士聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新型石墨烯改性重防腐涂料，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能讓鋼鐵材料在中性鹽霧試驗(yàn)中的耐受時(shí)間超過(guò)6000小時(shí)。
石墨烯是已知世界上最薄的材料，只有一個(gè)原子厚，厚度相當(dāng)于一根頭發(fā)的20萬(wàn)分之一，一克石墨烯就可以覆蓋一個(gè)足球場(chǎng)，其強(qiáng)度是鋼的200倍。這種材料自2004年首次制成后，迅速成為熱門(mén)材料并得到業(yè)界認(rèn)可，以至于在僅僅6年后的2010年，諾貝爾獎(jiǎng)就頒發(fā)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?yàn)樗男阅軆?yōu)良、功能眾多，石墨烯被廣泛應(yīng)用到鋰電子電池、超級(jí)電容、導(dǎo)電油墨、觸摸屏、軟性電子等領(lǐng)域。其中，防腐涂料正是非常有市場(chǎng)前景的應(yīng)用領(lǐng)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(yōu)異。石墨烯能夠有效阻止水分子和氯離子的通過(guò)，大幅降低金屬基體的腐蝕速率。通過(guò)引入石墨烯，能夠增強(qiáng)涂層的附著力、耐沖擊等力學(xué)性能和對(duì)介質(zhì)的屏蔽阻隔性能，尤其是能夠顯著提高熱帶海洋大氣環(huán)境中服役涂層的抗腐蝕介質(zhì)滲透能力。
耐心的科研團(tuán)隊(duì)
研制具有實(shí)用價(jià)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(fā)團(tuán)隊(duì)過(guò)去10年只做一件事——研發(fā)石墨烯涂料
近年來(lái)，利用石墨烯的“迷宮”阻隔效應(yīng)，提高有機(jī)涂層的抗?jié)B透性和防腐性，已成為國(guó)內(nèi)外防腐涂料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，研制具有實(shí)用價(jià)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(méi)有形成完善的涂料體系；缺少性能全面考核和實(shí)際工況長(zhǎng)效服役評(píng)估；缺乏詳細(xì)的專用數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)涂料標(biāo)準(zhǔn)；石墨烯成本相對(duì)較高。解決這些難題，需要摸清石墨烯防腐的微觀物理化學(xué)影響機(jī)制，突破石墨烯的穩(wěn)定分散、與樹(shù)脂相容性、配方及配套體系優(yōu)化等一系列關(guān)鍵技術(shù)。
中科院寧波材料所有大約60人的團(tuán)隊(duì)，過(guò)去10年只做一件事，就是研發(fā)石墨烯涂料。他們成功開(kāi)發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且兼具優(yōu)異力學(xué)性能、長(zhǎng)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(yīng)用需求，其包含了沿海儲(chǔ)油罐重防腐涂料、導(dǎo)靜電防腐涂料、電網(wǎng)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(guó)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(shí)，顯著提高涂層的防腐壽命?！蓖趿⑵秸f(shuō)，目前，市場(chǎng)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(hù)壽命短，且大量使用鋅，浪費(fèi)資源還不環(huán)保。而中科院寧波材料所研發(fā)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(shù)已通過(guò)中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)的鑒定，其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)“耐鹽霧壽命”超過(guò)6000小時(shí)，是目前國(guó)際上最優(yōu)重防腐涂料耐鹽霧壽命的2倍。相關(guān)研究成果不僅申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利78項(xiàng)，還申請(qǐng)國(guó)際專利（PCT）2項(xiàng)，授權(quán)美國(guó)專利1項(xiàng)。
王立平說(shuō)：“對(duì)新材料的研究，需要積累長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我們的海洋環(huán)境材料腐蝕實(shí)驗(yàn)最少要連續(xù)做10年，目前已在文昌實(shí)驗(yàn)站做了一年半，在西沙實(shí)驗(yàn)站做了半年，今后還將繼續(xù)堅(jiān)持下去?！彼J(rèn)為，材料銹蝕情況雖然在實(shí)驗(yàn)室做過(guò)加速實(shí)驗(yàn)，但數(shù)據(jù)未必符合真實(shí)情況，像西沙站這樣暴露在真實(shí)濃鹽霧環(huán)境下的考驗(yàn)，才能暴露出新材料的工藝是否達(dá)標(biāo)，是否真能承受熱帶海洋環(huán)境的考驗(yàn)。這些真實(shí)數(shù)據(jù)的反饋，可以幫助他們把石墨烯改性防腐涂料技術(shù)精益求精，得到更高的性價(jià)比。
吸金的實(shí)用技術(shù)
目前，該技術(shù)成果已實(shí)施了產(chǎn)業(yè)化，具備年產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)的石墨烯改性重防腐涂料生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)了石墨烯改性重防腐涂料的低成本穩(wěn)定量產(chǎn)，市場(chǎng)前景十分廣闊
石墨烯最初制備出來(lái)時(shí)價(jià)比黃金。隨著研究深入和生產(chǎn)規(guī)模提高，石墨烯的成本越來(lái)越低。目前，得益于石墨烯粉體規(guī)模化制備技術(shù)的突破，使得在工業(yè)產(chǎn)品中大規(guī)模添加石墨烯具備了商業(yè)可行性。
王立平說(shuō)，“石墨烯當(dāng)前價(jià)格跟涂料中其他原材料價(jià)格相當(dāng)。加上其添加量非常少，僅在百分之一以內(nèi)，故對(duì)于石墨烯涂料成本的增加并不顯著。目前國(guó)內(nèi)比較好的防腐涂料1公斤30元，我們研發(fā)的石墨烯改性涂料稍高于其他普通的防腐涂料，但遠(yuǎn)低于進(jìn)口重防腐涂料動(dòng)輒上百元一公斤的價(jià)格。并且，就當(dāng)前所做的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在國(guó)內(nèi)外這個(gè)領(lǐng)域的涂料中，我們是最好的”。
目前，該技術(shù)成果已經(jīng)由寧波中科銀億新材料有限公司實(shí)施了產(chǎn)業(yè)化，具備年產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)的石墨烯改性重防腐涂料生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)了石墨烯改性重防腐涂料的低成本穩(wěn)定量產(chǎn)。其產(chǎn)品已在國(guó)家電網(wǎng)沿海地區(qū)和工業(yè)大氣污染地區(qū)大型輸電鐵塔、西南地區(qū)光伏發(fā)電支架、石化裝備以及航天裝備等領(lǐng)域進(jìn)入規(guī)模示范應(yīng)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(kāi)發(fā)、自然環(huán)境考核、工程示范乃至大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
“材料做好了不愁錢(qián)?！蓖趿⑵浇榻B，該成果在與中科銀億實(shí)施技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化時(shí)，就讓實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)獲得了3000余萬(wàn)元的收益，這讓燒錢(qián)的新材料研發(fā)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)入了良性循環(huán)。
那么，石墨烯防腐材料的市場(chǎng)到底有多大？對(duì)新興海洋工程、現(xiàn)代交通運(yùn)輸、能源工業(yè)、石油工業(yè)、大型化工企業(yè)、海島工程等領(lǐng)域的裝備設(shè)施來(lái)說(shuō)，腐蝕是其安全性和服役壽命的重要影響因素。統(tǒng)計(jì)顯示，僅2014年，中國(guó)的腐蝕總成本就超過(guò)2.1萬(wàn)億元人民幣，約占當(dāng)年GDP的3.34%。
我國(guó)擁有高達(dá)2000億元的防腐涂料市場(chǎng)，其中重防腐涂料需求年均增速超過(guò)20%。以前，由于沒(méi)有形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，缺乏相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)70%的重防腐涂料市場(chǎng)被外資品牌壟斷，質(zhì)量參差不齊。
重防腐涂料是減小腐蝕破壞、保障苛刻腐蝕環(huán)境下裝備和設(shè)施可靠性和服役壽命的關(guān)鍵材料，其發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家涂料科技水平的重要標(biāo)志。對(duì)中科院寧波材料所的石墨烯涂料研發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，石墨烯改性重防腐涂料的研發(fā)，將在已取得的重大突破基礎(chǔ)上，繼續(xù)從基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)推廣兩方面深入推進(jìn)，讓那些處于易腐蝕環(huán)境中的裝備設(shè)施，都穿上國(guó)產(chǎn)的石墨烯防腐外衣！
