不論是風吹浪打的海船、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。對于任何工業(yè)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(xiàn)在，中國科學院寧波材料技術(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(zhàn)士嗎？請跟隨《經(jīng)濟日報》記者，到中科院寧波材料所的海洋環(huán)境材料腐蝕實驗現(xiàn)場看一看吧。
厲害的防腐戰(zhàn)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(fā)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(qū)別。
“這是船用高強鋼，這是衛(wèi)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(huán)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(fā)現(xiàn)材料的缺陷，通過實驗反饋參數(shù)給研發(fā)團隊，來調(diào)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(huán)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?！蓖趿⑵秸f，熱帶海洋無孔不入的腐蝕介質(zhì)（水、氯離子、氧氣等）是鋼鐵難以抵擋的超級“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(lián)合團隊開發(fā)的新型石墨烯改性重防腐涂料，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，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(fā)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(yè)界認可，以至于在僅僅6年后的2010年，諾貝爾獎就頒發(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。
正是因為它的性能優(yōu)良、功能眾多，石墨烯被廣泛應(yīng)用到鋰電子電池、超級電容、導電油墨、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，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(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(fā)團隊過去10年只做一件事——研發(fā)石墨烯涂料
近年來，利用石墨烯的“迷宮”阻隔效應(yīng)，提高有機涂層的抗?jié)B透性和防腐性，已成為國內(nèi)外防腐涂料領(lǐng)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(shù)據(jù)庫和相關(guān)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(wěn)定分散、與樹脂相容性、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人的團隊，過去10年只做一件事，就是研發(fā)石墨烯涂料。他們成功開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)且兼具優(yōu)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(yīng)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(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?！蓖趿⑵秸f，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(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)已通過中國腐蝕與防護學會的鑒定，其關(guān)鍵技術(shù)指標“耐鹽霧壽命”超過6000小時，是目前國際上最優(yōu)重防腐涂料耐鹽霧壽命的2倍。相關(guān)研究成果不僅申請了國家發(fā)明專利78項，還申請國際專利（PCT）2項，授權(quán)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(shù)據(jù)。我們的海洋環(huán)境材料腐蝕實驗最少要連續(xù)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(xù)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(shù)據(jù)未必符合真實情況，像西沙站這樣暴露在真實濃鹽霧環(huán)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(huán)境的考驗。這些真實數(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，得到更高的性價比。
吸金的實用技術(shù)
目前，該技術(shù)成果已實施了產(chǎn)業(yè)化，具備年產(chǎn)萬噸級的石墨烯改性重防腐涂料生產(chǎn)能力，實現(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(chǎn)規(guī)模提高，石墨烯的成本越來越低。目前，得益于石墨烯粉體規(guī)?；苽浼夹g(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，“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(nèi)，故對于石墨烯涂料成本的增加并不顯著。目前國內(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(jié)果來看，在國內(nèi)外這個領(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施了產(chǎn)業(yè)化，具備年產(chǎn)萬噸級的石墨烯改性重防腐涂料生產(chǎn)能力，實現(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。”王立平介紹，該成果在與中科銀億實施技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)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(fā)和實驗進入了良性循環(huán)。
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(xiàn)代交通運輸、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)施來說，腐蝕是其安全性和服役壽命的重要影響因素。統(tǒng)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，由于沒有形成自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，缺乏相應(yīng)技術(shù)標準，我國70%的重防腐涂料市場被外資品牌壟斷，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)展水平是一個國家涂料科技水平的重要標志。對中科院寧波材料所的石墨烯涂料研發(fā)團隊來說，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，讓那些處于易腐蝕環(huán)境中的裝備設(shè)施，都穿上國產(chǎn)的石墨烯防腐外衣！
