作者:王佳雯 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/10/15 19:20:12
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中科院科研小组给基础设施披上“重防腐”外衣

 

在中科院南海海洋研究所位于南海区域的一个热带海洋环境材料腐蚀试验站,各种功能薄膜和涂层、耐候钢等材料样片如晒谷物般,被放置在楼顶天台,暴晒在热带海洋气候的骄阳下。“有些好的材料要晒5到10年。”中科院宁波材料技术与工程研究所研究员王立平告诉《中国科学报》记者。

为“一带一路”提前布局

在暴晒实验场,一个铁架引起了记者的注意,与有些样片被不同程度的点蚀有所差别,这个铁架所有暴露在外的表面都已锈迹斑斑。而铁架是今年4月和样片一同出现在实验场的。

“这个镀锌钢防腐铁塔在北方地区使用40年没问题,不用涂什么防腐涂料,但在热带海洋地区寿命会降低很多。”王立平将记者带到海边,指着一个海气通量塔说,“这里海洋大气中的年平均氯离子沉积速率比其他海域高很多。”

年平均气温28摄氏度,白天钢结构温度能达到75度左右,空气湿度年平均79%左右,再加上高盐和高紫外线的侵蚀,热带海洋气候的特点让这一气候类型的地区成为了腐蚀的重灾区。

腐蚀的严酷程度从1到5分为五级。“按照大气腐蚀环境来分,这里属于C5+,整个一带一路的海洋环境都属于腐蚀等级最高的。”中科院宁波材料所博士刘栓介绍道。

中科院宁波材料所在防腐材料方面的提前布局,将南海地区“栉风沐雨”的材料样片与千里之外的“一带一路”海洋环境紧密联系在了一起。

据介绍,仅2014年我国的腐蚀总成本就超过2.1万亿人民币,约占当年GDP的3.34%。从这个实验场,人们就可以洞见一场严峻的热带海洋开发和“一带一路”基础设施的腐蚀危机。

一带一路沿线国家的基础设施建设目前还面临着另一个问题。以电网建设为例,在当地建设的电网设施,无法像国内电网可以依靠变电站进行维护,因而在位于热带海洋环境的一带一路沿线国家,腐蚀防护成了影响电网安全至关重要的因素。

从价比黄金到1克6毛

涂料防腐是为了阻隔腐蚀介质(水,氯离子,氧气等)与被防护基体接触,但一般的涂料致密性不高,阻隔性能无法对抗严酷的热带海洋环境。2008年左右,一个火遍全球的“阻隔”高手现身——石墨烯材料。

石墨烯是目前自然界最薄的二维纳米材料,阻隔与屏蔽性能非常优异,即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透,它能够大幅减小传统环氧富锌涂料的锌粉含量,增强涂层的附着力和耐冲击等力学性能。

“石墨烯对氯离子阻隔性能比一般涂料的阻隔性能要高六到八倍。”王立平说。

对抗热带海洋的腐蚀,人们有了新武器。然而,这种材料的优势众所周知,却存在一个推广上的难题——用价比黄金的石墨烯“成本太高了”。

如今中科院宁波材料所/浙江石墨烯制造业创新中心王立平团队的石墨烯重防腐涂料推广效果良好,关键就在于“规模化生产成本降下来了”。“在重防腐涂料中应用的石墨烯价格有望达到650左右每千克甚至更低,加上添加量仅在千分之五到百分之一,一下子就降低了石墨烯的使用成本。”王立平介绍称。

成本大幅下降,有赖于中科院宁波材料所/浙江石墨烯制造业创新中心石墨烯研究团队在石墨烯规模化生产上的突破,在社会资本的大力投资以及宁波市政府的积极推动下,中科院宁波材料所2012年就开始了石墨烯粉体产业化及应用技术推广,将石墨烯的价格与涂料中其他原材料的价格降到了一个级别,涂料整体成本问题迎刃而解。

“比如,国内比较好的涂料一公斤30元左右,我们的涂料价格略高于国内重防腐一线品牌,但远低于进口的重防腐涂料。”王立平比较说,“可我们涂料的防腐效果与进口的相当。”

打破2000亿市场垄断

高铁基础设施材料是否防腐,性能如何,我国在泰国竞争高铁时,竞争对手日本将在泰国约10年的防腐实验数据摆了出来。然而,这些数据我们却拿不出。对相关领域研究积累的缺乏,让中国的防腐涂料市场成了国外品牌一枝独秀的天下。

“海洋平台涂料80%都是进口的,2000亿人民币的市场都靠外资品牌和技术。”王立平说。与此同时,这个市场正在蓬勃发展,其中对重防腐涂料需求年均增速超过20%。

更重要的是,传统重防腐涂层的盐雾寿命普遍不足2000小时,且存在资源浪费和环境污染问题,远无法满足“一带一路”沿线国家,特别是远海、深海以及高湿热南海环境下装备和设施长期防腐耐候的安全服役要求。

王立平研究员、乌学东研究员和薛群基院士联合团队的60余名科研人员经过10年攻关,成功研发出石墨烯改性重防腐涂料,打破了国外品牌在相应市场的垄断,还刷新了相关领域防护数据的“新记录”。

“我们在中石油、中石化和中海油相关部门都做了第三方测试,现在的数据是这个领域国内外最好的指标,盐雾试验超过6000小时。”王立平说。

事实上,占领市场的不光是石墨烯改性重防腐涂料,该团队研发的涂料相关技术成果,已经成功转化。王立平说,“虽然我们发不了文章,对材料的应用推进和可靠性非常关键,我们就缺这块研究。”

 
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