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專題 | 蒲吉斌：發展功能涂料加快推進石墨烯產業化應用

2017-06-27 16:15:14 作者：王元來源：《腐蝕防護之友》分享至：

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石墨烯 , 一種有望引領新一代工業技術革命的戰略性新材料，目前正處于從技術向商業演變的關鍵時期，作為在電子信息、新能源、航空航天、復合材料領域里有著廣泛應用的新型材料，它有著巨大的應用價值。我國已將發展石墨烯產業作為重大國家戰略需求，“中國制造 2025”也明確要求做好石墨烯材料的提前布局和研制，編制了石墨烯產業技術路線圖。中國科學院寧波材料所在石墨烯原材料制備和應用研發方面已走在我國科研的前列，具備雄厚的研發實力。為了全面科普石墨烯在功能防腐涂料這一重要應用領域的前沿科技知識，了解其未來發展方向，記者特邀請到中國科學院寧波材料所蒲吉斌研究員做相關方面的精彩解讀。蒲吉斌，中國科學院寧波材料所研究員、博士生導師。長期從事極端環境新型防腐和耐磨材料及其在航空、航天、海洋以及核電領域的工程化應用研究，多次獲得國家級和省部級獎項，其研究成果已被應用于多項重大工程和重點型號中。并在石墨烯等新材料的研究方面頗有造詣。

記者：請您談談寧波材料所目前在石墨烯基重防腐涂料方面的研究進展情況？

蒲研究員：金屬材料的腐蝕是影響船舶、海洋平臺、海洋風電、島礁工程等海洋裝備和基礎設施安全性和服役壽命的重要因素，尤其嚴酷的南海環境下金屬材料的腐蝕問題異常嚴重。發展長效防腐涂料對減小海洋腐蝕破壞，提高海工裝備壽命極其重要。石墨烯二維納米材料被認為是世界上最薄的防腐材料。美國麻省理工學院的研究人員實驗證實了石墨烯能夠有效地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。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，具有實用價值的高性能石墨烯基防腐涂料的研制難度非常大，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。任何一個關鍵問題不解決好，不僅起不到增強防腐蝕作用，還會降低涂層的機械性能，加速涂層的腐蝕失效。中科院寧波材料技術與工程研究所、中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室王立平研究員、薛群基院士以及蒲吉斌研究員和劉栓博士等研究團隊圍繞新一代海工裝備的長效防腐耐候需求，通過多年的不懈努力完成了石墨烯基重防腐涂料基礎研究、關鍵技術突破、工程示范到產業化應用的整個技術鏈條。

在關鍵技術突破及產品開發方面，團隊設計合成了系列具有緩蝕作用的芳香型低聚物分散劑，突破了石墨烯的高效物理無損分散及與各種樹脂體系的界面相容關鍵技術，解決了共價改性分散技術破壞石墨烯本征結構和性能以及離子型表面活性劑分散體系不穩定的問題，繼而通過石墨烯與功能填料微 - 納尺寸正態分布、體積濃度的不斷優化實現了石墨烯基重防腐涂層的“密堆積”高阻隔和電化學保護雙重防腐機制。研究成果顯示僅僅 0.5wt% 的石墨烯使環氧涂層的水汽擴散系數降低了 34 倍，腐蝕電流密度降低了 2 個數量級以上，在 60℃的 NaCl 溶液中浸泡 20 天后，交流阻抗模值仍然高達 1010Ω . cm ² ，防護效果提高了 1000 倍左右。目前，團隊已成功開發出了自主知識產權的儲油罐導靜電防腐涂料、電網塔架防腐涂料、光伏設備防腐涂料、船舶防腐涂料和航空航天特種涂料等 8 種石墨烯防腐涂料體系，布局國家發明專利 30 多項，并通過了化工、涂料、軍工領域權威鑒定機構的性能檢測，附著力達到 10MPa，劃 X 耐鹽霧性超過 5000 小時，耐酸堿介質和耐紫外老化性能均超過 2000 小時，解決了海洋耦合環境中的長效防腐耐候核心問題。2016 年團隊聯合企業將這一重要科研成果推向了產業化，成功解決了涂料配方工藝從實驗室小試到工廠中試、擴試的一系列技術難題，建成了年產能達 5000 噸的石墨烯基海洋重防腐涂料生產線，實現了石墨烯基重防腐涂料的低成本穩定量產。

在石墨烯基重防腐涂層自然環境腐蝕數據積累方面，團隊與國家材料環境腐蝕平臺、中科院南海海洋所和國網公司合作建成了文昌材料環境試驗場、南海海洋環境腐蝕試驗站以及電網材料大氣和土壤腐蝕試驗站等典型海洋大氣環境材料試驗基地，累計投樣 2000 余片，開展了包括石墨基重防腐涂層的 20余種材料體系的自然環境試驗，系統考察了多因素耦合海洋環境對涂層耐蝕性能的影響規律，并開展了實驗室加速試驗與自然環境試驗的關聯性壽命預測研究，截至目前，經歷了 9 個多月的南海環境暴曬試驗后石墨烯基重防腐涂層表現出非常突出的防腐性能。

在示范工程方面，團隊針對濕熱環境現場涂裝和修復過程中無法做到完全除銹的問題，開發出了無溶劑滲透性帶銹底漆、石墨烯阻隔中間漆和耐候面漆的配套體系，滿足了石墨烯基重防腐涂料的帶銹、帶濕低表面處理涂裝等一系列現場涂裝工藝需求，首次對穿越城郊區、化工污染區、山區以及沿海海洋大氣區域的國網輸電線路共計 30 余級大型鐵塔，以及隔離開關、變壓器、斷路器等變電設備開展了大規模示范工程應用。另外，團隊完成了石墨烯基重防腐涂料在 2000 噸“萬山號”海洋波浪能發電裝置、臨海大型儲油罐、光伏發電裝置、沿海鐵路圍欄以及文昌航天裝備等的防腐工程應用，產生了良好的示范效應，為石墨烯基重防腐涂料在海工裝備的推廣應用奠定了基礎。

記者：請您談談您對石墨烯基重防腐涂料的看法，并談談這些材料的應用領域和帶來的經濟效益和社會效益。

蒲研究員：重防腐涂料的發展水平是一個國家涂料科技水平的重要標志，在船舶、海工裝備、石油化工、鐵路、橋梁、電力和水利工程等諸多關乎國家發展戰略和經濟命脈的重要領域有著巨大的市場需求。然而，我國海洋防腐等中高端重防腐涂料的開發和市場應用的形勢非常嚴峻。一方面，我國擁有高達2000 億的防腐涂料市場，其中海洋重防腐涂料需求年均增速超過 20%，但我國海洋防腐涂料產品與國外先進水平差距明顯，長期處在落后、模仿和跟蹤發展的地位，沒有形成自主知識產權技術，缺少相應的技術規范和標準，這造成我國 80% 的海洋防腐涂料市場被阿克蘇諾貝爾、海虹老人、佐敦等國外涂料巨頭占據，特別是集裝箱、船舶、海洋平臺等高端重防腐涂料市場基本被國際大品牌所壟斷。另一方面，傳統富鋅涂料的劃X鹽霧壽命普遍在2000小時左右，且存在金屬鋅資源的消耗和環境污染問題，而傳統玻璃鱗片重防腐涂層存在韌性和導熱性差、涂膜厚度大的問題，已不能滿足嚴酷海洋環境下裝備和設施的長期安全服役需求。石墨烯二維納米材料的出現為我國開發高性能重防腐涂料，形成自主知識產權的海洋長效防腐涂料產品創造了機遇。

石墨烯基重防腐涂料集合了金屬犧牲型富鋅涂料和阻隔屏蔽型玻璃鱗片重防腐涂料的防腐機制。通過引入石墨烯大幅減小了鋅粉用量，增強了涂層的附著力和耐沖擊等力學性能。同時通過石墨烯的二維薄層結構和阻隔作用增強了涂層的屏蔽性，從而使涂層變的更薄更輕，在嚴酷的海洋大氣環境下具有更長的腐蝕防護壽命。可以預見，石墨烯基重防腐涂料的發展將改變我國中高端海洋重防腐涂料被國外產品壟斷的市場格局，促進我國海洋防腐涂料產業的升級和可持續發展，提升我國海工裝備和基礎設施的安全性和服役壽命及在“一帶一路”建設中的競爭力，服務于國家安全和海洋經濟發展戰略。

記者：石墨烯基防腐材料應用和發展是否存在瓶頸和挑戰？應如何應對？

蒲研究員：近年來，我國石墨烯基重防腐涂料的發展非常快。然而，石墨烯基重防腐涂料的整體應用水平依然不高，仍然存在許多問題：（1）石墨烯基重防腐涂料的基礎研究碎片化，導致石墨烯的選用標準和依據匱乏；（2）部分關鍵技術仍未獲突破；（3）針對不同領域的腐蝕防護需求，未形成完善的涂料體系；（4）缺少涂層性能的全面考核和實際工況的長期服役評估；（5）缺乏石墨烯基重防腐涂層性能的數據庫和相關標準。基于上述問題，需從基礎研究、技術開發、環境考核、工程示范等各個環節全方位推動石墨烯基重防腐涂料的發展和工程應用。在基礎研究方面，需探明石墨烯的缺陷、層數及表面官能團等對涂層防腐性能的影響，從而通過石墨烯的結構特性調控實現涂層綜合性能的提升。在產業化技術開發方面，需通過石墨烯制備工藝與涂料配方工藝的有機融合，發展出滿足涂料批量化生產的可再分散石墨烯 / 功能填料復合粉體及其分散技術，解決石墨烯基重防腐涂料產業化水平不高的問題；在環境考核方面，需完善石墨烯基重防腐涂料的產品體系，通過典型環境下涂層腐蝕數據的長期積累，全面考察涂層材料在多環境因素耦合作用下的失效行為及影響因素。在工程應用方面，需針對海洋腐蝕防護特點，考察不同類型示范工程的防腐效果及特殊工況條件對涂層耐蝕性能1用范圍，并通過示范工程、標準制定、品牌建立以及行業和媒體宣傳提高石墨烯基重防腐涂料的市場認可度，消除市場對新材料使用的經濟性、穩定性、適宜性和有效性的疑慮，加快推進石墨烯基重防腐涂料在海洋腐蝕防護領域的應用。

記者：請您展望石墨烯在防腐材料領域未來的創新方向？

蒲研究員：在石化儲罐、化工換熱器、電網接地裝置等特殊應用領域，不僅要求防腐涂料具有長效的腐蝕防護性能，同時需具有導靜電、導熱、導電等功能性。傳統的各類功能防腐涂料均存在某些性能缺陷，如添加金屬類（銀、銅、鎳）填料的導電涂料基體附著力較差，在涂料發生缺陷時會加速電化學腐蝕，并且成本較高，而碳納米管、炭黑等傳統碳系填料導電涂料的電阻率普遍較高。石墨烯兼具優異的阻隔性、高的電子遷移率和熱導率，這使其在導電、散熱功能防腐涂料領域具有潛在的應用價值。

另外，石墨烯優異的力學性能能夠提高涂層的耐磨性；石墨烯的憎水性能夠提高涂層的疏水性；石墨烯對納米Ag 或 TiO 2 粒子的高效擔載性使其能夠用于防污涂料和抑菌涂料；石墨烯在涂層中形成的致密隔離層以及燃燒后產生的二氧化碳和連續的碳層能夠實現涂層的阻燃和抑煙功能；石墨烯的導電性使涂層具有半導電性，通過微小電流產生的焦耳熱、場效應熱能夠實現涂層的電熱型防覆冰功能。目前，國內外科研人員已經針對石墨烯的上述功能特性開展了各種石墨烯基功能防腐涂料的研究，中科院寧波材料所已經研制出了石墨烯基導熱防腐涂料、導靜電防腐涂料（電阻率 106 ～ 109Ω . cm）以及空間站用石墨烯基抗菌防霉阻燃功能涂層。因此，石墨烯在功能涂料領域的應用將是石墨烯基防腐涂料未來的創新方向之一。

后記：

當前石墨烯的研究成果很多，但距離工業化生產仍有距離。除了降低石墨烯的成本之外，同樣更需技術的創新。業界人士行動起來，開拓創新、攜手共進，為我們偉大的祖國走在世界石墨烯科研的最前沿而努力奮斗吧！

人物簡介

蒲吉斌，博士，研究員，博士生導師。2011 年畢業于中科院蘭州化學物理研究所，獲工學博士學位。長期從事極端環境新型防腐和耐磨材料及其在航空、航天、海洋以及核電領域的工程化應用研究，研制成果應用于多項重大工程和重點型號中，在《Chemical communication》、《Journal of Materials Chemistry》、《Carbon》等學術期刊發表 SCI 檢索論文 50 余篇，授權發明專利 11 項。合作編著《先進碳材料科學與功能應用技術》、《Multifunctional surfaces for tribological applications》等專著 3 部。2011 年入選中科院“西部之光”人才計劃，2016年獲國家技術發明二等獎，2015 年獲省部級技術發明一等獎。

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