在中科院南海海洋研究所位于南海區(qū)域的一個熱帶海洋環(huán)境材料腐蝕試驗站,各種功能薄膜和涂層、耐候鋼等材料樣片如曬谷物般,被放置在樓頂天臺,暴曬在熱帶海洋氣候的驕陽下。
“有些好的材料要曬5到10年。”中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員王立平說
為“一帶一路”提前布局
在暴曬實驗場,一個鐵架格外醒目,與有些樣片不同程度的點蝕有所差別,它暴露在外的表面銹跡斑斑。而鐵架是今年4月和樣片一同出現(xiàn)在實驗場的。
“這個鍍鋅鋼防腐鐵塔在北方地區(qū)使用40年沒問題,不用涂什么防腐涂料,但在熱帶海洋地區(qū)壽命會降低很多。”王立平指著一個海氣通量塔說,“這里海洋大氣中的年平均氯離子沉積速率比其他海域高很多。”
年平均氣溫28℃,白天鋼結(jié)構(gòu)溫度能達(dá)到75℃左右,空氣濕度年平均79%左右,再加上高鹽和高紫外線的侵蝕,熱帶海洋氣候的特點讓這一氣候類型的地區(qū)成為了腐蝕的重災(zāi)區(qū)。
腐蝕的嚴(yán)酷程度從1到5分為五級。“按照大氣腐蝕環(huán)境來分,這里屬于C5+,整個‘一帶一路’的海洋環(huán)境都屬于腐蝕等級最高的。”中科院寧波材料所博士劉栓介紹。
中科院寧波材料所在防腐材料方面的提前布局,將南海地區(qū)的材料樣片與千里之外的“一帶一路”海洋環(huán)境緊密聯(lián)系在了一起。
據(jù)介紹,僅2014年我國的腐蝕總成本就超過2.1萬億人民幣,約占當(dāng)年GDP的3.34%。從這個實驗場就可以洞見一場嚴(yán)峻的熱帶海洋開發(fā)和“一帶一路”基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕危機。
“一帶一路”沿線國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)還面臨著另一個問題。比如,在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)的電網(wǎng)設(shè)施,無法像國內(nèi)電網(wǎng)一樣依靠變電站進(jìn)行維護(hù),因而在位于熱帶海洋環(huán)境的“一帶一路”沿線國家,腐蝕防護(hù)成了影響電網(wǎng)安全至關(guān)重要的因素。
從價比黃金到1克6毛
涂料防腐是為了阻隔腐蝕介質(zhì)(水、氯離子、氧氣等)與被防護(hù)基體接觸,但一般涂料致密性不高,阻隔性能無法對抗嚴(yán)酷的熱帶海洋環(huán)境。2008年左右,一個火遍全球的“阻隔”高手現(xiàn)身——石墨烯材料。
石墨烯阻隔與屏蔽性能非常優(yōu)異,即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透,它能夠大幅減小傳統(tǒng)環(huán)氧富鋅涂料的鋅粉含量,增強涂層的附著力和耐沖擊等力學(xué)性能。“石墨烯對氯離子阻隔性能比一般涂料的阻隔性能要高6到8倍。”王立平說。
然而,這種材料卻存在一個推廣上的難題——用價比黃金的石墨烯成本太高了。如今中科院寧波材料所/浙江石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心王立平團(tuán)隊的石墨烯重防腐涂料推廣效果良好,讓規(guī)模化生產(chǎn)成本下降。“在重防腐涂料中應(yīng)用的石墨烯價格有望達(dá)到每千克650元左右甚至更低。”王立平介紹。
成本大幅下降,有賴于中科院寧波材料所/浙江石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心石墨烯研究團(tuán)隊在規(guī)模化生產(chǎn)上的突破,在社會資本的大力投資下以及寧波市政府的積極推動下,中科院寧波材料所2012年就開始了石墨烯粉體產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用技術(shù)推廣,將石墨烯的價格與涂料中其他原材料的價格降到了一個級別,涂料整體成本問題迎刃而解。
“比如,國內(nèi)比較好的涂料一公斤30元左右,我們的涂料價格略高于國內(nèi)重防腐一線品牌,遠(yuǎn)低于進(jìn)口的重防腐涂料,可它的防腐效果與進(jìn)口的相當(dāng)。”王立平比較說。
打破2000億市場壟斷
我國在泰國競爭高鐵時,競爭對手日本將在泰國約10年的防腐實驗數(shù)據(jù)擺了出來。然而,這些數(shù)據(jù)我國卻拿不出。對相關(guān)領(lǐng)域研究積累的缺乏,讓中國的防腐涂料市場成了國外品牌的天下。
“海洋平臺涂料80%都是進(jìn)口的,2000億元的市場都靠外資品牌和技術(shù)。”王立平說。這個市場正蓬勃發(fā)展,對重防腐涂料需求年均增速超過20%。
更重要的是,傳統(tǒng)重防腐涂層的鹽霧壽命普遍不足2000小時,且存在資源浪費和環(huán)境污染問題,遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足“一帶一路”沿線國家,特別是遠(yuǎn)海、深海以及高濕熱南海環(huán)境下裝備和設(shè)施長期防腐耐候的安全服役要求。
王立平和研究員烏學(xué)東、薛群基院士聯(lián)合團(tuán)隊的60余名科研人員經(jīng)過10年攻關(guān),研發(fā)出石墨烯改性重防腐涂料,打破了國外品牌在相應(yīng)市場的壟斷,還刷新了相關(guān)領(lǐng)域防護(hù)數(shù)據(jù)的新紀(jì)錄。
“我們在中石油、中石化和中海油相關(guān)部門都做了第三方測試,現(xiàn)在的數(shù)據(jù)是這個領(lǐng)域國內(nèi)外最好的指標(biāo),鹽霧試驗超過6000小時。”王立平說。
事實上,占領(lǐng)市場的不光是石墨烯改性重防腐涂料,該團(tuán)隊研發(fā)的涂料相關(guān)技術(shù)成果也已經(jīng)成功轉(zhuǎn)化。王立平說,“雖然我們發(fā)不了文章,但對材料的應(yīng)用推進(jìn)和可靠性非常關(guān)鍵,我國就缺這塊研究。”