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蒲吉斌:发展功能涂料 加快推进石墨烯产业化应用

2017-05-31 13:57:25
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

石墨烯, 一种有望引领新一代工业技术革命的战略性新材料,目前正处于从技术向商业演变的关键时期,作为在电子信息、新能源、航空航天、复合材料领域里有着广泛应用的新型材料,它有着巨大的应用价值。我国已将发展石墨烯产业作为重大国家战略需求,“中国制造2025”也明确要求做好石墨烯材料的提前布局和研制,编制了石墨烯产业技术路线图。中国科学院宁波材料所在石墨烯原材料制备和应用研发方面已走在我国科研的前列,具备雄厚的研发实力。

    石墨烯, 一种有望引领新一代工业技术革命的战略性新材料,目前正处于从技术向商业演变的关键时期,作为在电子信息、新能源、航空航天、复合材料领域里有着广泛应用的新型材料,它有着巨大的应用价值。我国已将发展石墨烯产业作为重大国家战略需求,“中国制造2025”也明确要求做好石墨烯材料的提前布局和研制,编制了石墨烯产业技术路线图。中国科学院宁波材料所在石墨烯原材料制备和应用研发方面已走在我国科研的前列,具备雄厚的研发实力。为了全面科普石墨烯在功能防腐涂料这一重要应用领域的前沿科技知识,了解其未来发展方向,记者特邀请到中国科学院宁波材料所蒲吉斌研究员做相关方面的精彩解读。

 

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    蒲吉斌 中国科学院宁波材料所研究员 博士生导师


    蒲吉斌,中国科学院宁波材料所研究员、博士生导师。长期从事极端环境新型防腐和耐磨材料及其在航空、航天、海洋以及核电领域的工程化应用研究,多次获得国家级和省部级奖项,其研究成果已被应用于多项重大工程和重点型号中。并在石墨烯等新材料的研究方面颇有造诣。

    记者:请您谈谈宁波材料所目前在石墨烯基重防腐涂料方面的研究进展情况?

    蒲研究员:金属材料的腐蚀是影响船舶、海洋平台、海洋风电、岛礁工程等海洋装备和基础设施安全性和服役寿命的重要因素,尤其严酷的南海环境下金属材料的腐蚀问题异常严重。发展长效防腐涂料对减小海洋腐蚀破坏,提高海工装备寿命极其重要。石墨烯二维纳米材料被认为是世界上最薄的防腐材料。美国麻省理工学院的研究人员实验证实了石墨烯能够有效地阻止水分子和氯离子的通过,大幅降低金属基体的腐蚀速率。近年来,利用石墨烯的“迷宫”阻隔效应提高有机涂层的抗渗透性和防腐性已成为国内外防腐涂料领域的研究热点。然而,具有实用价值的高性能石墨烯基防腐涂料的研制难度非常大,需要摸清石墨烯防腐的微观物理化学影响机制,突破石墨烯的稳定分散、与树脂相容性、配方及配套体系优化等一系列关键技术。任何一个关键问题不解决好,不仅起不到增强防腐蚀作用,还会降低涂层的机械性能,加速涂层的腐蚀失效。中科院宁波材料技术与工程研究所、中科院海洋新材料与应用技术重点实验室王立平研究员、薛群基院士以及蒲吉斌研究员和刘栓博士等研究团队围绕新一代海工装备的长效防腐耐候需求,通过多年的不懈努力完成了石墨烯基重防腐涂料基础研究、关键技术突破、工程示范到产业化应用的整个技术链条。

    在关键技术突破及产品开发方面,团队设计合成了系列具有缓蚀作用的芳香型低聚物分散剂,突破了石墨烯的高效物理无损分散及与各种树脂体系的界面相容关键技术,解决了共价改性分散技术破坏石墨烯本征结构和性能以及离子型表面活性剂分散体系不稳定的问题,继而通过石墨烯与功能填料微- 纳尺寸正态分布、体积浓度的不断优化实现了石墨烯基重防腐涂层的“密堆积”高阻隔和电化学保护双重防腐机制。研究成果显示仅仅0.5wt% 的石墨烯使环氧涂层的水汽扩散系数降低了34 倍,腐蚀电流密度降低了2 个数量级以上,在60℃的NaCl 溶液中浸泡20 天后,交流阻抗模值仍然高达1010Ω.cm2,防护效果提高了1000 倍左右。目前,团队已成功开发出了自主知识产权的储油罐导静电防腐涂料、电网塔架防腐涂料、光伏设备防腐涂料、船舶防腐涂料和航空航天特种涂料等8 种石墨烯防腐涂料体系,布局国家发明专利30 多项,并通过了化工、涂料、军工领域权威鉴定机构的性能检测,附着力达到10MPa,划X 耐盐雾性超过5000 小时,耐酸碱介质和耐紫外老化性能均超过2000 小时,解决了海洋耦合环境中的长效防腐耐候核心问题。2016 年团队联合企业将这一重要科研成果推向了产业化,成功解决了涂料配方工艺从实验室小试到工厂中试、扩试的一系列技术难题,建成了年产能达5000 吨的石墨烯基海洋重防腐涂料生产线,实现了石墨烯基重防腐涂料的低成本稳定量产。

    在石墨烯基重防腐涂层自然环境腐蚀数据积累方面,团队与国家材料环境腐蚀平台、中科院南海海洋所和国网公司合作建成了文昌材料环境试验场、南海海洋环境腐蚀试验站以及电网材料大气和土壤腐蚀试验站等典型海洋大气环境材料试验基地,累计投样2000 余片,开展了包括石墨基重防腐涂层的20余种材料体系的自然环境试验,系统考察了多因素耦合海洋环境对涂层耐蚀性能的影响规律,并开展了实验室加速试验与自然环境试验的关联性寿命预测研究,截至目前,经历了9 个多月的南海环境暴晒试验后石墨烯基重防腐涂层表现出非常突出的防腐性能。

    在示范工程方面,团队针对湿热环境现场涂装和修复过程中无法做到完全除锈的问题,开发出了无溶剂渗透性带锈底漆、石墨烯阻隔中间漆和耐候面漆的配套体系,满足了石墨烯基重防腐涂料的带锈、带湿低表面处理涂装等一系列现场涂装工艺需求,首次对穿越城郊区、化工污染区、山区以及沿海海洋大气区域的国网输电线路共计30 余级大型铁塔,以及隔离开关、变压器、断路器等变电设备开展了大规模示范工程应用。另外,团队完成了石墨烯基重防腐涂料在2000 吨“万山号”海洋波浪能发电装置、临海大型储油罐、光伏发电装置、沿海铁路围栏以及文昌航天装备等的防腐工程应用,产生了良好的示范效应,为石墨烯基重防腐涂料在海工装备的推广应用奠定了基础。

 

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图1 海洋自然环境挂片试验


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图2 大型输电铁塔示范工程


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图3 “万山号”大型海洋波浪能发电装置示范工程


    记者:请您谈谈您对石墨烯基重防腐涂料的看法,并谈谈这些材料的应用领域和带来的经济效益和社会效益。

    蒲研究员:重防腐涂料的发展水平是一个国家涂料科技水平的重要标志,在船舶、海工装备、石油化工、铁路、桥梁、电力和水利工程等诸多关乎国家图1 海洋自然环境挂片试验文昌环境试验点电网材料大气和土壤腐蚀试验站发展战略和经济命脉的重要领域有着巨大的市场需求。然而,我国海洋防腐等中高端重防腐涂料的开发和市场应用的形势非常严峻。一方面,我国拥有高达2000 亿的防腐涂料市场,其中海洋重防腐涂料需求年均增速超过20%,但我国海洋防腐涂料产品与国外先进水平差距明显,长期处在落后、模仿和跟踪发展的地位,没有形成自主知识产权技术,缺少相应的技术规范和标准,这造成我国80% 的海洋防腐涂料市场被阿克苏诺贝尔、海虹老人、佐敦等国外涂料巨头占据,特别是集装箱、船舶、海洋平台等高端重防腐涂料市场基本被国际大品牌所垄断。另一方面,传统富锌涂料的划X 盐雾寿命普遍在2000 小时左右,且存在金属锌资源的消耗和环境污染问题,而传统玻璃鳞片重防腐涂层存在韧性和导热性差、涂膜厚度大的问题,已不能满足严酷海洋环境下装备和设施的长期安全服役需求。石墨烯二维纳米材料的出现为我国开发高性能重防腐涂料,形成自主知识产权的海洋长效防腐涂料产品创造了机遇。

    石墨烯基重防腐涂料集合了金属牺牲型富锌涂料和阻隔屏蔽型玻璃鳞片重防腐涂料的防腐机制。通过引入石墨烯大幅减小了锌粉用量,增强了涂层的附着力和耐冲击等力学性能。同时通过石墨烯的二维薄层结构和阻隔作用增强了涂层的屏蔽性,从而使涂层变的更薄更轻,在严酷的海洋大气环境下具有更长的腐蚀防护寿命。可以预见,石墨烯基重防腐涂料的发展将改变我国中高端海洋重防腐涂料被国外产品垄断的市场格局,促进我国海洋防腐涂料产业的升级和可持续发展,提升我国海工装备和基础设施的安全性和服役寿命及在“一带一路”建设中的竞争力,服务于国家安全和海洋经济发展战略。

    记者:石墨烯基防腐材料应用和发展是否存在瓶颈和挑战?应如何应对?

    蒲研究员:近年来,我国石墨烯基重防腐涂料的发展非常快。然而,石墨烯基重防腐涂料的整体应用水平依然不高,仍然存在许多问题:(1)石墨烯基重防腐涂料的基础研究碎片化,导致石墨烯的选用标准和依据匮乏;(2)部分关键技术仍未获突破;(3)针对不同领域的腐蚀防护需求,未形成完善的涂料体系;(4)缺少涂层性能的全面考核和图2 大型输电铁塔示范工程图3 “万山号”大型海洋波浪能发电装置示范工程实际工况的长期服役评估;(5)缺乏石墨烯基重防腐涂层性能的数据库和相关标准。基于上述问题,需从基础研究、技术开发、环境考核、工程示范等各个环节全方位推动石墨烯基重防腐涂料的发展和工程应用。在基础研究方面,需探明石墨烯的缺陷、层数及表面官能团等对涂层防腐性能的影响,从而通过石墨烯的结构特性调控实现涂层综合性能的提升。在产业化技术开发方面,需通过石墨烯制备工艺与涂料配方工艺的有机融合,发展出满足涂料批量化生产的可再分散石墨烯/ 功能填料复合粉体及其分散技术,解决石墨烯基重防腐涂料产业化水平不高的问题;在环境考核方面,需完善石墨烯基重防腐涂料的产品体系,通过典型环境下涂层腐蚀数据的长期积累,全面考察涂层材料在多环境因素耦合作用下的失效行为及影响因素。在工程应用方面,需针对海洋腐蚀防护特点,考察不同类型示范工程的防腐效果及特殊工况条件对涂层耐蚀性能的影响,扩大石墨烯基重防腐涂料的应用范围,并通过示范工程、标准制定、品牌建立以及行业和媒体宣传提高石墨烯基重防腐涂料的市场认可度,消除市场对新材料使用的经济性、稳定性、适宜性和有效性的疑虑,加快推进石墨烯基重防腐涂料在海洋腐蚀防护领域的应用。

    记者:请您展望石墨烯在防腐材料领域未来的创新方向?

    蒲研究员:在石化储罐、化工换热器、电网接地装置等特殊应用领域,不仅要求防腐涂料具有长效的腐蚀防护性能,同时需具有导静电、导热、导电等功能性。传统的各类功能防腐涂料均存在某些性能缺陷,如添加金属类(银、铜、镍)填料的导电涂料基体附着力较差,在涂料发生缺陷时会加速电化学腐蚀,并且成本较高,而碳纳米管、炭黑等传统碳系填料导电涂料的电阻率普遍较高。石墨烯兼具优异的阻隔性、高的电子迁移率和热导率,这使其在导电、散热功能防腐涂料领域具有潜在的应用价值。另外,石墨烯优异的力学性能能够提高涂层的耐磨性;石墨烯的憎水性能够提高涂层的疏水性;石墨烯对纳米A g 或T i O 2 粒子的高效担载性使其能够用于防污涂料和抑菌涂料;石墨烯在涂层中形成的致密隔离层以及燃烧后产生的二氧化碳和连续的碳层能够实现涂层的阻燃和抑烟功能;石墨烯的导电性使涂层具有半导电性,通过微小电流产生的焦耳热、场效应热能够实现涂层的电热型防覆冰功能。目前,国内外科研人员已经针对石墨烯的上述功能特性开展了各种石墨烯基功能防腐涂料的研究,中科院宁波材料所已经研制出了石墨烯基导热防腐涂料、导静电防腐涂料( 电阻率1 0 6 ~ 1 0 9 Ω.cm)以及空间站用石墨烯基抗菌防霉阻燃功能涂层。因此,石墨烯在功能涂料领域的应用将是石墨烯基防腐涂料未来的创新方向之一。

    后记:

    当前石墨烯的研究成果很多,但距离工业化生产仍有距离。除了降低石墨烯的成本之外,同样更需技术的创新。业界人士行动起来,开拓创新、携手共进,为我们伟大的祖国走在世界石墨烯科研的最前沿而努力奋斗吧!

    人物简介

    蒲吉斌,博士,研究员,博士生导师。2011 年毕业于中科院兰州化学物理研究所,获工学博士学位。长期从事极端环境新型防腐和耐磨材料及其在航空、航天、海洋以及核电领域的工程化应用研究,研制成果应用于多项重大工程和重点型号中,在《Chemical communication》、《Journal of Materials Chemistry》、《Carbon》等学术期刊发表SCI 检索论文50 余篇,授权发明专利11 项。合作编著《先进碳材料科学与功能应用技术》、《Multifunctional surfaces for tribological applications》等专著3 部。2011 年入选中科院“西部之光”人才计划,2016年获国家技术发明二等奖,2015 年获省部级技术发明一等奖。

 

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