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告訴《中國科學報》記者。
為“一帶一路”提前布局
在暴曬實驗場，一個鐵架引起了記者的注意，與有些樣片被不同程度的點蝕有所差別，這個鐵架所有暴露在外的表面都已銹跡斑斑。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。”王立平將記者帶到海邊，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攝氏度，白天鋼結(jié)構(gòu)溫度能達到75度左右，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)成為了腐蝕的重災區(qū)。
腐蝕的嚴酷程度從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道。
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)“櫛風沐雨”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，約占當年GDP的3.34%。從這個實驗場，人們就可以洞見一場嚴峻的熱帶海洋開發(fā)和“一帶一路”基礎設施的腐蝕危機。
一帶一路沿線國家的基礎設施建設目前還面臨著另一個問題。以電網(wǎng)建設為例，在當?shù)亟ㄔO的電網(wǎng)設施，無法像國內(nèi)電網(wǎng)可以依靠變電站進行維護，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）與被防護基體接觸，但一般的涂料致密性不高，阻隔性能無法對抗嚴酷的熱帶海洋環(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。
石墨烯是目前自然界最薄的二維納米材料，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六到八倍。”王立平說。
對抗熱帶海洋的腐蝕，人們有了新武器。然而，這種材料的優(yōu)勢眾所周知，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)新中心王立平團隊的石墨烯重防腐涂料推廣效果良好，關(guān)鍵就在于“規(guī)�；a(chǎn)成本降下來了”。“在重防腐涂料中應用的石墨烯價格有望達到650左右每千克甚至更低，加上添加量僅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。”王立平介紹稱。
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隊在石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)上的突破，在社會資本的大力投資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，但遠低于進口的重防腐涂料。”王立平比較說，“可我們涂料的防腐效果與進口的相當。”
打破2000億市場壟斷
高鐵基礎設施材料是否防腐，性能如何，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)我們卻拿不出。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一枝獨秀的天下。
“海洋平臺涂料80%都是進口的，2000億人民幣的市場都靠外資品牌和技術(shù)。”王立平說。與此同時，這個市場正在蓬勃發(fā)展，其中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，遠無法滿足“一帶一路”沿線國家，特別是遠海、深海以及高濕熱南海環(huán)境下裝備和設施長期防腐耐候的安全服役要求。
王立平研究員、烏學東研究員和薛群基院士聯(lián)合團隊的60余名科研人員經(jīng)過10年攻關(guān)，成功研發(fā)出石墨烯改性重防腐涂料，打破了國外品牌在相應市場的壟斷，還刷新了相關(guān)領(lǐng)域防護數(shù)據(jù)的“新記錄”。
“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，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，該團隊研發(fā)的涂料相關(guān)技術(shù)成果，已經(jīng)成功轉(zhuǎn)化。王立平說，“雖然我們發(fā)不了文章，對材料的應用推進和可靠性非常關(guān)鍵，我們就缺這塊研究。”
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