在中科院南海海洋研究所位于南海區(qū)域的一個(gè)熱帶海洋環(huán)境材料腐蝕試驗(yàn)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(tái)，暴曬在熱帶海洋氣候的驕陽(yáng)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(guó)科學(xué)報(bào)》記者。

為“一帶一路”提前布局

在暴曬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，一個(gè)鐵架引起了記者的注意，與有些樣片被不同程度的點(diǎn)蝕有所差別，這個(gè)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(shí)驗(yàn)場(chǎng)的。

“這個(gè)鍍鋅鋼防腐鐵塔在北方地區(qū)使用40年沒(méi)問(wèn)題，不用涂什么防腐涂料，但在熱帶海洋地區(qū)壽命會(huì)降低很多。”王立平將記者帶到海邊，指著一個(gè)海氣通量塔說(shuō)，“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(dá)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(diǎn)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(jí)。“按照大氣腐蝕環(huán)境來(lái)分，這里屬于C5+，整個(gè)一帶一路的海洋環(huán)境都屬于腐蝕等級(jí)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(fēng)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(guó)的腐蝕總成本就超過(guò)2.1萬(wàn)億人民幣，約占當(dāng)年GDP的3.34%。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，人們就可以洞見(jiàn)一場(chǎng)嚴(yán)峻的熱帶海洋開(kāi)發(fā)和“一帶一路”基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕危機(jī)。

一帶一路沿線國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目前還面臨著另一個(gè)問(wèn)題。以電網(wǎng)建設(shè)為例，在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)的電網(wǎng)設(shè)施，無(wú)法像國(guó)內(nèi)電網(wǎng)可以依靠變電站進(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(guó)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(jià)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，但一般的涂料致密性不高，阻隔性能無(wú)法對(duì)抗嚴(yán)酷的熱帶海洋環(huán)境。2008年左右，一個(gè)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(wú)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(qiáng)涂層的附著力和耐沖擊等力學(xué)性能。

“石墨烯對(duì)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(shuō)。

對(duì)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(shì)眾所周知，卻存在一個(gè)推廣上的難題——用價(jià)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(duì)的石墨烯重防腐涂料推廣效果良好，關(guān)鍵就在于“規(guī)模化生產(chǎn)成本降下來(lái)了”。“在重防腐涂料中應(yīng)用的石墨烯價(jià)格有望達(dá)到650左右每千克甚至更低，加上添加量?jī)H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(tuán)隊(duì)在石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)上的突破，在社會(huì)資本的大力投資以及寧波市政府的積極推動(dòng)下，中科院寧波材料所2012年就開(kāi)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(jià)格與涂料中其他原材料的價(jià)格降到了一個(gè)級(jí)別，涂料整體成本問(wèn)題迎刃而解。

“比如，國(guó)內(nèi)比較好的涂料一公斤30元左右，我們的涂料價(jià)格略高于國(guó)內(nèi)重防腐一線品牌，但遠(yuǎn)低于進(jìn)口的重防腐涂料。”王立平比較說(shuō)，“可我們涂料的防腐效果與進(jìn)口的相當(dāng)。”

打破2000億市場(chǎng)壟斷

高鐵基礎(chǔ)設(shè)施材料是否防腐，性能如何，我國(guó)在泰國(guó)競(jìng)爭(zhēng)高鐵時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手日本將在泰國(guó)約10年的防腐實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擺了出來(lái)。然而，這些數(shù)據(jù)我們卻拿不出。對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究積累的缺乏，讓中國(guó)的防腐涂料市場(chǎng)成了國(guó)外品牌一枝獨(dú)秀的天下。

“海洋平臺(tái)涂料80%都是進(jìn)口的，2000億人民幣的市場(chǎng)都靠外資品牌和技術(shù)。”王立平說(shuō)。與此同時(shí)，這個(gè)市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展，其中對(duì)重防腐涂料需求年均增速超過(guò)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(shí)，且存在資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題，遠(yuǎn)無(wú)法滿足“一帶一路”沿線國(guó)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(zhǎng)期防腐耐候的安全服役要求。

王立平研究員、烏學(xué)東研究員和薛群基院士聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的60余名科研人員經(jīng)過(guò)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(guó)外品牌在相應(yīng)市場(chǎng)的壟斷，還刷新了相關(guān)領(lǐng)域防護(hù)數(shù)據(jù)的“新記錄”。

“我們?cè)谥惺�油、中石化和中海油相關(guān)部門(mén)都做了第三方測(cè)試，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)是這個(gè)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外最好的指標(biāo)，鹽霧試驗(yàn)超過(guò)6000小時(shí)。”王立平說(shuō)。

事實(shí)上，占領(lǐng)市場(chǎng)的不光是石墨烯改性重防腐涂料，該團(tuán)隊(duì)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(shuō)，“雖然我們發(fā)不了文章，對(duì)材料的應(yīng)用推進(jìn)和可靠性非常關(guān)鍵，我們就缺這塊研究。”