人物访谈‖刘立伟：石墨烯锌能不能取代环氧富锌？

媒体采访 鄂忠敏《涂层与防护》

2022年11月16-18日在江苏常州召开的第19届防腐蚀涂料年会暨第5届特种涂料会议上，刘博士作了“石墨烯创新防腐技术及双碳贡献”的专题报告。报告中涉及了很多创新性的概念、技术。为了更深入地了解这些，《涂层与防护》会后对刘博士进行了采访。

人物简介

刘立伟  博士
苏州格瑞丰纳米科技有限公司董事长

刘立伟，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员，博士生导师；苏州格瑞丰纳米科技有限公司董事长；国家石墨烯标准化推进工作组成员；国家石墨烯产品质量监督检验中心顾问委员会委员；中国石墨烯产业联盟的标委会委员；江苏省涂料行业协会专家委员会委员；苏州工业园区纳米领军人才；Nature出版集团Scientific Reports期刊编委会成员；参与起草HG/T 5573-2019《石墨烯锌粉涂料》、CSTM 00229-2020《涂料中石墨烯材料的测定》、T/CHTS 20020-2022《公路桥梁钢结构石墨烯锌粉防腐涂料》等标准。

《涂层与防护》：环氧富锌涂层体系已经发展和使用了几十年，广泛应用在桥梁、石化、水电、风电、海工、集装箱、运输等众多领域。环氧富锌在技术方面还存在哪些不足？

20世纪40年代，欧洲最先开始使用环氧富锌，由于具有较好的防腐施工性能，环氧富锌应用广泛，几十年来，一直是工业防腐、重防腐涂层的一种通用选择，市场规模发展到200多亿。

但是，从材料机理和涂装性能上看，环氧富锌还存在一些不可调和的技术缺陷，即使用中间涂层和面涂层配套来弥补，体系仍不完善。

第一，机理上，即使是“富锌”，也没有保证长效防腐的机制。

（1） 锌粉利用率低，无法长效防腐。仅有与钢材连通的约1/3锌粉能参与阴极保护作用，约2/3 孤立的锌粉没有活性。

（2）腐蚀发生时，活性锌粉逐渐被氧化成绝缘的锌盐，导电通路被破坏，阴极防护失效。只能靠生成产物的物理屏蔽。

（3）环氧树脂本身的抗渗透性差，耐水、耐湿热性差，依然无法长效防腐。

由此可以理解，HG/T 3668-2020《富锌底漆》标准中，单层划线耐中性盐雾性能要求不高，200~600 h (60-80% Zn含量)。

第二，由于“富锌”，漆膜韧性差，致密性差，施工容忍性差，容易出现防腐失效。成也“富锌”，败也“富锌”。

（1）大量锌粉的使用，漆膜的脆性大，韧性差。膜厚超过150μm后容易开裂。在锐边、内外角、焊缝等处，经常容易出现漆膜开裂、应力腐蚀、焊缝腐蚀等失效现象。

（2）大量锌粉的使用，漆膜致密性差，耐水差，耐湿热差，附着力降低。容易导致起泡、脱落、生锈等病害。

（3） 施工容忍性差，漆膜厚度、温湿气候、基材处理、复涂间隔等都要进行严格控制。否则，容易出现漆膜脱落、针孔、起泡、生锈等病害。

这些缺陷尚不可调和，因为需要大量锌粉构成阴极防护的导电通路，锌粉少防腐性能差。为弥补这些缺陷，环氧富锌体系需要中间涂层和面涂层组成三涂层配套体系。环氧富锌底漆作为核心，对金属基材起到防腐蚀作用，常见的环氧云铁中间涂层主要起到抗渗透、耐湿热作用，并连接底和面涂层作用。聚氨酯/氟碳面涂层起到抗紫外耐候性能。

然而，传统环氧云铁中间涂层和面涂层的抗渗透能力仍然有限，腐蚀介质还会渗透到底漆，对基材造成腐蚀。这也是环氧富锌涂层体系设计耐久保护年限15~25年，结果通常5~15年出现局部腐蚀维护，甚至需要重涂的原因。

因此，环氧富锌的这些缺陷决定了它还不是理想的技术方案，只能算作应用的权宜之计，ISO12944-5:2019的6.1中指出，随着技术的发展，如果有新的涂料技术被证明和认证有效，可以采用。

《涂层与防护》：相比环氧富锌，石墨烯锌在性能、施工、维护、经济效益等方面具有哪些对比优势？石墨烯锌能不能取代传统环氧富锌？

从对比表可以看出，相比缺点很多的环氧富锌，创新的石墨烯锌优点很多，带来多方面的创新附加价值，包括技术、产品、市场和社会价值。石墨烯锌取代环氧富锌，表面看，政策支持、创新企业推动和业主接受度增加，归根结底，还是随着石墨烯新材料发展，技术优势决定的产品和市场升级，是不依人的意志转移的发展趋势。

《涂层与防护》：从资源节省，能源消耗以及双碳目标上，石墨烯锌有哪些具体优势？

富锌涂料，使用大量锌粉，不仅材料成本高，且浪费资源和能源。金属锌为耗竭资源，全球不到30年将耗尽。不可控使用，将影响防腐行业的可持续发展。

石墨烯低锌(含锌)涂料，根据HG/T 5573-2019标准规定，含有石墨烯材料，并且不挥发分中金属锌含量（≥30%，且＜60%）的涂料。石墨烯低锌具有极高的性价比，具有低碳、节约资源的社会价值。

有色金属冶炼行业中，锌冶炼高能耗，高碳排放，1吨锌冶炼耗电4000度，CO₂排放5.2吨。

石墨烯低锌，提高锌粉利用率，1吨涂料，可节约 ~425 kg 锌粉，减少CO₂排放~1.2吨，节约资源，助力双碳。

《涂层与防护》：石墨烯低锌性能如何，是不是石墨烯富锌就比石墨烯低锌性能优异？

石墨烯低锌和石墨烯富锌(锌含量≥60%)，在调整合理配方的情况下，性能同样优异，中科院苏州纳米所团队已经在国家涂料检测中心测试，石墨烯低锌耐盐雾性能可高达5000 h以上，远超常规环氧富锌耐盐雾(400~1500h)性能。

石墨烯低锌性能优异，其根本原因在于石墨烯锌涂料的机理与传统富锌不同，石墨烯材料在物理屏蔽和阴极防护协同作用中起到了主导作用，而不是锌粉量占主导。

环氧富锌涂料，需要大量锌粉构成阴极防护的导电通路，锌粉少防腐性能差，用锌粉含量多少衡量性能，甚至“富锌”成了性能好的一种保证，成了一种心里安慰剂。

石墨烯低锌展现的优异性能，打破了“富锌”思想局限，不再是富锌就比低锌好，石墨烯富锌也不意味着比石墨烯低锌好。

石墨烯低锌的推广，给业主资产提供耐久保护，给涂企提升产品价值，并能够节省资源，降低能耗和碳排放，推动行业高质量发展。