石墨烯+环氧乙烯基酯树脂——为海洋装备披上“隐形铠甲”的科技密码

2025-05-21 17:21:20 作者：杨卓鸿来源：腐蚀与防护分享至：

海洋腐蚀对社会经济、资源利用与环境保护构成多维度的深远影响。在社会经济方面，据统计数据显示，我国年度腐蚀相关经济损失规模已达2万亿元人民币，其中海洋腐蚀占比逾三成。海洋工程设施如跨海大桥、海上风电等的钢管桩在浪花飞溅区腐蚀情况最为严重，维修和更换这些受腐蚀的部件需要高昂的费用。在资源利用方面，全世界每年生产的钢铁产品，大约有十分之一因腐蚀而报废。在海洋环境中，金属结构腐蚀速度更快，例如在海水全浸区，低碳钢平均腐蚀深度可达 0.11mm/年，这使得大量的金属资源被消耗在维修和更换受腐蚀的海洋工程结构上。在环境保护方面，当海洋工程设施因腐蚀发生泄漏等事故时，会对周边海域造成污染。如海上石油平台因腐蚀导致的原油泄漏，会污染大片海域，危害海洋生物的生存，破坏海滩和沿海生态系统，影响沿海地区的旅游业和渔业发展。中国工程院院士侯保荣作为海洋腐蚀防护领域开拓者，曾形象地将海洋比作一只顽劣而执拗的“老虎”。唯一不同的是，真真的老虎吃肉，这只“老虎”吃铁（图1）。

图1 海洋好比一只吃铁的“老虎”（AI生成）

石墨烯的“超能力”解密

石墨烯重防腐涂料是针对高湿热、高盐雾、高紫外等严苛海洋环境下防护需求而开发的涂料。其中的石墨烯就像给金属穿上了纳米级防弹衣，凭借独特的二维平面结构（图2），在涂层中层层叠加，如同无数紧密排列的 “纳米盾牌”，将海水、氧气、氯离子等腐蚀性介质的进攻牢牢阻挡在外。相关研究表明，在普通海洋防腐涂料中添加适量石墨烯后，其涂层电阻可从原本的10⁷Ω cm²提升至10⁹Ωcm²以上，显著延长金属基材服役周期。该材料体系依托石墨烯的本征化学惰性，与锌粉、环氧树脂等组分形成界面耦合增强机制，强化涂层的防腐性能。工程应用层面，其典型配套体系包含富锌底漆（阴极保护）、云铁环氧中间漆（屏蔽防护）及聚脲面漆（耐候屏障），可广泛用于海洋工程、钢结构桥梁等领域的大型钢结构的腐蚀防护，展现出环境适应性、长效防腐性与施工便捷性的综合优势。

图2 新型二维材料石墨烯

石墨烯/环氧乙烯基酯树脂海洋防腐

复合涂层研究现状

华南农业大学杨卓鸿教授团队是海洋防腐涂料领域的研究专家，课题组针对传统防护技术难以满足海工装备长效防护需求这一关键痛点，创新性开展石墨烯/环氧乙烯基复合涂层体系研究（图3），并取得了阶段性成果。目前，课题组已经成功制备出系列具有不同功能特性的海洋防腐涂料。在制备过程中，以环氧树脂为基底，运用多种生物质原料，通过分子设计和结构优化，对环氧乙烯基酯树脂进行化学改性，赋予其增韧或自修复性能。同时对氧化石墨烯进行化学改性，例如硅烷偶联剂水解、无机粒子表面原位聚合、扩链剂介导的无机-有机“桥接”等方法，显著提升了纳米填料在树脂基体中的分散稳定性。功能化纳米粒子通过物理屏蔽效应、交联密度调控和疏水性等多重机制，大幅提升复合涂层的长效耐腐蚀性能。

图3 石墨烯/环氧乙烯基复合涂层体系研究

在实验室技术层面，课题组取得了多项突破。在性能优化上，通过建立组分-性能构效关系模型，使涂层在机械性能、热稳定性和电化学防腐性能等方面表现优异。例如结合生物基桐油酸长碳链结构韧性好的特点，将其与环氧树脂刚性苯环相结合，得到的增韧乙烯基酯涂层拉伸强度提升至72.3MPa，断裂伸长率达15.87%。在微观结构调控方面，基于硅烷偶联剂水解、无机粒子表面原位聚合、扩链剂介导无机-有机“桥接”等方法对纳米填料进行化学改性，通过分子间氢键与共价键协同作用机制，显著提升纳米填料在树脂基体中分散稳定性。在功能赋予上，为涂层引入了缓蚀、自愈合、超疏水等多重功能。团队开发"被动缓蚀-主动修复"双重防护体系（图4）：基于单宁酸/GO复合涂层的光热响应型自修复系统，在5分钟NIR辐照下可实现92%愈合效率。采用仿生荷叶效应构建的超疏水涂层（图5），其静态水接触角达155.9°，滚动角为1.9°。经过80天的电化学阻抗试验，其涂层电阻仍高达3.62×10¹⁰ Ω cm^-2。这些突破性成果为发展智能响应型海洋防腐涂层提供了创新范式。

图4 单宁酸改性氧化石墨烯防腐复合材料

图5 基于GO-SiO₂的超疏水防腐涂层

在产学研合作方面，研究团队与广东美亨新材料科技有限公司构建了"学研创新-产业转化"双轮驱动体系，双方优势互补，聚焦海洋重防腐涂料研发（图6）。课题组依托重点实验室，在天然防腐油漆改性、环氧乙烯基酯树脂合成等领域积累 20 余项专利及系列成果；美亨公司作为高新技术企业，拥有先进生产线、千平米转化室及 2000 万元研发设备，在不饱和树脂合成及产业化方面经验丰富。双方围绕 “石墨烯改性环氧乙烯基酯树脂海洋防腐涂料” 这一核心方向，构建了 “基础研究 — 中试放大 — 产业化推广” 的全链条协作机制。在技术攻关阶段，课题组负责天然生物基材料对树脂分子设计，以及对氧化石墨烯的化学改性，解决石墨烯材料分散稳定性差，传统防腐树脂涂层破损后防腐性能下降等问题。美亨公司则利用其万吨级不饱和树脂生产线，对改性树脂进行中试工艺优化，双方多次对自主研发产品开展耐盐雾试验、电化学阻抗等测试，确保涂层在3.5%NaCl溶液中浸泡100后天，阻抗模值稳定在10^⁹Ω cm^²以上。经第三方检测，产品关键性能指标如铅笔硬度（≥5H）、耐甲乙酮擦拭次数（≥250次）均满足使用需求，成功应用于海洋平台钢结构防腐示范工程。该合作不仅破解了海洋重防腐涂料依赖进口的 “卡脖子” 问题，更构建了产学研协同创新的典范模式，累计培养硕士/博士12名，输出兼具科研素养与产业视野的复合型人才，为我国海洋工程装备防护技术自主化提供了可持续的人才与技术储备，助力“海洋强国” 战略在材料领域的落地实施。

图6 研究团队与广东美亨新材料科技有限公司产学研合作

未来挑战与展望

在未来，石墨烯改性环氧乙烯基树脂海洋防腐涂料的未来发展仍面临多重挑战。在复杂海洋环境中，极端条件对涂层的长期稳定性形成严峻考验，需要解决纳米材料分散、界面结合及抗多重腐蚀介质等关键技术问题。随着环保法规的日益严格，行业向生物基原料、水性体系和无铬化方向的转型需求迫切，如何在环保升级中保持防护性能成为重要课题。技术研发将重点探索新型复合材料体系，构建物理阻隔与电化学保护协同机制，开发具备自修复和超疏水等智能特性的多功能涂层，同时通过分子结构优化提升树脂性能与成本效益。产业化进程需加强产学研深度融合，建立覆盖基础研究到工程应用的全链条转化体系，制定符合我国海域特点的性能评估标准，推动国产涂料在深海工程中的规模化应用，全面提升海洋工程材料的自主创新能力和国际竞争力。

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