行业领域

生物与新医药技术

需求背景

钢是化学工业、轻工业中使用最广泛的材料之一，是整个工业的脊梁。然而由于广泛存在的腐蚀现象，每年报废的钢铁设备约相当于年产量的30%，其中约1/3由于无法回收而永久的损失掉了。统计显示，全球每年因腐蚀而产生的经济损失约占GDP的2%~4%。例如低渗透油田中，油气含有较高的H₂S和CO₂等酸性气体会对设备造成严重腐蚀，由此引起的事故不仅造成了巨大的经济损失而且也产生了严重的社会后果；又如陕北煤汽化项目中的激冷气压缩机、洗涤塔内部都出现了大面积的腐蚀，致使后续工程故障不断，最终只能够停产检修。

就现在的科学技术而言，从钢结构本身着手来解决腐蚀问题存在造价高、寿命短等问题，采用涂料涂装防止金属腐蚀是应用最为广泛、经济且有效的手段之一。

其中，聚合物涂层在保持金属力学性能的同时，又可以提供持久高效的防护能力，且因涂覆操作方便、防腐蚀效果好，已成为涂层保护法应用最多的一类材料。如环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂等，涂覆在金属表面固化后形成保护层后，将金属与腐蚀环境隔离，减缓腐蚀速率，延长金属使用寿命。但有研究表明聚合物涂层的保护效率依然有待提高：由于涂层中存在着微孔，可以为O₂、H₂O、Cl^-提供扩散途径，腐蚀仍会发生；同时水的扩散还会使涂层失去附着力，从而加快涂层失效。

需解决的主要技术难题

当下迫切需要解决超疏水涂层耐磨性差和成本高这两个产业化“瓶颈”问题。

1.如何在保证超疏水性能的前提下解决耐磨性问题

绝大多数情况下，制造超疏水表面需要具有微小尺度的粗糙表面结构来改善固

体表面的润湿特性。然而随着粗糙度的增加，这种表面的耐磨性也会很差。这是天然超疏水结构如荷叶、蝴蝶翅膀、水黾具有天然的脆弱性。上述结构在非常小的机械力可以破坏表面纹理并导致超疏水特性的消除，水滴不能在先前的表面上滚落，并粘在损坏的位置。如何在保证超疏水性能下的前提下解决耐磨性问题是超疏水涂层制备面临的挑战性课题之一。虽然研究人员尝试了各种各样的改进方法，然而缺乏针对微结构本身的力学性能优化和全方位的保护设计，超疏水表面的机械稳定性至今也未产生实质性的提升。同时对于自修复超疏水表面，*** Erbil教授在综述文章中指出：目前最重要的困难来自表面疏水性和粗糙度应该同时再生的事实。还有，自修复表面的愈合过程需要外部刺激来启动，例如温度、湿度、光线或超疏水值转换。但是，这些刺激与日常生活中的许多情况并不匹配，在正常情况下可能不会发生自愈。总之，大多数制备出的超疏水表面并未拥有足够的耐久性以在日常户外条件下获得可接受的使用寿命，因此无法在工业应用中成功实施。

要想成功解决这一问题，需要从短期利益的模仿主义逐步转变为重视基础理论的材料设计、核心产品攻关的自主研发模式，才能摆脱长期以来核心技术受制于人的窘境。这需要我们在研发过程中全方位、多角度从微纳米结构设计-有机无机材料匹配出发，开展多尺度相容性设计。我们团队之前通过多尺度相容性设计后研发了一些超疏水涂层，其中采用廉价聚氨酯和二氧化硅制备出的超疏水涂层可以在400 g（5 kPa）的载荷下承受26 m的磨损并保持超疏水性。在耐磨和低成本方面展现出了较大优势。在前期的研究基础上，我们有望在超疏水表面成本高、耐磨性差的这方面做出重大突破。

2.如何低成本实现超疏水涂层工业化应用

如前所述，制备超疏水表面主要的方法多种多样，但这些方法一般大都用于实验室小规模生产。如何低成本、大规模的对不同类型、不同形状的超疏水表面一直是将超疏水涂层应用到工程实际中的关键，也是扩大超疏水涂层市场的必要手段。采用简单喷涂、刮涂方式制备超疏水涂层是降低成本的唯一选择。与其它方法相比，喷涂、刮涂施工简单、对设备要求低，工艺流程简单，适用于工业化施工。但采用喷涂和刮涂的模式如何控制涂层的完整性和一致性是关键，需要对涂层中稀释剂、分散剂、流平剂等相关试剂的选择和用量进行合理的设计，尽可能优化涂装工艺，以便于对异形件等进行大范围、快速化施工。在保证效果的前提下，选用低成本原材料也是降低涂层的有效方法，我们打算采用的TPU（30元/kg）、SiO₂（60元/kg）等原料均为成本低廉、容易获得的材料，也可以从选材上大大降低了涂层的成本。我们之前开发的涂层能够在性能和价格方面做到较好的平衡(Chemical Engineering Journal, 2021, 434, ***, 2021,15, 127768. )，进一步优化后可以实现性能和价格更好的统一。

期望实现的主要技术目标

1）开发一种超疏水抗磨耐腐蚀材料开发及中试放大实验，完成工艺包编制和工业化初步设计工作；

2）完成超疏水抗磨耐腐蚀材料结构设计与合成研究，研究材料的结构形式、材料组成、制备工艺对其磨损和腐蚀性能的影响规律，评价材料综合防护能力，探究材料防护及失效机理；

3）开发并制备出超疏水涂料，实现设备的防护功能；

4）发表核心及以上学术论文1-2篇，至少包括SCI论文1篇；申报国家发明专利2件；

5）形成一整套工业化生产及使用技术路线。