鈦納米綠色防腐塗料產業化和標準化

1、    項目目標與任務需求分析

本項目把二氧化鈦納米粉末和綠色環保型防腐塗料的開發與應用結合在一起，目標與任務其一為解決二氧化鈦納米粉末在表面改性、產品質量穩定性、色漿的分散和製作、性能檢驗等方面的關鍵技術問題，為中國國內二氧化鈦納米粉末在綠色環保型塗料中的產業化和標準化應用建立基礎；其二為解決發展高固體含量、低有機溶劑或100%固體含量高技術防腐塗料在塗料配方、生產工藝、施工技術、性能檢驗等方面的關鍵技術問題，利用中國國內二氧化鈦原料豐富、製作相對成本較低等優勢，以無溶劑環氧樹脂和無溶劑聚氨酯高技術塗料為主導方向，用二氧化鈦納米粉末來提高塗料的防腐和其它物化性能，使中國國內新一代高性能綠色環保型防腐塗料技術得以產業化和標準化。

2、項目主要技術難點和重點

   納米二氧化鈦作為塗料的重要助劑之一，它的開發與應用為塗料的發展注入了新的活力，可利用其各種特殊效應來提高塗料的多方面性能，所配製的功能性塗料和綜合性能優異的高檔塗料以滿足現代工業發展的需要，這對塗料的發展起着十分重要的推進作用。尤其是納米二氧化鈦的光催化、紫外屏蔽和隨角異色效應已成為國內外研究的熱點，它們在抗菌殺毒塗料、耐老化塗料及汽車面漆中應用均取得了不錯的成績。目前，國內對於納米二氧化鈦的研究還處於實驗性階段，由於納米二氧化鈦其自身的強極性和顆粒的微細化而直接影響實際的使用性能，為獲得具有優越性能的納米二氧化鈦，對其改性方法的研究和新功能的開發非常重要。另一方面，國內納米二氧化鈦主要用於高溶劑型塗料或者水性塗料上，在高固體含量、低有機溶劑或100%固體含量綠色環保型高技術防腐塗料的應用幾乎是空白，用於低有機溶劑含量塗料配方中的納米二氧化鈦粉末在表面改性、產品質量穩定性、色漿的分散和製作、性能檢驗方法與標準等方面涉及到許多關鍵技術難點，有待進一步研究，使它不僅能更好地提高和完善塗料的綜合性能，且在機理、工藝、技術成熟的基礎上可逐漸實現產業化和標準化。

當今塗料工業的發展體現了以下幾個特點：由於傳統塗料工業使用揮發性有機溶劑對環境帶來的污染，減少揮發性有機溶劑成為未來的發展方向之一；出於對使用者安全的考慮，含有較多有毒物質（如煤焦油）的塗料品種將逐步減少直至淘汰；為追求高性能高品質，發展高固體含量直至100%固體含量的防腐塗料成為塗料工業發展的目標。基於以上幾方面的考慮，近年來開發了多種符合時代發展要求的新型塗料技術，主要有以下幾類：第一類是以水作為溶劑或載體的水溶性塗料技術，這類技術在最近十年發展很快，但防腐性能仍然有一定差距，因此目前只用於對防腐性能要求不高的基體；第二類是粉末塗料，此項技術在八十年代曾經經歷了一個高速發展過程，但該塗料僅僅侷限用於金屬基體，施工設備比較複雜，不適合現場施工，使得它目前在塗料工業市場佔有率較低；第三類是高固體含量、低有機溶劑或100%固體含量的塗層技術，這類技術是世界塗料工業的發展方向，這類塗料在塗料市場上占主導地位，其中主要是環氧樹脂和聚氨酯塗料。中國近年來也開展了這些方面的研究和開發，但現在開發成功的只是低端無溶劑環氧樹脂、彈性聚氨酯和聚脲彈性體等技術，相當於國外開發初期的水平。近些年來中國國內也陸續在中石油大港油田港滄輸氣管線、陝京二線管線工程、天津自來水公司定向頂管工程、中石油新疆克拉瑪依油田和中石化茂名石化儲罐、崇明島造船基地海樁、西氣東輸二線等重防腐工程中採用了從國外進口的無溶劑結構性聚氨酯和環氧樹脂防腐塗料的一些產品技術，取得了很好的效果。但由於價格偏高，推廣難度較大，同時這些年來國外在他們初期的產品技術上又有更新。根據中國國內防腐界使用單位反饋的信息，開發一種性能相當、價格合理的防腐塗料勢在必行。鑑於國內在新一代無溶劑結構性聚氨酯和環氧樹脂防腐塗層技術方面的空白，研究、開發和推廣我們有自主的、符合世界工業塗料發展方向的無溶劑結構性聚氨酯防腐塗層技術有着廣闊的前景， 但涉及到在塗料配方、生產工藝、施工技術、性能檢驗等方面的許多關鍵技術問題和難點。

3、國內外現有技術、知識產權和技術標準現狀及預期分析

納米材料是指顆粒粒徑在1-100納米之間,並且具有特殊物理化學性能的材料,廣義的納米材料包括在三維結構中有一維的長度在1-100納米之間或者具有納米結構的材料。納米材料具有很多神奇的功能，如界面效益、小尺寸效應、宏觀量子效應、光催化效應等。納米材料應用於塗料，主要是提高塗料的裝飾性、防腐蝕性，尤其是賦予塗料各種各樣的功能性和特殊性能。

國外情況：

光催化塗料：採用納米二氧化鈦進行光催化是一項正在蓬勃興起的新型空氣淨化技術。它能直接利用包括太陽光在內的各種途徑的紫外光．在室温下對各種有機的或無機的污染物進行分解或氧化，達到從空氣中清除這些污染物的效果。該項技術具有能耗低、易操作、除淨度高等特點。尤其對一些特殊的污染物具有比其他方法更突出的去除效果，而且沒有二次污染，因此具有廣泛的應用前景。在當今世界性的環境污染問題越來越受到各國政府重視的情況下，這種技術已經成為西方各國高科技競爭中的一個熱點。目前，在光催化技術的理論研究方面，日本、美國、德國均投入巨資開展研究與開發工作，並大力推動其產業化，其中納米光催化塗料已經用於醫院、隧道、隔音牆和住宅等，其他應用光催化技術的產品還有數十種。在日本，大批公司正在這個新興的技術領域進行角逐。其中最突出的品牌是ARC-FLASH光觸媒。為日本光觸媒塗料第一品牌，其功能受日本厚生省實驗證明，效果獲日本國土交通省認可，殺菌、脱臭、自淨、防黴，可有效防止各種疾病的傳染，殺菌率高達99．99％，迅速消除空氣中令人不適的氣味，除臭率高達99．8％。該類塗料可以用於各種場合的室內污染的治理且效果突出。

歐洲科學家已研製出能協助清除汽車所排放的包括氧化氮在內的廢氣的生態塗料，氧化氮氣體是會形成煙霧和引發人類呼吸道疾病的污染源。據悉，當生態塗料塗在建築物表面後，能吸附和消除氧化氮氣體，這種作用長達5年，直到其神奇功能耗竭為止。生態塗料的神奇奠基在直徑僅20納米的光觸媒二氧化鈦和碳酸鈣微粒上，它與聚硅氧烷樹脂混合而產生作用。由於微粒非常細小，這種塗料是清澈透明的，能添加各種顏料調成想要的顏色。聚硅氧烷具有相當多的細孔，能讓氧化氮氣體通過後被吸附在二氧化鈦微粒上。二氧化鈦微粒吸收太陽光中的紫外線，利用其能量產生化學反應將氧化氮氣體轉化成硝酸，再利用鹼性的碳酸鈣予以中和。如此一來僅會釋出“無害”的二氧化碳、水和硝酸鈣。這些副產品將被雨水等沖刷流失。

納米複合建築塗料：在德國等一些西方國家，納米複合建築塗料已廣泛應用於內牆塗料。韓國ANP公司已開發成了高性能複合納米複合乳膠漆。中國納米材料複合乳膠漆的技術水平居世界水平前列。納米塗料已被認定為北京奧運村建築工程的專用產品，展示出該塗料在建築領域裏的應用價值。

納米改性內牆塗料，實際上是高級的衞生型塗料，適合於家庭、醫院、賓館和學校的塗裝。納米改性外牆塗料，利用納米材料二元協同的荷葉雙疏機理，較低的表面張力。具有高強的附着力。漆膜硬度高且有韌性。優良的自潔功能。強勁的抗粉塵和抗髒物的粘附能力，疏水性極佳，容易清洗污物等性能。耐洗性大於15000次，具有良好的保光保色性能，抗紫外線能力極強，使用壽命達15年以上。顆粒徑細小，能深入牆體，與牆面的硅酸鹽類物質配位反應，使其牢牢結合成一體，附着力強，不起皮，不剝落，抗老化。

納米抗凍性功能塗料，除具備納米型塗料各種優良性之外，可在-10~(2到-25~(2之內正常施工。突破了建築塗料要求牆體濕度在10％以下的規定，使建築行業施工縮短了工期，提高了功效，又創造出高質量，一舉三得，所以備受建築施工單位的歡迎。

透明耐磨塗料：Nanophase Technologies公司將自己的納米材料產品NanoTek氧化鋁與透明清漆混合．製得的塗料能大大提高塗層的硬度、耐劃傷性及耐磨性。應用此塗料比傳統的塗料耐磨性提高24倍。塗膜性能如此大的提高主要歸功於納米氧化鋁材料是非常硬的圓球物質．納米尺寸的顆粒比傳統的塗料添加劑使塗覆的表面更加均一。耐磨塗料可以製成水性或溶劑型．含有納米氧化鋁的透明塗料可廣泛應用於透明塑料、高拋光的金屬表面及木材和別的平板材料的表面，提高耐磨性和使用壽命。

美國TritonSystem公司生產的NanoTufCoatings透明超耐磨納米塗料，把有機改性的納米瓷土加入到聚合物樹脂基中製得，是傳統耐磨塗料的4倍。這種耐磨塗料還具有隔熱功能和優異的耐化學性能，可用作頭盔的護目鏡、飛機座艙蓋和玻璃，轎車玻璃和建築物玻璃等的保護塗層。SDC Coatings公司直接將納米SiO及納米金屬氧化物溶膠用於耐磨透明塗料SILVUE系列產品，這種塗料還可以防紫外光和防霧化，已成功用於汽車、飛機、建築物等的玻璃窗及其他透明度和耐磨性要求高、環境苛刻的場所。

防腐耐磨塗料：自1993年來，加拿大Madison化學公司和GL 奇力科技公司利用納米材料進一步改善了他們原有安全環保、雙組分、快速自然固化、高附着力、耐濕氣的100%固體含量無溶劑剛性和結構性聚氨酯塗料系列產品。100%固體含量和結構性剛性聚氨酯防腐塗層固化快（3-5分鐘表幹），附着力強，可低温固化（環境温度高於-40℃就可施工），可一次連續塗裝任意膜厚，設備簡單，塗裝作業快速便捷，噴塗效率高，符合有機揮發物排放的嚴格規定，該塗層技術施工程序簡單，即可保證施工質量，又可提高防腐性能、附着力、抗磨性，延長使用壽命，施工過程安全環保。特別適合用於進行油氣管道現場維修，尤其是在環境條件惡劣，其它目前使用的防腐塗層技術無法要求的情況下，更體現出該塗層的技術優勢。100%固體含量剛性和結構性聚氨酯防腐塗層技術在世界各地已經有三十多年來的成功應用史，在北美被廣泛用於管道、儲罐、飲用水和市政工業污水系統、船舶、油氣工業系統、汽車等的防腐。加入納米材料之後，100%固體含量剛性和結構性聚氨酯防腐的防腐、耐磨和耐候性等得到更多改善，其中耐磨性可以提高到4-5倍。

國內情況：

    攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司新材料分公司，是攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司的新材料中試基地、並依託其技術力量將科技成果轉化為產品的一個科技型企業，主導產品為納米二氧化鈦粉體材料。攀枝花鋼鐵研究院生產的納米二氧化鈦粉末：鋭鈦型納米二氧化鈦PGNA20-13：表面採用鋁包膜處理可以用於陶瓷、塗料、以及功能性材料的原料；金紅石型納米二氧化鈦PGNR20-104（通用型）：採用硅鋁複合緻密無機包膜，粉體沒有經過有機處理，用户可以根據自己的需要進行處理和使用。

2002-2004年大慶石化公司自主研發的冷卻器鈦納米塗料防腐技術喜獲中國工業防腐蝕技術協會科技進步二等獎。經專家鑑定，該項技術可大大延長設備壽命，降低成本和提高利潤增長率。針對油氣系統水冷器、冷凝器管束腐蝕及結垢比較嚴重，第一代熱固性環氧氨基塗料成本過高的實際，大慶石化防腐技術人員大膽提出將鈦納米聚合物塗料應用到管束防腐的構想。該技術不但大大降低油氣系統運行成本，而且對化工設備的腐蝕與防護技術產生了積極的推動作用。 

中國科學院金屬研究所材料環境腐蝕研究中心納米複合塗料課題組針對海洋工程設施和船舶壓載艙防腐蝕難題研製的防護塗料，已成功應用於大連濱海路北大橋鋼結構的表面維修工程及有關海洋設施防腐工程的示範項目中，提高了海洋工程設施和船舶的使用壽命和安全性，降低了維修費用。

據統計，我國每年因腐蝕造成的直接經濟損失達1萬億元，其中海洋腐蝕損失至少佔1/3。而在海洋腐蝕環境的五個腐蝕區帶中，浪花飛濺區又是腐蝕最為嚴重的區域。承擔國家科技支撐計劃課題“新建海洋鋼結構防腐蝕技術及工程示範”的中科院金屬研究所，將目標鎖定在了浪花飛濺區的腐蝕防護塗層上。為了獲得高性能耐海洋大氣與浪花飛濺的腐蝕防護塗層，課題組製備了固含量為55%、黏度小於500MPa·s的納米氧化鋅濃縮漿，並以此研製出納米複合聚氨酯面漆、納米複合環氧玻璃鱗片中間漆、納米複合環氧富鋅底漆。實驗表明，納米氧化鋅濃縮漿可顯著改進塗層的耐鹽霧性能和耐候性。塗層經6000小時鹽霧實驗後，不起泡、不脱落、底材不鏽蝕。青島浪花飛濺區掛片1年暴露試驗結果顯示，所有納米複合聚氨酯塗層試樣表面均沒有發生開裂、起泡、剝落、粉化等破壞現象，耐候性優於國外品牌聚氨酯塗層。而普通塗料在海洋環境中，使用不到半年就會開裂、脱落。防腐蝕塗料的性能決定了壓載艙的使用壽命。針對壓載艙等嚴酷海水腐蝕環境的防護問題，課題組研究了超短玻璃纖維對環氧塗層的力學和耐腐蝕性能影響，研製出含超短玻璃纖維的新型環氧富鋅塗料，該塗料具有良好的附着力、衝擊強度和耐腐蝕性能。另外，課題組研究了添加環保型防鏽顏料Ferrinov-100鐵酸鹽和ZP10磷酸鋅的防鏽效果。試驗表明，塗層中添加這兩種防鏽顏料均能夠起到防鏽效果。經模擬壓載艙實驗裝置的模擬環境考核，研製的納米複合環氧壓載艙漆完全達到《船舶壓載艙漆》國家標準的要求。2011年，課題組與大連裕祥科技集團有限公司一起在1000m3自航開體泥駁船上完成了3500m2的壓載艙塗裝工程。 

4、申報單位及主要參與單位研究基礎（已有的研究開發經歷，科技成果、科研條件與研究開發隊伍現狀等）

武漢昊夫科技有限公司於2014年在湖北武漢註冊成立。主要從事100%固含量結構性聚氨酯新材料系列產品的研發、生產、銷售及防腐蝕工程施工。公司現有研發及管理團隊近50人，其中博士7名，研究生19名，高層管理人員學歷均在本科以上，公司首席科學家管世偉博士為國際知名的重防腐技術專家，擔任美國NACE國際腐蝕工程師協會管道防腐技術委員會的主席、美國AWWA水工協會標準技術委員會成員和英國《防腐材料與方法》雜誌編輯諮詢委員會委員，是國際上管道防腐塗層技術、百分之百固含量重防腐新材料技術尤其是聚氨酯新材料技術方面的領軍人物。管世偉博士領銜的研發團隊是武漢昊夫科技有限公司技術研發的核心力量，在先進的高分子材料交聯聚合理論和生產工藝的基礎上不斷創新，利用包括納米材料和電化學阻抗譜儀等在內的先進材料及檢驗技術，開發出了性能優異、工藝先進、擁有自主知識產權的100%固含量結構性聚氨酯新材料及塗層新技術，並致力於為各種類型的基礎設施的腐蝕防護提供全面的解決方案。該技術主要應用於各種工業領域，包括燃料貯藏罐、管道、廢水及飲水、運輸、發電與電力、市政工程、海洋船舶等防腐蝕領域，並已拓展至農業等其他領域。2013年度武漢昊夫科技有限公司的“100%固含量結構性聚氨酯防腐塗料技術國產化和應用”項目被中國工業防腐蝕技術協會授予年度科學技術獎。

5、研究內容、技術路線和創新點

一．納米二氧化鈦粉末的選擇和色漿分散技術

·       用於防腐塗料的納米二氧化鈦粉末的選擇、表面改性和製作技術和檢驗標準的建立

·       納米二氧化鈦粉末在低有機溶劑含量之相關樹脂中的分散機理和色漿的分散和製作技術、性能檢驗方法與標準

·       納米二氧化鈦粉末色漿的產品質量穩定性和使用工藝

二．鈦納米綠色防腐塗料的工業化生產

·       100%固體含量、無溶劑、含納米二氧化鈦的環氧樹脂和無溶劑聚氨酯防腐塗料的塗料配方技術、生產工藝和噴塗技術

·       檢驗納米二氧化鈦對有關防腐塗料防腐性能、殺菌性能、耐磨性能和其它物化性能的影響，建立相關產品性能檢驗和施工標準

三．鈦納米綠色防腐塗料的產業化和標準化

·       鈦納米綠色防腐塗料在飲水和污水產業的應用和技術規範標準

·       鈦納米綠色防腐塗料在油氣、化工產業的應用和技術規範標準

·       鈦納米綠色防腐塗料在電力能源產業的應用和技術規範標準

·       鈦納米綠色防腐塗料在國防產業的應用和技術規範標準

·       。。。

6、主要技術指標（如形成的知識產權、技術標準、新技術、新產品、新裝置、論文專著等數量、指標及其水平，與國內外同類技術或產品的競爭分析，滿足項目所依託的重大工程建設或重大裝備研製的需求情況等）及相關技術國內外專利申請和授權情況，本項目擬採取的對策

7、預期經濟、社會、環境效益（如技術及產品應用產業化前景，在項目實施期內能夠形成的市場規模與效益，對保障國家安全、促進社會可持續發展及提升我國相關產業競爭力的作用等）

8、項目實施中可能形成的示範基地、中試線、生產線及其規模，或對所依託的重大工程建設或重大裝備研製產生的作用。

9、人才隊伍建設

10、項目總投資預算及資金籌措方案。

11、組織管理措施

12、產學研結合模式

13、知識產權與成果管理及權益分配

14、項目風險分析及對策。（全文完）