钛纳米绿色防腐涂料产业化和标准化.docx

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钛纳米绿色防腐涂料产业化和标准化

钛纳米绿色防腐涂料产业化和标准化

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  1、　　项目目标与任务需求分析

  本项目把二氧化钛纳米粉末和绿色环保型防腐涂料的开发与应用结合在一起，目标与任务其一为解决二氧化钛纳米粉末在表面改性、产品质量稳定性、色浆的分散和制作、性能检验等方面的关键技术问题，为中国国内二氧化钛纳米粉末在绿色环保型涂料中的产业化和标准化应用建立基础；其二为解决发展高固体含量、低有机溶剂或100%固体含量高技术防腐涂料在涂料配方、生产工艺、施工技术、性能检验等方面的关键技术问题，利用中国国内二氧化钛原料丰富、制作相对成本较低等优势，以无溶剂环氧树脂和无溶剂聚氨酯高技术涂料为主导方向，用二氧化钛纳米粉末来提高涂料的防腐和其它物化性能，使中国国内新一代高性能绿色环保型防腐涂料技术得以产业化和标准化。

  2、项目主要技术难点和重点

  纳米二氧化钛作为涂料的重要助剂之一，它的开发与应用为涂料的发展注入了新的活力，可利用其各种特殊效应来提高涂料的多方面性能，所配制的功能性涂料和综合性能优异的高档涂料以满足现代工业发展的需要，这对涂料的发展起着十分重要的推进作用。

尤其是纳米二氧化钛的光催化、紫外屏蔽和随角异色效应已成为国内外研究的热点，它们在抗菌杀毒涂料、耐老化涂料及汽车面漆中应用均取得了不错的成绩。

目前，国内对于纳米二氧化钛的研究还处于实验性阶段，由于纳米二氧化钛其自身的强极性和颗粒的微细化而直接影响实际的使用性能，为获得具有优越性能的纳米二氧化钛，对其改性方法的研究和新功能的开发非常重要。

另一方面，国内纳米二氧化钛主要用于高溶剂型涂料或者水性涂料上，在高固体含量、低有机溶剂或100%固体含量绿色环保型高技术防腐涂料的应用几乎是空白，用于低有机溶剂含量涂料配方中的纳米二氧化钛粉末在表面改性、产品质量稳定性、色浆的分散和制作、性能检验方法与标准等方面涉及到许多关键技术难点，有待进一步研究，使它不仅能更好地提高和完善涂料的综合性能，且在机理、工艺、技术成熟的基础上可逐渐实现产业化和标准化。

  当今涂料工业的发展体现了以下几个特点：

由于传统涂料工业使用挥发性有机溶剂对环境带来的污染，减少挥发性有机溶剂成为未来的发展方向之一；出于对使用者安全的考虑，含有较多有毒物质的涂料品种将逐步减少直至淘汰；为追求高性能高品质，发展高固体含量直至100%固体含量的防腐涂料成为涂料工业发展的目标。

基于以上几方面的考虑，近年来开发了多种符合时代发展要求的新型涂料技术，主要有以下几类：

第一类是以水作为溶剂或载体的水溶性涂料技术，这类技术在最近十年发展很快，但防腐性能仍然有一定差距，因此目前只用于对防腐性能要求不高的基体；第二类是粉末涂料，此项技术在八十年代曾经经历了一个高速发展过程，但该涂料仅仅局限用于金属基体，施工设备比较复杂，不适合现场施工，使得它目前在涂料工业市场占有率较低；第三类是高固体含量、低有机溶剂或100%固体含量的涂层技术，这类技术是世界涂料工业的发展方向，这类涂料在涂料市场上占主导地位，其中主要是环氧树脂和聚氨酯涂料。

中国近年来也开展了这些方面的研究和开发，但现在开发成功的只是低端无溶剂环氧树脂、弹性聚氨酯和聚脲弹性体等技术，相当于国外开发初期的水平。

近些年来中国国内也陆续在中石油大港油田港沧输气管线、陕京二线管线工程、天津自来水公司定向顶管工程、中石油新疆克拉玛依油田和中石化茂名石化储罐、崇明岛造船基地海桩、西气东输二线等重防腐工程中采用了从国外进口的无溶剂结构性聚氨酯和环氧树脂防腐涂料的一些产品技术，取得了很好的效果。

但由于价格偏高，推广难度较大，同时这些年来国外在他们初期的产品技术上又有更新。

根据中国国内防腐界使用单位反馈的信息，开发一种性能相当、价格合理的防腐涂料势在必行。

鉴于国内在新一代无溶剂结构性聚氨酯和环氧树脂防腐涂层技术方面的空白，研究、开发和推广我们有自主的、符合世界工业涂料发展方向的无溶剂结构性聚氨酯防腐涂层技术有着广阔的前景，但涉及到在涂料配方、生产工艺、施工技术、性能检验等方面的许多关键技术问题和难点。

  3、国内外现有技术、知识产权和技术标准现状及预期分析

  纳米材料是指颗粒粒径在1-100纳米之间,并且具有特殊物理化学性能的材料,广义的纳米材料包括在三维结构中有一维的长度在1-100纳米之间或者具有纳米结构的材料。

纳米材料具有很多神奇的功能，如界面效益、小尺寸效应、宏观量子效应、光催化效应等。

纳米材料应用于涂料，主要是提高涂料的装饰性、防腐蚀性，尤其是赋予涂料各种各样的功能性和特殊性能。

  国外情况：

  光催化涂料：

采用纳米二氧化钛进行光催化是一项正在蓬勃兴起的新型空气净化技术。

它能直接利用包括太阳光在内的各种途径的紫外光．在室温下对各种有机的或无机的污染物进行分解或氧化，达到从空气中清除这些污染物的效果。

该项技术具有能耗低、易操作、除净度高等特点。

尤其对一些特殊的污染物具有比其他方法更突出的去除效果，而且没有二次污染，因此具有广泛的应用前景。

在当今世界性的环境污染问题越来越受到各国政府重视的情况下，这种技术已经成为西方各国高科技竞争中的一个热点。

目前，在光催化技术的理论研究方面，日本、美国、德国均投入巨资开展研究与开发工作，并大力推动其产业化，其中纳米光催化涂料已经用于医院、隧道、隔音墙和住宅等，其他应用光催化技术的产品还有数十种。

在日本，大批公司正在这个新兴的技术领域进行角逐。

其中最突出的品牌是ARC-FLASH光触媒。

为日本光触媒涂料第一品牌，其功能受日本厚生省实验证明，效果获日本国土交通省认可，杀菌、脱臭、自净、防霉，可有效防止各种疾病的传染，杀菌率高达99．99％，迅速消除空气中令人不适的气味，除臭率高达99．8％。

该类涂料可以用于各种场合的室内污染的治理且效果突出。

  欧洲科学家已研制出能协助清除汽车所排放的包括氧化氮在内的废气的生态涂料，氧化氮气体是会形成烟雾和引发人类呼吸道疾病的污染源。

据悉，当生态涂料涂在建筑物表面后，能吸附和消除氧化氮气体，这种作用长达5年，直到其神奇功能耗竭为止。

生态涂料的神奇奠基在直径仅20纳米的光触媒二氧化钛和碳酸钙微粒上，它与聚硅氧烷树脂混合而产生作用。

由于微粒非常细小，这种涂料是清澈透明的，能添加各种颜料调成想要的颜色。

聚硅氧烷具有相当多的细孔，能让氧化氮气体通过后被吸附在二氧化钛微粒上。

二氧化钛微粒吸收太阳光中的紫外线，利用其能量产生化学反应将氧化氮气体转化成硝酸，再利用碱性的碳酸钙予以中和。

如此一来仅会释出“无害”的二氧化碳、水和硝酸钙。

这些副产品将被雨水等冲刷流失。

  纳米复合建筑涂料：

在德国等一些西方国家，纳米复合建筑涂料已广泛应用于内墙涂料。

韩国ANP公司已开发成了高性能复合纳米复合乳胶漆。

中国纳米材料复合乳胶漆的技术水平居世界水平前列。

纳米涂料已被认定为北京奥运村建筑工程的专用产品，展示出该涂料在建筑领域里的应用价值。

  纳米改性内墙涂料，实际上是高级的卫生型涂料，适合于家庭、医院、宾馆和学校的涂装。

纳米改性外墙涂料，利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理，较低的表面张力。

具有高强的附着力。

漆膜硬度高且有韧性。

优良的自洁功能。

强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力，疏水性极佳，容易清洗污物等性能。

耐洗性大于15000次，具有良好的保光保色性能，抗紫外线能力极强，使用寿命达15年以上。

颗粒径细小，能深入墙体，与墙面的硅酸盐类物质配位反应，使其牢牢结合成一体，附着力强，不起皮，不剥落，抗老化。

  纳米抗冻性功能涂料，除具备纳米型涂料各种优良性之外，可在-10~（2到-25~（2之内正常施工。

突破了建筑涂料要求墙体湿度在10％以下的规定，使建筑行业施工缩短了工期，提高了功效，又创造出高质量，一举三得，所以备受建筑施工单位的欢迎。

  透明耐磨涂料：

NanophaseTechnologies公司将自己的纳米材料产品NanoTek氧化铝与透明清漆混合．制得的涂料能大大提高涂层的硬度、耐划伤性及耐磨性。

应用此涂料比传统的涂料耐磨性提高24倍。

涂膜性能如此大的提高主要归功于纳米氧化铝材料是非常硬的圆球物质．纳米尺寸的颗粒比传统的涂料添加剂使涂覆的表面更加均一。

耐磨涂料可以制成水性或溶剂型．含有纳米氧化铝的透明涂料可广泛应用于透明塑料、高抛光的金属表面及木材和别的平板材料的表面，提高耐磨性和使用寿命。

  美国TritonSystem公司生产的NanoTufCoatings透明超耐磨纳米涂料，把有机改性的纳米瓷土加入到聚合物树脂基中制得，是传统耐磨涂料的4倍。

这种耐磨涂料还具有隔热功能和优异的耐化学性能，可用作头盔的护目镜、飞机座舱盖和玻璃，轿车玻璃和建筑物玻璃等的保护涂层。

SDCCoatings公司直接将纳米SiO及纳米金属氧化物溶胶用于耐磨透明涂料SILVUE系列产品，这种涂料还可以防紫外光和防雾化，已成功用于汽车、飞机、建筑物等的玻璃窗及其他透明度和耐磨性要求高、环境苛刻的场所。

  防腐耐磨涂料：

自1993年来，加拿大Madison化学公司和GL奇力科技公司利用纳米材料进一步改善了他们原有安全环保、双组分、快速自然固化、高附着力、耐湿气的100%固体含量无溶剂刚性和结构性聚氨酯涂料系列产品。

100%固体含量和结构性刚性聚氨酯防腐涂层固化快，附着力强，可低温固化，可一次连续涂装任意膜厚，设备简单，涂装作业快速便捷，喷涂效率高，符合有机挥发物排放的严格规定，该涂层技术施工程序简单，即可保证施工质量，又可提高防腐性能、附着力、抗磨性，延长使用寿命，施工过程安全环保。

特别适合用于进行油气管道现场维修，尤其是在环境条件恶劣，其它目前使用的防腐涂层技术无法要求的情况下，更体现出该涂层的技术优势。

100%固体含量刚性和结构性聚氨酯防腐涂层技术在世界各地已经有三十多年来的成功应用史，在北美被广泛用于管道、储罐、饮用水和市政工业污水系统、船舶、油气工业系统、汽车等的防腐。

加入纳米材料之后，100%固体含量刚性和结构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。

  国内情况：

  攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司新材料分公司，是攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司的新材料中试基地、并依托其技术力量将科技成果转化为产品的一个科技型企业，主导产品为纳米二氧化钛粉体材料。

攀枝花钢铁研究院生产的纳米二氧化钛粉末：

锐钛型纳米二氧化钛PGNA20-13：

表面采用铝包膜处理可以用于陶瓷、涂料、以及功能性材料的原料；金红石型纳米二氧化钛PGNR20-104：

采用硅铝复合致密无机包膜，粉体没有经过有机处理，用户可以根据自己的需要进行处理和使用。

  2002-2004年大庆石化公司自主研发的冷却器钛纳米涂料防腐技术喜获中国工业防腐蚀技术协会科技进步二等奖。

经专家鉴定，该项技术可大大延长设备寿命，降低成本和提高利润增长率。

针对油气系统水冷器、冷凝器管束腐蚀及结垢比较严重，第一代热固性环氧氨基涂料成本过高的实际，大庆石化防腐技术人员大胆提出将钛纳米聚合物涂料应用到管束防腐的构想。

该技术不但大大降低油气系统运行成本，而且对化工设备的腐蚀与防护技术产生了积极的推动作用。

  中国科学院金属研究所材料环境腐蚀研究中心纳米复合涂料课题组针对海洋工程设施和船舶压载舱防腐蚀难题研制的防护涂料，已成功应用于大连滨海路北大桥钢结构的表面维修工程及有关海洋设施防腐工程的示范项目中，提高了海洋工程设施和船舶的使用寿命和安全性，降低了维修费用。

  据统计，我国每年因腐蚀造成的直接经济损失达1万亿元，其中海洋腐蚀损失至少占1/3。

而在海洋腐蚀环境的五个腐蚀区带中，浪花飞溅区又是腐蚀最为严重的区域。

承担国家科技支撑计划课题“新建海洋钢结构防腐蚀技术及工程示范”的中科院金属研究所，将目标锁定在了浪花飞溅区的腐蚀防护涂层上。

为了获得高性能耐海洋大气与浪花飞溅的腐蚀防护涂层，课题组制备了固含量为55%、黏度小于500MPa·s的纳米氧化锌浓缩浆，并以此研制出纳米复合聚氨酯面漆、纳米复合环氧玻璃鳞片中间漆、纳米复合环氧富锌底漆。

实验表明，纳米氧化锌浓缩浆可显著改进涂层的耐盐雾性能和耐候性。

涂层经6000小时盐雾实验后，不起泡、不脱落、底材不锈蚀。

青岛浪花飞溅区挂片1年暴露试验结果显示，所有纳米复合聚氨酯涂层试样表面均没有发生开裂、起泡、剥落、粉化等破坏现象，耐候性优于国外品牌聚氨酯涂层。

而普通涂料在海洋环境中，使用不到半年就会开裂、脱落。

防腐蚀涂料的性能决定了压载舱的使用寿命。

针对压载舱等严酷海水腐蚀环境的防护问题，课题组研究了超短玻璃纤维对环氧涂层的力学和耐腐蚀性能影响，研制出含超短玻璃纤维的新型环氧富锌涂料，该涂料具有良好的附着力、冲击强度和耐腐蚀性能。

另外，课题组研究了添加环保型防锈颜料Ferrinov-100铁酸盐和ZP10磷酸锌的防锈效果。

试验表明，涂层中添加这两种防锈颜料均能够起到防锈效果。

经模拟压载舱实验装置的模拟环境考核，研制的纳米复合环氧压载舱漆完全达到《船舶压载舱漆》国家标准的要求。

2011年，课题组与大连裕祥科技集团有限公司一起在1000m3自航开体泥驳船上完成了3500m2的压载舱涂装工程。

  4、申报单位及主要参与单位研究基础

  武汉昊夫科技有限公司于2014年在湖北武汉注册成立。

主要从事100%固含量结构性聚氨酯新材料系列产品的研发、生产、销售及防腐蚀工程施工。

公司现有研发及管理团队近50人，其中博士7名，研究生19名，高层管理人员学历均在本科以上，公司首席科学家管世伟博士为国际知名的重防腐技术专家，担任美国NACE国际腐蚀工程师协会管道防腐技术委员会的主席、美国AWWA水工协会标准技术委员会成员和英国《防腐材料与方法》杂志编辑咨询委员会委员，是国际上管道防腐涂层技术、百分之百固含量重防腐新材料技术尤其是聚氨酯新材料技术方面的领军人物。

管世伟博士领衔的研发团队是武汉昊夫科技有限公司技术研发的核心力量，在先进的高分子材料交联聚合理论和生产工艺的基础上不断创新，利用包括纳米材料和电化学阻抗谱仪等在内的先进材料及检验技术，开发出了性能优异、工艺先进、拥有自主知识产权的100%固含量结构性聚氨酯新材料及涂层新技术，并致力于为各种类型的基础设施的腐蚀防护提供全面的解决方案。

该技术主要应用于各种工业领域，包括燃料贮藏罐、管道、废水及饮水、运输、发电与电力、市政工程、海洋船舶等防腐蚀领域，并已拓展至农业等其他领域。

2013年度武汉昊夫科技有限公司的“100%固含量结构性聚氨酯防腐涂料技术国产化和应用”项目被中国工业防腐蚀技术协会授予年度科学技术奖。

  5、研究内容、技术路线和创新点

  一．纳米二氧化钛粉末的选择和色浆分散技术

  ·  用于防腐涂料的纳米二氧化钛粉末的选择、表面改性和制作技术和检验标准的建立

  ·  纳米二氧化钛粉末在低有机溶剂含量之相关树脂中的分散机理和色浆的分散和制作技术、性能检验方法与标准

  ·  纳米二氧化钛粉末色浆的产品质量稳定性和使用工艺

  二．钛纳米绿色防腐涂料的工业化生产

  ·  100%固体含量、无溶剂、含纳米二氧化钛的环氧树脂和无溶剂聚氨酯防腐涂料的涂料配方技术、生产工艺和喷涂技术

  ·  检验纳米二氧化钛对有关防腐涂料防腐性能、杀菌性能、耐磨性能和其它物化性能的影响，建立相关产品性能检验和施工标准

  三．钛纳米绿色防腐涂料的产业化和标准化

  ·  钛纳米绿色防腐涂料在饮水和污水产业的应用和技术规范标准

  ·  钛纳米绿色防腐涂料在油气、化工产业的应用和技术规范标准

  ·  钛纳米绿色防腐涂料在电力能源产业的应用和技术规范标准

  ·  钛纳米绿色防腐涂料在国防产业的应用和技术规范标准

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  6、主要技术指标及相关技术国内外专利申请和授权情况，本项目拟采取的对策

  7、预期经济、社会、环境效益

  8、项目实施中可能形成的示范基地、中试线、生产线及其规模，或对所依托的重大工程建设或重大装备研制产生的作用。

  9、人才队伍建设

  10、项目总投资预算及资金筹措方案。

  11、组织管理措施

  12、产学研结合模式

  13、知识产权与成果管理及权益分配

  14、项目风险分析及对策。

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