低表面能有机硅海洋防污涂层

海洋生物污损是指海洋中的藻类、藤壶等生物在水下物体表面附着并生长的一种污损现象,多指海洋船体的污损,在跨海大桥、养殖网箱等领域也有极大的影响。治理海洋生物污损需要消耗大量能源,不利于全球“达峰、碳中和”目标的达成。据统计,每年海洋生物污损导致的经济损失超过150亿美元。因此,开发绿色环保、长久高效的防污涂层迫在眉睫。 

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图:每年海洋生物污损导致的经济损失超过150亿美元

防污技术

防污技术有很多种,传统的是添加防污剂,比如通过释放诸如三丁基锡等有毒物质杀死附着的生物来达到防污目的,但2008年起国际上已经全面禁用有机锡类防污涂层的使用,后期开发了氧化亚铜等无锡防污剂,防污效果一般,并且对海洋生态仍有不可忽视的影响。目前的发展趋势是利用低表面能的防污涂料以及仿生防污涂料,其中仿生防污的灵感来自大自然,利用了微纳结构和天然防污剂,在提取技术、制备工艺、大规模生产方面仍有众多问题等待解决。比较现实的技术是开发基于低表面能的防污涂料,有机硅和有机氟树脂是低表面能防污涂料的关键,其中有机硅树脂的应用相对成熟。

防污机理

低表面能的涂层可以使海洋生物与涂层的润湿性差,使之不能附着或者附着不牢。另外,涂层的弹性模量要低,提高附着后的脱落几率。其防污效果受到海洋环境的影响较小,不添加防污剂,防污周期较长。表面能是影响防污性能的关键因素,一般在25mJ/m2时,性能达到最优。弹性模量影响着污损生物的脱落模式,弹性模量低对应着耗能较低的剥离方式,而一旦弹性模量高,则高能的剪切方式占主导。聚二甲基硅氧烷虽然不是表面能最低的,但其弹性模量远远低于其它材料,使其在对污损生物的相对附着力最低。低表面能涂料与物体表面的附着力也较小,因此需要引入中间活性层来增加涂层与基材的附着力。另外,低表面能涂层表面的光滑性也影响污损生物的附着,涂层表面的微孔和缺陷利于污损生物绕过低表面能而通过机械锚定的方式进行附着,添加硅油可以一定程度上改善涂层表面的光滑程度,另外低表面能涂料的涂装工艺也很重要。

典型产品包括International Paint的Intersleek系列产品;Kansai的Captain Biox系列产品;Chugoku的Seajet 2000;Sigma的Sigmaglide;Hempel的Hempasil SP-EED 77100等。

存在问题

有机硅防污涂料的低表面能特性也使其与基材的附着力较差,另外对涂层表面的要求较严格,涂装有一定难度。有机硅的弹性模量低,但机械强度较差,容易在复杂海洋环境中失去涂层表面结构,导致防污性能下降,而水下螺旋桨等部件对涂层力学性能的要求更加严苛。对低速船舶的防污性能较差,即静态防污能力一般,并且对硅藻和细菌组成的黏液层的防污性能不佳。海洋生物种类繁多,需要对各种不同污损生物与涂层表面的附着性能作更加系统化的研究。



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