有机硅氟/高效防污剂耦合防污涂料及其性能研究

作者 | 王萌¹，谢志鹏^1,2，李苗³，等

（1．中国船舶重工集团公司第七二五研究所厦门分部，福建 厦门，2．海洋腐蚀与防护重点实验室，山东 青岛，3.中科信工程咨询（北京）有限责任公司，北京）

海洋环境下船体底部易发生海生物附着，会使船体增重、摩擦阻力增大，导致航速降低、能耗增加，缩短船舶维修间隔，不仅浪费资源，而且带来极大的安全隐患。目前，防止海生物附着最常用的方法是涂装防污涂料，传统防污涂料中含有机锡、氧化亚铜等防污剂，通过防污剂释放毒杀海生物，进而防止海生物附着。但是，传统防污涂料持续释放大量防污剂等毒性物质，会在海生物体内不断聚集而破坏海洋环境，威胁生物链及人类健康，因而传统防污涂料被逐步禁用或限制使用。

污损释放型防污涂料是一种对海洋环境无污染的新型防污涂料，主要选用有机硅或有机氟系列树脂，依靠树脂的低表面能特性抑制海生物附着，或即使海生物附着也不牢固，当航行速度较大或受冲刷作用时海生物即可脱落，从而起到防污效果。本文采用有机硅树脂作为基料树脂以提供低表面能特性，复配含氟物质，进一步降低表面能，并优选有机高效环保型防污剂增强防污效果，通过少量有机高效防污剂与低表面能树脂耦合进行高效环保防污，制得的有机硅氟/高效防污剂耦合污损释放型防污涂料具有低毒无害、防污性能良好的优点，在船舶及海工设备方面具有广阔的应用前景。

1、实验部分

1.1 涂料制备

防污涂料由甲、乙双组分组成，甲组分由有机硅树脂、含氟物质、有机高效防污剂、纳米SiO₂、颜填料和溶剂等组成，乙组分由固化剂、溶剂等组成。

甲组分制备过程：将有机硅树脂、含氟物质、有机高效防污剂、纳米SiO₂、颜填料和溶剂等按比例混合，采用冷却水冷却，高速分散1h，再进行砂磨高速分散1h，充分分散均匀、涂料细度低于80μm即可出料。

乙组分制备过程：将固化剂、溶剂等按比例混合，高速分散1 h，充分分散均匀即可出料。

使用前，将甲、乙组分按一定比例配比，搅拌均匀，熟化后，即可涂装使用。

2、结果与讨论

2.1 有机硅树脂黏度对涂料性能的影响

2.1.1 有机硅树脂黏度对涂层接触角的影响

分别测试有机硅树脂不同黏度（2800cp、3900cp、5000cp、7500cp、10000cp）时涂层表面接触角，考察有机硅树脂不同黏度对涂层表面接触角的影响。如图1所示，涂层接触角随着有机硅树脂黏度的增加而增加，即涂层表面能随有机硅树脂黏度的增加而降低，当有机硅树脂黏度由5000cp增加到10000cp，接触角增加不明显，即表面能变化不大。

图1 有机硅树脂不同黏度对涂层表面接触角的影响

图2 有机硅树脂涂层表面接触角测试照片

2.1.2 有机硅树脂黏度对弹性模量的影响

分别测试有机硅树脂不同黏度（2800cp、3900cp、5000cp、7500cp、10000cp）时涂层弹性模量，考察有机硅树脂不同黏度对涂层弹性模量的影响。如图3所示，涂层弹性模量随着有机硅树脂黏度的增加而增加，当有机硅树脂黏度由5000cp增加到10000cp，弹性模量增加较多。

图3 有机硅树脂不同黏度对弹性模量的影响

2.1.3 有机硅树脂黏度对拉伸强度的影响

分别测试有机硅树脂不同黏度（2800cp、3900cp、5000cp、7500cp、10000cp）时树脂拉伸强度，考察有机硅树脂不同黏度对树脂拉伸强度的影响。如图4所示，涂层树脂拉伸强度随着有机硅树脂黏度的增加而增加，当有机硅树脂黏度由5000cp增加到10000cp，涂料树脂的拉伸强度增加不明显。

图4 有机硅树脂不同黏度对拉伸强度的影响

综上，有机硅树脂黏度为5000cp时，具有较低的表面能和弹性模量，且拉伸强度较大，可满足污损释放型防污涂料对树脂基本物理性能的要求。

2.2 含氟物质对涂料防污性能的影响

分别制备0%、2%、4%、6%含氟物质添加量的防污涂层样板，考察含氟物质不同添加量对防污性能的影响。通过在厦门海域开展挂板试验验证，经4个月实海浸泡后，试验结果如表1和图5所示。

表1 含氟物质不同添加量实海防污情况

图5 含氟物质不同添加量浅海浸泡照片

由浅海浸泡4个月结果可知，不添加含氟物质的涂层附着大量的藤壶和苔藓虫等，已失效，含氟物质添加量为4%时防污效果较好，仅附着藻类，面积约为12%。

2.3 有机高效防污剂对涂料防污性能的影响

海生物种类众多，仅靠有机硅/氟树脂的低表面能特性进行防污是不足的，故在涂料中设计添加有机高效防污剂。

分别制备0%、1%、2%、3%有机高效防污剂添加量的防污涂层样板，考察防污剂不同添加量对防污性能的影响。通过在厦门海域开展挂板试验验证，经4个月实海浸泡后，试验结果如表2和图6所示。

表2 防污剂不同添加量实海防污情况

图6 防污剂不同添加量浅海浸泡照片

由浅海浸泡4个月结果可知，不添加防污剂的涂层附着大量的藤壶和苔藓虫等，已失效。防污剂添加量为2%时，防污效果较好，附着藻类，面积约为5%，

涂层表面接触角无明显变化，在保证涂层低表面能特性的同时，能够提供足够的防污活性，通过有机硅/氟的低表面能和有机高效防污剂协同提高防污效果，实现耦合防污，具有最优的防污性能。

2.4 氧化硅对涂料性能的影响

有机硅树脂具有力学强度低的缺点，添加纳米SiO₂可提高其力学强度，同时，纳米SiO₂具有小粒径和大比表面积特性，可与涂料中其他微米级颜填料结合形成纳米孔道和微-纳阶层结构，增强涂料表面疏水性。

分别测试纳米SiO₂不同添加量（2%、4%、6%、8%）时树脂拉伸强度，考察纳米SiO₂不同添加量对树脂拉伸强度的影响。如图7所示，涂层树脂拉伸强度随着纳米SiO₂添加量的增加而增加。

图7 纳米SiO₂不同添加量对拉伸强度的影响

分别制备2%、4%、6%、8%纳米SiO₂添加量的防污涂层样板，考察纳米SiO₂不同添加量对防污性能的影响。通过在厦门海域开展挂板试验验证，经4个月实海浸泡后，试验结果如表3和图8所示。

表3纳米SiO₂不同添加量实海防污情况

图8 纳米SiO₂不同添加量浅海浸泡照片

由浅海浸泡4个月结果可知，纳米SiO₂添加量为6%时，防污效果最优，且涂层树脂拉伸强度较高。

基于上述涂料中主要组分及添加量的研究，涂料配方设计甲组分：5000cp有机硅树脂、含氟物质4%、有机高效防污剂2%、纳米氧化硅6%、颜填料和溶剂等；乙组分：固化剂和溶剂等。

2.5 涂料的实海防污性能考核

在中国船舶工业厦门检测站进行浅海浸泡试验，浅海浸泡12个月，如图9所示。涂层表面无海生物附着，涂层试验样板表面无起泡、无开裂、无脱落，涂层综合防污性能评分≥85分。实验结果表明，有机硅氟/高效防污剂耦合污损释放型防污涂料具有良好的实海防污效果。

图9防污涂料浅海挂板12个月照片

2.6 涂料的动态模拟实验考核

在中国船舶工业厦门检测站进行动态模拟实验，涂层样板在试验浮筏进行浅海浸泡一个月，检查涂层试样表面污损附着情况；然后将涂层样板安装在动态试验装置上，样板表面线速度为33km/h，运转200h，以此为动态模拟实验一个周期。经过动态模拟实验3周期，如图10所示。

涂层表面无海生物附着，涂层试验样板表面无起泡、无开裂、无脱落，涂层综合防污性能评分≥85分。动态实验结果表明，有机硅氟/高效防污剂耦合污损释放型防污涂料具有良好的实海动态防污效果。

图10防污涂料动态模拟实验3周期照片

3、结 语

（1）以5000cp有机硅树脂为基料树脂，复配4%含氟物质，添加2%有机高效防污剂，添加6%纳米SiO₂，可制得有机硅/氟高效防污剂耦合的污损释放型防污涂料，并具有良好的物理性能和防污性能。

（2）有机硅氟/高效防污剂耦合污损释放型防污涂料，经浅海浸泡试验12个月，涂层表面无海生物附着，无起泡、无开裂、无脱落，涂层综合防污性能评分≥85分；经动态模拟实验3周期，涂层表面无海生物附着，无起泡、无开裂、无脱落，涂层综合防污性能评分≥85分，具有优良的实海防污性能。

（3）污损释放型防污涂料对涂层表面状态要求较高，故需对其涂装施工工艺开展进一步研究，为其广泛应用奠定基础。

参考文献（略）