有机硅低表面能防污材料研究进展

    

    

    摘 要：海洋生物污损可以加速金属腐蚀、堵塞管道、影响水下设施正常使用，还会对养殖业造成不利影响。对于海洋防污最简单有效的措施便是为设备涂装防污涂料。传统的防污涂料在使用过程中会释放出大量有毒物质，对海洋生态环境和人类健康均有巨大威胁。随着人们环保意识增强，环境友好型防污涂料逐渐成为了研究热点。低表面能防污涂料依靠自身的低表面特性防污，不会释放有毒物质，是一类环境友好型防污涂料。本论文综述了有机硅低表面防污涂料和氟硅类低表面能防污涂料的研究进展，并进一步分析了有机硅低表面能防污涂料和传统自抛光防污涂料在实船应用方面的差别，最后探讨了有机硅低表面能防污涂料存在的问题和未来的发展趋势。

    关键词：低表面能;有机硅;海洋防污

    1 海洋生物污损的危害

    生物污损给全球的海洋运输行业、海洋勘探以及水产养殖等行业造成了巨大危害和损失，鉴于此，人们对海洋生物污损展开了长达几个世纪的研究。但由于海洋污损生物的种类十分多样化以及污损程度的不可控制性使得人们对海洋生物污损的研究进展十分缓慢，但经过大量研究发现海洋生物污损所带来的危害大致上可以归纳为三大类：

    （1）加速金属等的腐蚀。如藤壶等水生生物吸附在材料表面，可以破坏金属表面的保护层，其新陈代谢也可以改变金属附近环境的pH值，促进金属表面的离子交换，加速金属的腐蚀;（2）影响水下设施的正常使用。铺设在水中的管道由于污损生物的附着，导致管道内径变小甚至堵塞，其中阀门是最容易堵塞的地方。而像声呐等较为精密的水下设施更容易受到污损生物的影响;（3）降低水产养殖业的产量和质量。如藤壶等水生生物与牡蛎、贻贝等人工养殖的贝类生活习性相似，因此双方常常争夺环境中的营养物质，减少人工养殖贝类的数量与质量。还会堵塞渔网，减少渔获。

    2 有机硅低表面能防污涂层材料

    水凝胶是一种特殊的软材料，其三维网状结构可以包裹大量水分子，从而保持了材料的高含水性，其含水量可达95%。有机硅水凝胶防污材料作为一种新型的防污材料，兼具了低表面能有机硅材料和水凝胶材料的双重防污优势，浸入水中时，水凝胶层逐渐向外迁移形成亲水性层，其液体界面自由性能较低，这样一来海洋污损生物不易在它的表面聚集，从而表现出较好的防污能力。

    Hempel公司推出了一种有机硅聚合物防污涂料，该防污涂料中可以在有机硅涂层的表面形成亲水性水凝胶层，其表面高度亲水特性以及有机硅的低表面能特性，有效地阻止污损生物的附着，大幅提高了有机硅涂料抵抗海藻等污损生物的性能;有机硅防污漆x789900就是将低表面能有机硅酮材料和水凝胶材料以及极低含量的防污剂结合起来发展的一种新型防污漆，多重防污机制的协同作用极大的增强了该类防污涂料的防污性能。

    田澍设计了一种纳米银水凝胶/有机硅复合双网络防污涂层，将有机硅体系与纳米银水凝胶体系以互穿网络（IPN）的形式均匀、牢固地复合在一起，使涂层同时具有有机硅弹性体、水凝胶和纳米银等多重防污机制。该类有机/无机复合涂层具有良好的抗菌性和抗藻性。通过适当控制纳米银和亲水性聚合物的比例和含量可以使涂层的抗菌率达到100%;将纳米银和亲水性聚合物添加到有机硅体系中可以显著降低藻类的初始贴附量，小球藻、舟形藻在纳米银水凝胶/有机硅复合涂层表面的贴附量相比于单纯的有机硅防污涂料分别降低了70%和94%。

    3 有机硅低表面涂料与自抛光防污涂料实船防污效果比较

    机硅水凝胶除污涂料：涂装后可以在其表面形成一道超级吸水的凝胶聚合物网，使得海洋的生物无法有效的识别是否真的可以直接附着在其他的生物表面，从而有效的达到了防污的效果，同时该防污涂料还具有低表面能特性，使得污损生物在其表面附着不牢，因此在一定的船速下，水流的冲刷作用即可清除表面的污损生物。

    自抛光防污涂料：自抛光型涂料在海水“水解”、“冲蚀”等作用下，涂料表面与海水反应，基体树脂逐渐水解形成亲水性聚合物层，在海水冲刷作用下被剥落，同时露出新的防污表面，维持表面的防污剂释放浓度不变，始终保持船底的光滑，就像不断进行打磨和抛光一样。自抛光防污涂料的有效期与它的涂膜厚度成正比。

    为了进一步比较有机硅水凝胶防污涂料和传统的自抛光防污涂料在实际服役过程中的性能优劣，赵逾等人对浙江长远洋运输股份有限公司的17.6万吨级海峡型散货船进行了研究对比。ZOSCO JIAXING号使用的是有机硅水凝胶防污涂料，ZOSCO SHAOXING号使用的是水解型的自抛光防污涂料。此处选择了两条船修船前后各自的油耗数据进行比较（见表1、表2）。

    从该组数据的比较可以得出：在相近的航程下使用有机硅水凝胶涂料比使用水解型的自抛光防污涂料节省2.18%的油耗。实验证明：有机硅防御性涂料与自抛光型防污涂料相比，其不仅含有极低的防污剂，还具有低表面能的特点带来的降低航行中的摩擦阻力的性能。有机硅水凝胶防污涂料在倡导绿色环保、节能减排的大环境下有望被广泛应用。

    4 有机硅低表面能防污涂料的发展趋势

    4.1 有机硅低表面能防污涂料存在的问题

    有机硅类低表面能防污涂料具有许多的优点但它仍然重要有许多的问题有待解决。首先其对于船舶航行的速度的控制依赖性强，对于高速水道行驶的中小型货运船只有效，对长期需要停留在高速船舶运行码头或者慢速水道航行的中小型货运轮船防污效果不佳，对大中型的舶船防污效果不佳;其次它在整體船壳上的粘结强度也比较差，通常难以与整个船体的外壳表面涂层紧密结合，极易在无机物和水流的强力冲刷下造成涂层脱落。在实际的应用中，必须通过大量使用中间过渡的涂层来增强其连结的能力，因此极大的提高了其施工的难度，降低施工的效率;而且对于硅藻类生物去除效果差，即使是船只高速的行驶，硅藻类的生物也很难完全去除;最后有机硅低表面能涂料在海水的外力作用下极容易被海水破坏，且不易得到修复。

    4.2 有机硅低表面能防污涂料发展前景

    虽然合成有机硅低的表面能防污材料在使用上仍然存在许多的问题，但随着现代科技的不断进步与发展以及人类的不断努力探索，最终的研究将会彻底解决这些困难。目前来说，对于合成有机硅低表面能防污材料的研究主要地集中于：1）可以将有机聚硅氧烷与表面能更低的有机含氟聚合物通过化学或者物理方法进行结合，从而改善和提高该种类涂料的力学性能、航行阻力以及防污性能;2）通过研究和合成有机聚硅氧烷涂料和聚氨酯含氟共聚物等新型防污基体材料，来提高和改善最终涂料的力学性能，增强防污效果;3）还可以加入纳米复合水凝胶以提高低表面能材料的抗粘附性，减少微生物的附着。例如，老人牌有机硅防污漆X7 89900，以及田澍设计的一种纳米银水凝胶/有机硅复合双网络防污涂层;4）可以在低表面能材料表面接枝抗菌剂，如季铵盐（QAS）等，来增强涂料的防污效果。例如，仇春红等人将季铵盐与有机硅涂层和丙烯酸涂层结合，有效提升了涂层的抗菌性，减少了微生物在涂层表面的附着;5）将自抛光型防污材料和低表面材料相结合。

    参考文献

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    作者简介：刘岩（1998-）， 男，山西省运城市芮城县，汉，本科，山西大同大学，研究方向：化工。