防污涂料

一:研究目标

舰船受到海生物附着后，造成自重和航行阻力增加，燃料消耗及温室气体排放量随之增加，航速下降；加速船体腐蚀，缩短舰船维修周期和服役寿命；严重时影响装备的战术技术性能，贻误作战时机。对数百艘受到生物污损船只的调查结果显示，船速平均下降5%的占80 %以上，最严重的船速下降可达25 %。舰船表面的海生物污损率为5%时，燃料消耗增加10 %。为了降低海洋生物附着污损和腐蚀所造成的危害，在舰船表面涂装防污涂料目前仍是解决该问题的唯一可以广泛应用、既经济又高效的重要途径，同时将防污涂料与减阻相结合，对舰船在海洋中的航行起到十分积极的影响。

主要目标：通过鲨鱼皮，荷叶等生物表面结构的启发，通过改变现有的防污涂料的化学找出与其相似的具有特殊微观物理结构表面的低表面能涂料，以起到减小阻力，防污，自洁等功能，使产品可在军舰，远洋货船上得以应用。

二：国内外现状

1 国内外技术现状

目前，防污涂料技术的市场应用现状主要表现在，包含有机锡的防污漆已经在全球范围内被禁用，替代产品主要有无锡自抛光和低表面能防污涂料两大类。

1.1 国外现状

国外防污涂料技术的应用中，以防污剂释放型防污涂料统治市场，无锡自抛光防污漆成为远洋和深海船舶的防污主导产品；可控溶解型防污涂料作为无锡自抛光防污漆的市场补充，主要应用于近海船舶的涂装保护；低表面能防污涂料已经进入市场，随着其技术的不断发展成熟，和人们对环境保护及能源消耗等问题的日益关注，其市场应用份额已经呈现出不断扩大的趋势。经过近30年的发展，国外已有水合型、水解型、混合型无锡自抛光防污漆应用于市场，其防污期效 分别为3年，5年和3~5年。各大跨国公司都有系列的无锡自抛光防污漆产品以满足各种远洋船舶的防污保护。但是，对于海军舰船，由于其在航率低，停泊时间较长，在港口停泊时海生物更容易附着，一般无锡自抛光防污漆的防污剂溶出速率不能满足防污要求。

1.2 国内现状

一方面大型远洋船舶防污漆的国内市场一直被国际跨国公司所垄断，另一方面我国自有防污涂料技术长期处在落后、模仿和跟踪发展的地位，因此，我国自主品牌的防污涂料产品只能在军舰涂装和近海渔船市场的夹缝中谋求生存和发展。至今，我国自主品牌的防污涂料产品仍以沥青防污漆、氯化橡胶防污漆等传

统溶解型防污漆为主，而这类防污漆在发达国家已经被禁用和弃用。国内的技术水平同欧美发达国家相比仍然存在着明显的差距。近年来，我国许多科研院所纷纷投入力量，开展了新型防污涂料等的研发。

2 仿生涂料国内外研究进展

生活在海洋中的一些动植物利用“天生”的机能可以摆脱其它生物的附着，例如海豚，鲸鱼等大型动物表皮的表面存在微米级沟槽，同时能可以分泌出特殊的粘液，形成低表面能的表面；而小型的海藻则是靠自身形成的一些化学物质来阻止其它生物的附着。科学家对这些海洋生物“天生”性的防污机理研究，制备出仿生防污涂料。

2.1国外现状

美国佛罗里达大学研究人员根据鲨鱼防止海底生物附着的原理，以塑料和橡胶为原料研制出一种名为Gator Sharkote环保防污涂层。该涂层由数十亿个细小的菱形凸起物组成，就像鲨鱼皮的表层一样。在实验室测试中发现，这种新型涂层可使舰艇底部，侧部的海底生物孢子沉降率下降85%，有良好的减阻、防污效果。瑞典科学家研制出名为“谢阿克特”的船用防污涂料完全不含有毒物质，也不会污染海水。

美国华盛顿大学的Karen L Wooley模拟海豚皮的显微结构，研制出一种新型防污涂料，从纳米角度来分析，该涂料具有粗糙的表面，可模拟出海豚的沟槽式表皮，从而阻止海洋生物的附着。

日本关西涂料公司也对海豚皮做了模仿研究，采用可水解的丙烯酸和有机硅树脂防污涂料，涂层表面在海水中均匀溶解，模拟海豚在游动时分泌粘液的行为，产生防污和减阻作用，制备出真正意义上的仿生防污涂料。

不莱梅科技大学科研人员以鲨鱼皮为仿真对象，开发出一种无毒的有机保护涂料，在2010年上海世博会上展出，引起了涂料研究者的关注。这种涂料的微结构使船壳能像鲨鱼皮一样保持清洁。其防污的机理是鲨鱼皮会生成一种有机表层，以防止植物和动物的繁衍。

2.2 国内现状

近些年，我国中科院化学研究所、海洋化工研究院、中船725所等研究机构也对模仿大型海洋生物表皮的防污减阻涂料进行了探索性研究。

在研究过程中，科研者发现了许多具有防污活性的天然产物，比较有代表性的是从海绵、珊瑚、红藻、褐藻中提取的甾类化合物、杂环化合物、生物碱等化合物，从胡椒、辣椒和洋葱中提取的辣椒素等。它们都会对污损生物起到麻醉、阻滞生长、阻碍附着等作用，从而达到防污的目的。最近科研人员通过研究发现突尼西亚海岸和巴西等地的褐藻对海洋细菌和微藻有很好的抑制效果。有些植物

可以分泌单宁酸来抵抗病菌的入侵也引起了涂料研究者得注意，并做了相关的研究工作，取得了一定的效果。仿生涂料和防污剂的研究虽然取得了一定的进展，但其产业化还需一段时间。

另外，值得一提的是，海洋涂料国家重点实验室，针对海豚的表皮具有很好的弹性，并且表面的黏液能够形成一层“隔离保护层”这一现象，该实验室开发出了有机硅弹性体仿生防污涂料。有机硅与海豚表皮的弹性非常相似，并且具有很低的表面能，表面能低的物体非常不利于污损海生物附着，即使勉强附着上去，其附着力也很低，利用船舶航行时产生的水流剪切力就可以将它们清除掉。这种仿生防污涂料还同时具备多种“防污武器”。第一种就是在涂料里加入小分子硅油，这些硅油会慢慢地从涂层里释放出来，带走附着在表面的污损海生物，就像海豚的皮肤一样。但这种硅油毕竟是人工添加进去的，不能像海洋生物一样永久分泌。既然不能长期分泌黏液，就直接将黏液锁定在涂层的表面，这就是仿生防污涂料的第二种武器。在仿生防污涂层的表面植入密度合适的亲水性纤维，这些纤维具有很好的吸水性，伸展在涂层的表面时就会将一层薄薄的水分锁住。污损海生物是不能附着在水上的，这就达到了防污的目的。不仅如此，这种仿生防污涂料还具有良好的减阻性能，能够有效降低船舶与水的摩擦阻力，从而节约燃油消耗。与传统防污涂料相比，其减阻率可达到 7%左右，对于船舶这种油耗大户来讲是非常可观的。“仿生防污涂料不仅对海洋环境没有任何污染，同时还能够为船东节约大量的燃油。

另外，由于很多的海洋生物都能够分泌防污活性物质，达到友好抵制附着的目的。基于该原理，海洋涂料国家重点实验室依托承担的“973”项目正在进行相关内容的研究。从海洋细菌和真菌中分离提炼出了多种防污活性物质，并将其作为活性成分添加到涂料中去，实现了‘生物对抗生物’的技术。目前，利用此技术制备的防污涂料的防污期效可以达到半年至一年的时间，但还需要做进一步的研究，希望能够达到长期的防污效果。

三：要求指标 四：进度节点及需求

1：进度节点 2：需求分析

自20世纪80年代以来，各国海军面对着限制和禁止有机锡等有毒防污涂料的严峻形势，对含铜防污涂料使用的顾虑，正在积极开展无毒、长效防污涂料的研究。但海军舰船与一般的民用船舶相比，其最显著的区别在于停泊时间较长，

航行频率相对较低，在港口静止状态下，海生物更容易附着，因此一般的无锡自抛光防污涂料防污剂溶出速率不能满足防污要求。从 2004 年起，海军曾组织 10 多家防污涂料供应商在南北海共进行了 4 条舰艇的实船试验，从 2 a 多的检查结果来看，能满足使用要求的防污涂料较少，当然试验结果可能还与试验施工、试验部位和试验面积等很多不确定因素有关，但可以确定的是结合市场上现有产品情况，以及海军舰船的特殊性，要解决舰船防污难题，亟需加强各种新型防污涂料的开发研究。目前，新型防污涂料的研究开发主要采取4条路线：改变涂层表面的物理化学特性，如低表面能防污、高吸水不稳定表面防污、表面植绒防污等；采用生物化学和仿生防污方法；开发新型无毒防污剂，进一步发展自抛光防污涂料；电解海水防污涂料，离子交换树脂型防污涂料等。

其中，本文提出的仿生防污涂料是一种全新的防污概念，它是从生物附着机理出发，寻找防污高分子材料，对一些生物的表皮状态进行模仿，赋予涂层以特殊的表面性能，如低表面能、微相分离等，使海洋生物不易附着或者附着不牢。由于鲨鱼表皮具有微沟槽这种特殊结构，且皮肤会分泌特殊的亲水性高分子黏液，这种分泌物对减小摩擦阻力起到重要作用。因此，通过研究具有特定表面性能的高分子材料，对一些生物的表皮状态进行模仿，开发出高吸水不稳定表面防污涂料、表面植绒防污涂料等，以起到减小阻力，防污，自洁等功能。对开展舰船上应用研究，最终实现为海军舰船提供长效（5～10年）、无污染的生物防污涂料的目标具有重大意义。

五：应用前景

随着社会的进步、科技的发展和人们环保意识的不断增强, 涂料水性化将是涂料科学与技术发展的必然趋势, 因此, 减阻防污涂料也将成为未来船舶防污涂料的重要研发领域。在各种树脂中, 丙烯酸树脂由于其超群的耐候性、耐水性、耐化学品性、耐污染性，通过氟改性还有最低的表面能的特点, 可望获得大力发展和应用。但是, 单纯的丙烯酸树脂或通过氟树脂都不能很好地满足船舶防污涂料的涂装和使用性能, 因此, 合成树脂相互改性不仅是防污涂料而且是整个涂料工业的发展向。此外,涂料成纳米级别填料的应用, 纳米改性合成树脂、溶胶- 凝胶纳米技术的应用, 以及分子设计和纳米自组装梯度成膜技术, 纳米、微米尺度可控的涂层表面成膜技术等都可望用于研发新的无毒，减阻船舶防污涂料。

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