陶 宇,李亞冰

（1.沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110015；2.遼寧省圖書(shū)館，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

海洋防污涂料技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望

陶 宇1,李亞冰2

（1.沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110015；2.遼寧省圖書(shū)館，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

敘述了海洋防污涂料類型與研究現(xiàn)狀，介紹了新型環(huán)保的低表面能防污涂層技術(shù)在海洋方面的應(yīng)用，介紹了異噻啉酮衍生物（MOP-OCI）對(duì)藻類生長(zhǎng)的抑制作用，以此化合物為防污劑制備的海洋防污涂料，5個(gè)月的實(shí)海掛板幾乎沒(méi)有附著海洋污損生物。重點(diǎn)介紹了有機(jī)硅涂料、有機(jī)氟涂層以及綠色防污涂料的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并介紹了幾種防污涂料的防污機(jī)理與加速評(píng)價(jià)方法，展望了海洋防污涂料發(fā)展趨勢(shì)。

防污涂料；防污劑；評(píng)價(jià)方法；接枝改性；低表面能

前 言

海洋生物的污損問(wèn)題，一直是制約海洋資源開(kāi)發(fā)利用的重大難題。海洋生物附于船底，會(huì)明顯增加航行阻力，降低航速，增加燃耗；附著于海產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)，造成堵塞網(wǎng)眼，影響海水對(duì)流，導(dǎo)致養(yǎng)殖海產(chǎn)發(fā)育不良甚至死亡；附于海水冷卻管內(nèi)壁，經(jīng)常使管道內(nèi)徑變小，影響供水量，造成事故。海洋污損會(huì)引起海洋監(jiān)測(cè)器傳動(dòng)機(jī)失靈，信號(hào)失真，性能下降，使用壽命縮短等問(wèn)題。

鋼殼船在海水中遭遇到的腐蝕破壞往往與生物污損緊密聯(lián)系在一起，附著生物會(huì)代謝腐蝕介質(zhì)，對(duì)鋼底材料腐蝕很強(qiáng)。另外，生物附著產(chǎn)生很大應(yīng)力，不但破壞防污涂層，同時(shí)也引起腐蝕底層破壞而腐蝕。海洋生物給海運(yùn)、國(guó)防和一切海洋設(shè)施帶來(lái)巨大災(zāi)害。因此，防污涂料的開(kāi)發(fā)與研究是解決海洋污損的重要途徑，也是最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)便的有效方法。

防污涂料一般涂裝于海洋水下設(shè)施和船底防銹漆之上，位于最外層。其主要作用是通過(guò)漆膜中毒料的水解、擴(kuò)散或滲出等方式逐步釋放毒料，達(dá)到防止海洋生物附著于海洋水下設(shè)施或船底的目的。

1 防污涂料主要種類及性能

采用防污劑的船用防污涂料可劃分為四類[1]。

1.1 傳統(tǒng)防污涂料

由防污劑、基料、顏色、溶劑、各種助劑（成膜劑、滲出劑、防沉劑）等組成。該涂料又可分為溶解型、接觸型和擴(kuò)散型三種。

（1）溶解型防污涂料其基料是可溶型的，它常以松香為基料，還有氯化橡膠、合成橡膠、氯乙烯樹(shù)脂和煤焦油、瀝青為基料，摻入氧化亞銅或其他防污劑的所謂傳統(tǒng)型防污涂料。防污期僅為一年左右。

（2）接觸型防污涂料是基料不溶型防污涂料，它用不溶于水的樹(shù)脂為基料，添加高濃度氧化亞銅，機(jī)械強(qiáng)度高，可形成較厚涂層。防污有效期可延長(zhǎng)到18～30個(gè)月。

（3）擴(kuò)散型防污涂料是以丙烯酸類樹(shù)脂為基料，其毒料滲出率較溶解型和接觸型防污涂料更為平穩(wěn)和持久。

1.2 有機(jī)錫自拋光防污涂料

其作用機(jī)理為：涂料基料部分不溶于水，位于側(cè)鏈部分的共價(jià)鍵可被海水中的Na、K、Ca等離子水解形成親水基團(tuán)，隨著水解進(jìn)行，平穩(wěn)釋出有機(jī)錫防污劑，從而起到防污作用；當(dāng)親水基團(tuán)達(dá)到一定濃度時(shí)，這一表層樹(shù)脂便被剝蝕掉，使微量附著的海生物沒(méi)有固定繁殖條件；同時(shí)暴露出新的樹(shù)脂層，并在這一水解過(guò)程中形成平穩(wěn)涂層，從而達(dá)到防污和自拋光雙重效果。由于有機(jī)錫的強(qiáng)毒性，即使百億分之幾的濃度也足以使海生物致畸。因此，含有機(jī)錫的防污涂料最終使用期限為2008年1月10日。

1.3 無(wú)錫自拋光防污涂料

其基本組成有三類：

1.3.1 以水解樹(shù)脂為基料的無(wú)錫拋光防污涂料

主要是以丙烯酸類和聚酯類可水解樹(shù)脂為基料，丙烯酸采用水溶性或親水性的單體，如丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、丙烯酸氨基酯、丙烯酰胺等。

1.3.2 聚合物主鏈帶有防污基團(tuán)的無(wú)錫自拋光防污涂料

主要以含有防污基團(tuán)（酚、喹啉等殺菌基團(tuán)）樹(shù)脂為基料。

1.3.3 采用Cu、Zn聚合物為基料或填料

含Cu、Zn的丙烯酸聚合物做基料或填料，可作為輔助防污劑。調(diào)節(jié)毒劑滲出率，改善薄膜自己拋光。

1.4 新型無(wú)毒防污涂料

1.4.1 低表面能防污涂料

低表面能防污涂料通過(guò)對(duì)機(jī)體樹(shù)脂進(jìn)行改性，降低漆膜面自由能的方法來(lái)抑制海洋生物附著的目的。其防污機(jī)理是提供一種接觸角＞90°，具有彈性表面，海洋生物很難在這種表面牢固附著，易于清除。這種涂料完全不含帶有毒性的防污劑。從保護(hù)環(huán)境角度出發(fā)，該方法是最理想的方法。

低表面能防污涂料的基體樹(shù)脂主要為氟樹(shù)脂、硅樹(shù)脂以及氟硅樹(shù)脂三類。

1.4.2 仿生技術(shù)

海洋生物有天然自身能分泌一種對(duì)附著生物具有驅(qū)避作用的特殊物質(zhì)，能避免其它海洋生物在體表附著。美、德科學(xué)家表征了鯊魚(yú)、海豚、鯨等表皮，得知它們具有微體溝槽，同時(shí)分泌出黏液，這樣特殊結(jié)構(gòu)能夠阻止海洋生物附著。

Rohm&Hass公司推出的Sea-nine211，其噻唑啉酮結(jié)構(gòu)就是一種生物防污劑經(jīng)結(jié)構(gòu)改造而得到的，但單一品種難以奏效，必須復(fù)合使用。

1.4.3 綠色防污涂料

（1）硅酸鈉基防污涂料

硅酸鹽防污基為堿性物質(zhì)，不利于海洋生物生存。此類防污涂料防污期一年。

（2）美國(guó)Rohm&Hass公司開(kāi)發(fā)的3-異噻啉酮防污涂料，它在海水中降解只需半天，在海洋沉積物體內(nèi)只需1h。它的毒性很大，但無(wú)長(zhǎng)期積累危害性，環(huán)境中最大允許濃度0.63×10-9（有機(jī)錫0.001×10-9）。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

楊莉[4]以多種丙烯酸類單體為原料合成的羥基丙烯酸樹(shù)脂，與聚硅氧烷進(jìn)行接枝改性，制出具有低表面能及水解的接枝共聚物，再以此共聚物為基料，制備具有低表面能自拋光復(fù)合型防污涂料。其表面能達(dá)2.363 MN·m-1，可用于防止海生物附著防污涂料。

陳美玲[5]等對(duì)有機(jī)氟改性丙烯酸樹(shù)脂的合成中，使用不同有機(jī)氟單體對(duì)丙烯酸樹(shù)脂進(jìn)行改性，合成了具有低表面能性質(zhì)的有機(jī)氟改性丙烯酸樹(shù)脂，結(jié)果表明氟單體對(duì)丙烯酸樹(shù)脂進(jìn)行低表面能改性效果明顯，其中含有叔碳原子和甲基結(jié)構(gòu)分子中含有12個(gè)F的G04單體效果最為理想。

郭虹[6,7]等用丙烯酸預(yù)聚物與銅鹽反應(yīng)合成了丙烯酸銅樹(shù)脂，加入少量有機(jī)硅樹(shù)脂降低了涂料表面能，有較好的防污性能。又利用有機(jī)硅單體對(duì)丙烯酸樹(shù)脂進(jìn)行改性得到的預(yù)聚物與鋅鹽反應(yīng)合成出丙烯酸鋅樹(shù)脂。當(dāng)有機(jī)硅含量為20%時(shí)，性能滿足防污涂料漆膜基本理化要求。單純的低表面能防污涂料僅能使海洋生物附著不牢，需定期清理，應(yīng)用范圍有很大局限性，對(duì)難以定期上塢清理的大型船只尚無(wú)法應(yīng)用。

海洋化工研究院的硅酸鹽類無(wú)毒防污涂料取得了2～3年實(shí)船防污期效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其基礎(chǔ)配方為：改性焦油瀝青10～20，錫銅混合毒料30～50，滲出率調(diào)節(jié)劑25，200號(hào)溶劑油15～30。

曲園園[8]等利用有機(jī)硅改性的丙烯酸樹(shù)脂，并將納米SiO2、鐵紅、滑石粉均勻分散于有機(jī)硅改性丙烯酸樹(shù)脂中，制成低表面能防污涂料。當(dāng)納米SiO2的添加量在5.5%～8%之間時(shí)，涂膜與液體的接觸角＞98°，涂膜具有較低的吸水率，有較好防污效果。

上海海悅涂料公司申請(qǐng)了丙烯酸鋅樹(shù)脂用于防污涂料的專利[9]，其中不含氧化亞銅，防污期可達(dá)2年，以丙烯酸銅為基料防污涂料防污期可達(dá)3～5年[10]。

中國(guó)海洋大學(xué)對(duì)丙烯酸銅或丙烯酸鋅的制備方法和在防污涂料中的應(yīng)用申請(qǐng)了專利[11,12]。丙烯酸鹽的自拋光防污涂料實(shí)際使用的有效防污時(shí)間只有3年，其膜厚減損在30個(gè)月后趨于停滯，造成拋光速率顯著下降，即使膜再厚，防污涂料的拋光剩余涂層也將不繼續(xù)發(fā)揮有效作用，造成資源浪費(fèi)。而丙烯酸-有機(jī)硅樹(shù)脂為基料是應(yīng)用最多的無(wú)錫自拋光防污涂料，典型的代表產(chǎn)品是Takata QuantumAF，可提供5年有效防污期[13]。

于良民[14]等對(duì)4,5-二甲氧基-4-異噻啉-3-酮的合成及殺藻性能進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)5個(gè)月實(shí)海掛板試驗(yàn)，幾乎沒(méi)有附著海洋污損生物。

姜曉輝[15]等合成丁異噻唑啉酮衍生物（4,5-二氯-2-甲氧基丙基-4-異噻唑啉-3-酮，MOP-OCI），通過(guò)測(cè)試，對(duì)藤壺幼蟲(chóng)24 h半致死濃度950 μg·L-1制備的海洋防污涂料，123d實(shí)海掛板幾乎沒(méi)有附著任何海洋生物。具有高效低毒、藥效持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，是一種有機(jī)錫防污劑的優(yōu)良替代品。

程劍[16]等以聯(lián)苯三酚和N-三羥甲基丙烯酰胺為原料，通過(guò)烷基化反應(yīng)，合成了辣素衍生結(jié)構(gòu)的丙烯酰胺類功能單體，它在防污涂料中有一定防污性能。

李善文[17]等將具有防污活性的呋喃結(jié)構(gòu)與電負(fù)性溴原子結(jié)合，合成了多溴代呋喃產(chǎn)物，它具有較優(yōu)良的抑菌性能，抑菌直徑達(dá)4 cm，使用6周后使海生物污損面積從52%降至11%，明顯提高防污效果。

何慶光[18]等合成了一系列組成不同可降解聚氨酯樹(shù)脂基料，在此基料合成中，獲得了降解速率可控、具有良好的柔韌性的樹(shù)脂基料，可認(rèn)定為環(huán)保型防污涂料。

呂明霞[19]等合成了含雜萘聯(lián)苯結(jié)構(gòu)的環(huán)氧甲基丙烯酸樹(shù)脂，并以其作為基體樹(shù)脂，配制UV固化涂料，在此配方下，加入含有辣椒堿作為防污涂料的防污劑。當(dāng)辣椒堿含量占樹(shù)脂質(zhì)量10%時(shí)，硬度為5H，附著力1級(jí)。實(shí)海掛板實(shí)驗(yàn)中，浸泡60d無(wú)明顯微生物和有機(jī)物污染，表現(xiàn)良好抗污性能。

李霞[20]等以5,6-二氯吲哚、5-溴吲哚為原料，經(jīng)曼尼希反應(yīng)制備了2種相應(yīng)蘆竹堿，并與β二硫二丙酸酯合成了4種親脂性含吲哚環(huán)酯類化合物，可開(kāi)發(fā)出高效、低毒的防污涂料及應(yīng)用性能良好的防污劑。

楊保平[21]等以吲哚與二乙醇胺、甲醛為原料，以乙酸為催化劑合成了二羥基蘆竹堿環(huán)保防污材料，具有明顯的殺菌性能。

于良民[22]等進(jìn)行了N,N'-二丁氧基甲基二硫代丙酰胺的合成，并對(duì)生物毒性與防污性能進(jìn)行了研究。

陶宇與百傲公司采用DCOTT-30進(jìn)行復(fù)合配用，與聚氨酯防腐漆、助劑混勻制備的防污涂料已超越了3年的實(shí)海掛板試驗(yàn)，實(shí)體表面光滑，無(wú)海洋生物附著物，涂料效果明顯、持久穩(wěn)定，且能經(jīng)受防腐蝕的考驗(yàn)。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

（1）Fabiene F[23]提出用可生物降解的嵌段共聚物方法，將ε-己內(nèi)酯和聚癸二酸共聚。合成嵌段共聚物可以減少表面腐蝕及控制殺蟲(chóng)劑用量，進(jìn)而有效地保護(hù)環(huán)境，可做防污涂料用。

（2）Perrino C[24]等合成了右旋苷賴氨酸接枝共聚物，它具有合適的表面能，且有抗蛋白的去污功效，是一種很好的仿生涂料。

（3）國(guó)際涂料公司（IP）與日本NPMC公司合作開(kāi)發(fā)丙烯酸自拋光涂料，已在3000艘船上使用。IP公司還推出一種對(duì)海洋環(huán)境無(wú)害防污涂料，牌號(hào)是Intersleek-425和700，據(jù)稱防污有效期為5年，并且無(wú)需刮洗船底或重涂。

（4）GRAHAM[25]等人在全氟丙烯酸酯和全氟甲基丙烯酸酯等樹(shù)脂中接入 -（CH2）2-（CF2）n-F，其中n＞10，使這些樹(shù)脂表面能降到6 mN·m-1以下。

（5）Jotun公司的Sealion nepulse低表面能防污涂料是采用納米抗附著技術(shù)，在涂層表面形成納米尺寸“須”涂層，具有更佳的污損釋放和抗污損生物附著性能，據(jù)稱有10年防污期效[21]。

（6）荷蘭阿默爾[26]開(kāi)發(fā)的無(wú)毒氟代聚氨酯防污涂料是一種雙組份涂料，屬于無(wú)毒性產(chǎn)品，不含殺生物劑或金屬，防污能力可達(dá)5年，具有極強(qiáng)柔韌性，不透水和蒸汽，涂面光滑平整，它是一種聚四氟乙烯-聚氨酯預(yù)聚物。它在防污5年期內(nèi)無(wú)需刮洗或重涂。

（7）日本涂料公司采用衣康酸二甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、共聚物水解樹(shù)脂為基料，制成3年期效無(wú)錫自拋光防污涂料。

另外，又采用丙烯酸單體與親水單體丙烯酸或甲基丙烯酸、順丁二烯酸共聚，用此共聚物與鋅鹽、銅鹽反應(yīng)得到含Cu 6%、Zn 90%左右共聚物，以此為基數(shù)添加25%Cu2O，制成無(wú)錫自拋光防污涂料，有效期3年。

3 展望

（1）國(guó)外無(wú)毒防污涂料已達(dá)5年期效水平，我們?cè)诒焙５貐^(qū)只能達(dá)到3年水平，與國(guó)外相比要落后10年。因此，開(kāi)發(fā)5年期以上長(zhǎng)效無(wú)毒防污涂料是我國(guó)一個(gè)重要發(fā)展方向。

研制開(kāi)發(fā)低毒、無(wú)毒或環(huán)境友好型防污涂料已成為國(guó)際上急需解決海洋生物污損的重要課題之一，無(wú)毒自拋光防污涂料、低表面能防污涂料、仿生涂料和含生物活性物質(zhì)的防污涂料正越來(lái)越受到人們的重視。低表面能防污涂料憑借自身的優(yōu)越性能已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注熱點(diǎn)，功能性超疏水高分子材料和對(duì)氟碳樹(shù)脂體系、有機(jī)硅體系進(jìn)行優(yōu)化改性是當(dāng)前的主要研究方向。

（2）從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，非析出型防污涂料和非涂料型防污涂料技術(shù)是發(fā)展方向。今后涂料防污技術(shù)除繼續(xù)開(kāi)發(fā)無(wú)錫自拋光防污涂料外，將主要集中在無(wú)毒防污涂料、仿生物防污涂料方面。仿生物防污技術(shù)是目前防污領(lǐng)域前沿技術(shù)，也是今后防污技術(shù)發(fā)展主要方向。

非涂料防污技術(shù)則主要有電解防污技術(shù)，通過(guò)電解海水產(chǎn)生次氯酸而達(dá)到防污目的，技術(shù)難度大，未獲成效。交流電防污技術(shù)，是利用導(dǎo)電涂層，接通交流電在船底部位形成交流電場(chǎng)阻止海生物附著，該系統(tǒng)可使用5年以上，尚在進(jìn)行深入研究。聲學(xué)防污系統(tǒng)，是利用變頻器發(fā)出各種低頻聲波阻止海生物附著，該系統(tǒng)以現(xiàn)有防污漆配合使用以提高防污效果。

噴鍍銅或銅鎳合金技術(shù)，日本開(kāi)始了一項(xiàng)在船底部位噴鍍銅鎳合金以防止海生物附著新技術(shù)，Jersey公司采用噴涂技術(shù)，可在鋼材、鋁材、木材表面噴鍍純銅層以達(dá)到永久防污目的，如獲成功，可使船體防腐蝕與防污一體化進(jìn)入新時(shí)代。

（3）到目前為止，有關(guān)生物粘附的理論和污損海洋生物的附著機(jī)理還不十分明確。當(dāng)前的研究表明涂層的物理化學(xué)性質(zhì)，如表面能、彈性模量、涂層厚度、表面形貌等，都能夠影響到海生物的附著和污損，同時(shí)，由于海生物的種類繁多，而且附著帶有一定的選擇性，因而單一強(qiáng)調(diào)某種功能很難獲得較好的防污效果，需要綜合多個(gè)影響因素進(jìn)行系統(tǒng)作用才可能達(dá)到有效防污的目的。

（4）用于防污涂料性能評(píng)價(jià)的加速試驗(yàn)方法主要適用于防污涂料開(kāi)發(fā)初期基礎(chǔ)配方的篩選功能，它可以縮短防污涂料的研發(fā)周期，但最終評(píng)價(jià)防污涂料的性能最有效方法還是海上掛板試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)。因此，對(duì)有獨(dú)特防污的機(jī)理和優(yōu)良的防污性能的防污涂料要不斷深入研究，對(duì)防污涂料的檢測(cè)方法不斷完善，將為促進(jìn)實(shí)現(xiàn)無(wú)污染的海洋戰(zhàn)略作出貢獻(xiàn)。

（5）我們要利用新的聚合技術(shù)、微相分離技術(shù)、納米技術(shù)、有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化技術(shù)、稀土技術(shù)、微膠囊技術(shù)等全新技術(shù)，開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的防污涂料。只有不斷加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，開(kāi)拓市場(chǎng)，才能位居世界前列。

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Present Status and Developing Prospect of Marine Antifouling Paints Technology

TAO Yu1and LI Ya-Bing2
（1.Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110015,China;2.Liaoning Provincial Library,Shenyang 110015,China）

The types and present status of marine antifouling paints are reviewed.The application of novel environment friendly antifouling coating technology with low surface energy in marine is introduced.The effect of isothiazol-3-one MOP-OCI as algal growth inhibitors is studied.There is almost free of marine organisms on the plate after being immersed in sea water for 5 months which is coated by the antifouling paint prepared with MOP-OCI.The domestic and foreign research situation and application status of organic silicon,organic fluorine and green antifouling paints are presented.The antifouling mechanisms and accelerated evaluating methods of several antifouling paints are introduced.And the development trend of marine antifouling paints is prospected.

Antifouling paint;antifouling agent;evaluating method;grafting modification;low surface energy

TQ637.3

A

1001-0017（2012）05-0067-05

2012-05-14

陶宇（1934-）男，江西南昌人，教授，博導(dǎo)，享受?chē)?guó)務(wù)院津貼，主要從事TPU合成、熔紡氨綸及防腐材料、防污及隱身涂料的研究。