有机硅海洋防污涂料的研究进展.pdf
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1、技术进展 ():有机硅海洋防污涂料的研究进展姜宇嵘 伞振鑫 黄素萄 郭 洁 龙娇秀 向 威 曲鹏飞(.江西蓝星星火有机硅有限公司 江西九江.廊坊燕京职业技术学院 河北廊坊)摘要:随着海洋环保意识的提高 环境友好型防污涂料应运而生 本文综述了低表面能防污涂料的防污机理、发展现状以及有机硅防污涂料的分类 重点介绍了有机硅改性树脂防污涂料、仿生有机硅防污涂料以及自析油有机硅防污涂料的研究进展 并对其发展前景进行了展望关键词:有机硅 防污 涂料 改性 仿生 自析油中图分类号:文献标识码:/.收稿日期:作者简介:姜宇嵘()女 高级工程师 主要从事有机硅产品的研发工作通讯作者:郭洁()女 讲师 主要从事海
2、洋防污涂料的研究工作:(.):.:海洋生物污损是指海洋生物在海洋设施表面积累并持续生长的过程 船底生长的海洋污垢生物会增加船舶的航行阻力 导致燃料消耗增加 进而影响船舶的操纵性能、航速和续航能力 并引起仪器故障、声纳干扰等问题 而清除污垢生物并修复受损设施需要大量资金 这将显著增加维护维修成本 为了尽可能地减少海洋生物污损带来的危害 人们采取了多种措施其中行之有效且快捷的方法则是使用防污涂料防污涂料的发展经历了几个阶段 二战后人们开始使用含有剧毒材料(如汞和砷)的防污涂料 这些涂料能够有效地抑制生物附着物的生长 但同时也对海洋环境造成了严重污染 并对其他海洋生物产生了负面影响 到了 世纪 年代
3、初 人们开始采用三丁基锡和氧化铜的复合防污涂料体系 这种涂料在很大程度上解决了环境污染问题 然而 随着其使用量的增加这种涂料也逐渐显现出对海洋生物的不良影响随后 人们开始致力于开发无毒或低毒防污涂料 以取代有毒防污涂料 目前 低表面能防污涂料是实现这一目标最具潜力的研究方向 低表面能防污涂料的防污机理液态物质的表面张力是指物质表面的分子由于受力不平衡而产生的向内收缩力或势能 而表面自由能是指凝结系统中的 自由焓 其近似等于 自由能 因此也被称为表面能 表面能的大小对防污效果有重要影响 通 第 卷常 涂层的表面能只有在小于 /即涂层与液体的接触角不小于 时 才能有效地防止污垢附着 而根据 的实验
4、结果 涂层的表面能小于 /时 才能保证防止藤壶等生物的附着涂层的表面能越低 意味着其具有越小的吸附力 海洋污损生物越难在其表面粘附 即使一些污损生物粘附到涂层表面 由于外力的作用如水流或自重等 也很容易掉落 这是因为低表面能的防污涂料 是依靠其自身的物理性能来实现防污目标 这种涂料具有抗粘附性 对海洋污损生物的附着有较为明显的抑制作用 因此 采用低表面能的防污涂料可以发挥长期的防污效果 减少污染和对设施的损害 有机硅防污涂料的特点有机硅聚合物是一类具有独特性能的聚合物 其分子结构以硅氧链为骨架 这种骨架赋予了有机硅聚合物低表面能和与物理柔性一致的低弹性模量等特性 有机硅聚合物的低表面张力会使海
5、洋生物的粘附力变弱 且由于其高弹性 在地表水流和附着物的作用下 涂层发生变形即能实现污垢的去除 进而发挥防污效果 因此 研发具有高流动性、高弹性、有足够多表面活性侧基的线形有机硅聚合物材料 是各方共同努力的目标目前 学界普遍认为表面能越低 有机硅涂层的防污效果越好 然而 经过深入研究发现 多种不同因素都会影响低表面能防污涂料的实际性能 其中主要包括表面能、弹性模量、膜厚、极性和表面光滑度等 而有机硅防污涂料具有许多优点:一是活性官能团具有自由移动的特性 可提高涂层的附着力 二是有机硅链段可以阻止水分渗透 进而保护涂层 三是有机硅防污涂料的主链和表面活性链段的分子迁移率较高 可保持涂层柔韧性 四
6、是界面的断裂机制可以通过改变厚度来实现 五是在海水浸泡过程中能够保持长期的化学稳定性 有机硅防污涂料的分类目前 有机硅防污涂料主要采用有机硅聚合物作为成膜材料 并通过添加其他树脂的改性方法来提高涂料的性能 此外 还可采用有机硅仿生防污和自析油有机硅防污等手段来不断改善有机硅低表面能防污涂料的性能 有机硅聚合物防污涂料有机硅低表面能防污涂料在防污处理领域具有重要的应用价值 这类涂料首次报道于 年 最初的成膜材料为硅橡胶 这种涂料的防污有效期为 年 适用于海洋水产养殖厂、船底材料、海上结构物、管道和发电厂等场景然而 由于其硫化时间长、附着力差、重涂能力差等缺点 实际使用中的效果并不理想 为了解决这
7、些问题 等引入了催化剂并使用含有氨基和甲氧基的聚二甲基硅氧烷()以及含羟基的 反应制得新型防污涂料 这种涂料不仅具有低表面能的特点 还具有适当的弹性和降低粘附生物粘附强度的特性 能够更好地抵御污损生物的附着传统有机硅防污涂料在抑制污损生物上存在一定的局限性 虽然有机硅防污涂料可以有效抑制一些微生物和藻类的附着 但对于一些更为顽固的生物 如藤壶、贻贝和海藻等 其防污效果较为有限 相比之下 两亲性防污材料具有更好的抑制污损生物的效果 两亲性防污材料是一种特殊的防污材料 其化学特性使其同时具有亲水和疏水的性质 引入亲水链段和疏水链段后 材料表面形成了相分离的效应 使得表面变得不均匀且呈动态 这样的特
8、性使得污损生物难以附着在其表面 从而达到了抑制污损的效果此外 两亲性防污材料还具有较好的耐候性和化学稳定性 可以在不同环境中长时间保持防污效果 在海洋环境中 两亲性防污材料的防污效果更加显著 进一步提高了防污效果 世纪初 等的研究开启了海洋防污领域中两亲性涂层的相关研究 他们通过合成具有两亲性的涂层 利用疏水链段的非极性和低表面能来降低涂层的表面附着力 从蛋白质吸附角度出发 他们利用亲水链段的物理特性来抑制此属性 提高了涂层的防污能力 等通过硅氢加成法成功制备出了一种独特的涂层中间体 这种涂层具有两亲性 其中的长烷链段起到了关键的作用 它能将亲水链段迁移到涂层的表面实现涂层表面的亲水性 此外
9、研究还发现 这种涂层可以有效地抑制牛血清白蛋白的活性 最近的研究表明 等进一第 期姜宇嵘等.有机硅海洋防污涂料的研究进展 步总结了两亲性防污涂层在海洋中的优秀防污能力 他们观察不同实验下的无损生物的粘附情况 发现相比于传统的 涂层 两亲性涂层具有更强的防污能力 此外 他们还通过实海挂板测试验证了该涂层的防污性能 并发现几乎没有污损生物附着在涂层表面上 另外 刘琳等通过改性低表面能的有机硅材料 让水凝胶层附着在涂层表面并展开实验 实验证明涂层表面的污损生物的数量大大减少 此外 海水流动冲刷后 涂层表面的舟形藻能够轻松脱除 并且能够直接观察到水层的存在 有机硅改性树脂防污涂料根据已有的研究结果 人
10、们发现仅采用有机硅聚合物制备的涂层在使用过程中容易受到机械力的作用而导致涂层损伤 并且其密封性能相对较差 原因为有机硅材料在特殊分子结构作用下 在基材上的附着力较差 容易发生脱落现象 为了克服这一缺陷 研究人员常常采取有机硅对基体树脂进行改性的手段制备有机硅改性树脂防污涂料 氟碳改性硅树脂污损释放型防污涂料是一种能够预防污染的涂料 主要包括氟碳防污涂料和有机硅防污涂料 氟碳防污涂料的特点在于其主链是由碳碳键构成 而主链两侧则分布着碳氟键 使其具有刚性聚合物的特性 并且具有很高的弹性模量 与之不同的是 有机硅防污涂料则属于非极性材料 然而 由于两者都是非极性材料 它们之间也具备一定的相容性 可以
11、通过物理共混的方式进行改性 研究结果表明 通过共混方法制备的氟碳防污涂料在疏水性和表面能方面优于纯有机硅防污涂料 能够更有效地防止污染的发生 同时 适当调整共混材料的比例可以提高涂层的力学性能此外 研究人员通过引入活性官能团和化学反应的方式 成功地将氟碳单体引入了聚硅氧烷的侧链或封端 也将硅基团引入了有机氟碳聚合物的主链 由此可形成高强度的立体网络结构或硅基团的共聚物 这种改性的方法不仅能够保持优异的防污性能 还能够充分结合两者的特性最终 研究人员成功地开发出一种全新的氟硅改性有机硅防污涂料 其在实际应用中具备了很高的可用性 对比传统的物理共混方法化学改性方法虽然步骤繁杂 但是所获得的共聚产物
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