海洋船舶在航行過(guò)程中需克服巨大的阻力，而海洋生物對(duì)船舶的污損則進(jìn)一步加大了阻力，增加了能源消耗，同時(shí)對(duì)航行安全與艦船壽命也構(gòu)成了威脅。使用防污減阻涂料是目前減少船舶污損最為經(jīng)濟(jì)高效的方法之一，而隨著各界對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展的重視，含銅、含錫的傳統(tǒng)防污涂料已逐步淘汰，代之以更為環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效的新型防污減阻涂料。

一、低表面能防污減阻涂料

研究表明，污損釋放型涂料具備超疏水、柔性等表面性能，有助于實(shí)現(xiàn)船舶防污減阻。污損釋放型涂料也被稱為低表面能防污涂料，能通過(guò)物理而非化學(xué)作用來(lái)防止污垢生物附著。由于涂料的表面自由能和彈性模量低，污垢生物不能牢固地附著在涂料表面，在水流的剪切力作用下容易被解離。更重要的是，該過(guò)程不需要釋放防污劑，亦不會(huì)殺死污垢生物。此外，污損釋放型涂料具有固體含量高、表面光滑等優(yōu)點(diǎn)，有助于降低水流阻力。鑒于污損釋放型涂料相比于無(wú)錫自拋光防污涂料等傳統(tǒng)涂料更具綠色發(fā)展性，科研人員對(duì)污損釋放型涂料開(kāi)展廣泛的研究，旨在將污損釋放型涂料發(fā)展成為傳統(tǒng)殺菌涂料的主要市場(chǎng)替代品。目前低表面能涂料的研究主要集中于有機(jī)硅和有機(jī)氟材料。

1. 有機(jī)硅低表面能涂料

有機(jī)硅具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，且具備良好的物化性能，基于硅基的涂料設(shè)計(jì)在低表面能涂料研究中最為廣泛。有機(jī)硅彈性體，尤其是聚二甲基硅氧烷（PDMS），是污損釋放型涂料中最常用的聚合物。PDMS的主鏈由交替的硅原子和氧原子組成，Si−O鏈結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的柔韌性，側(cè)鏈的甲基具有很強(qiáng)的非極性，由于與極性水分子的排斥作用，表現(xiàn)出很強(qiáng)的疏水性，進(jìn)而獲得低表面能、低彈性模量和低表面粗糙度等優(yōu)點(diǎn)，賦予涂料良好的脫附性能。然而，PDMS的柔順主鏈和分子鏈之間的相互作用較弱，致使涂料的機(jī)械強(qiáng)度和附著力較弱。PDMS防污涂料對(duì)解除細(xì)菌和硅藻組成的黏液吸附的能力較差，在靜態(tài)條件下這些黏液往往能夠黏附在疏水表面，不容易通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)剪切釋放。這類黏附的黏液在水中移動(dòng)的船體上產(chǎn)生流體動(dòng)力阻力，同樣增加燃料成本。為有效提高涂料在靜態(tài)條件下的附著力、力學(xué)性能和防污能力，聚合物改性、仿生復(fù)合改性等手段成為目前有機(jī)硅防污涂料的研究重點(diǎn)。

有機(jī)硅污損釋放型涂料易于從基材（通常是環(huán)氧底漆）表面脫落，為增強(qiáng)有機(jī)硅污損釋放型涂料與基材之間的黏合強(qiáng)度，研發(fā)人員開(kāi)發(fā)了引入極性相互作用、添加中間連接層、使用偶聯(lián)劑（例如雙(γ-三甲氧基硅基丙基)胺、γ-縮水甘油氧基丙基甲基二乙氧基硅烷等）等方法來(lái)調(diào)整界面力學(xué)性能。然而這些方法仍然存在成本高、工藝復(fù)雜、附著力和力學(xué)性能差等問(wèn)題，對(duì)此研發(fā)人員往往嘗試采用摻入納米填料、聚氨酯和環(huán)氧樹(shù)脂改性等策略，來(lái)改善有機(jī)硅污損釋放型涂料的附著力和力學(xué)性能。

2. 有機(jī)氟低表面能涂料

氟原子的電負(fù)性最高，在有機(jī)物內(nèi)形成結(jié)構(gòu)緊密穩(wěn)定的C−F鍵，因此含氟單體的碳鏈較短，且含氟聚合物材料具有強(qiáng)疏水性及化學(xué)惰性，以含氟聚合物制備樹(shù)脂已成為低表面能涂料的一大研究方向。兩親性系統(tǒng)中的氟化鏈段由于其低表面能特性被用于提升涂料的污損釋放性能，幾種具有氟烷基側(cè)鏈的表面活性嵌段共聚物、兩親性半氟化嵌段共聚物和兩親性全氟聚醚/聚乙二醇網(wǎng)絡(luò)已被探索研究并用于研制防污涂料。這些涂料既能抵抗沉降，又能增強(qiáng)對(duì)海洋微生物的釋放能力。

相比于有機(jī)硅低表面能防污涂料，氟聚物低表面能涂料的研究難題主要在于氟樹(shù)脂的固化溫度高、價(jià)格昂貴、附著力不足等。目前研究較多的聚四氟乙烯也面臨著樹(shù)脂致密性不足、微孔處污損生物集中、工藝復(fù)雜等問(wèn)題，制約了其在防污減阻應(yīng)用中的普及。針對(duì)有機(jī)硅和有機(jī)氟兩類材料的優(yōu)缺點(diǎn)，研究人員更多考慮將含氟基團(tuán)或含氟聚合物引入有機(jī)硅基體獲得更為優(yōu)異的防污性能，既保持了大分子的高彈性，又引入含氟基團(tuán)進(jìn)一步降低表面能。合理配比有機(jī)硅與有機(jī)氟涂料，可以更好地發(fā)揮低表面能材料的優(yōu)勢(shì)。

二、仿生防污減阻涂料

仿生防污策略受自然界植物和動(dòng)物的天然表面啟發(fā)而發(fā)展，被認(rèn)為是一種很有前途的環(huán)保海洋防污方法。仿生防污涂料的研究主要分為兩大類，一方面是從生物體內(nèi)提取具有防污活性的物質(zhì)，另一方面是模仿動(dòng)植物表面構(gòu)造，制備特殊表面結(jié)構(gòu)材料。

1. 天然防污劑仿生涂料

傳統(tǒng)的防污涂料對(duì)環(huán)境有負(fù)面影響并且釋放速率難以控制，迫切需要開(kāi)發(fā)新型環(huán)保耐用的防污劑。考慮到許多生物在進(jìn)化過(guò)程中已經(jīng)獲得防污能力，研究人員探索了來(lái)自各種生物體的天然防污劑及其衍生物，其在對(duì)抗生物污垢方面顯示出潛力，且新開(kāi)發(fā)的天然防污劑數(shù)量每年都在增加。這些天然防污劑的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)為新型海洋生物防污涂料和醫(yī)用防污涂料的開(kāi)發(fā)提供探索方向。

辣椒素及其衍生物是一種具備獨(dú)特理化性質(zhì)的天然植物堿，已被公認(rèn)為最有前途的防污劑之一，將辣椒素衍生物的共聚物與水凝膠交聯(lián)獲得防污涂層，其防污和抗菌效果都顯著提升。姜黃素則是由姜黃中提取的天然多酚化合物，能夠通過(guò)干擾有絲分裂蛋白來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌的強(qiáng)力抗菌作用，制得的防污涂料兼具抗菌活性和親水性，抗蛋白和血小板吸附能力也較為優(yōu)異。天然防污劑（包括有機(jī)酸、萜類、酚類、吲哚類等）現(xiàn)階段被認(rèn)為是傳統(tǒng)防污劑的有效替代，但提取過(guò)程復(fù)雜、提取速率低、成本高、耐久性差等問(wèn)題需要進(jìn)一步解決。

2. 仿生結(jié)構(gòu)涂料

自然界中的水生生物在靜止或低速水中都有自己獨(dú)特的防污方法，在防污物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，很少有人工設(shè)計(jì)方案能比在水生生物上經(jīng)過(guò)數(shù)千年進(jìn)化而來(lái)的巧妙結(jié)構(gòu)更好。與化學(xué)方法相比，物理方法因?yàn)椴粫?huì)釋放有毒物質(zhì)到海洋系統(tǒng)中而被認(rèn)為更環(huán)保。鯊魚(yú)表皮、海膽針狀結(jié)構(gòu)、貽貝外殼等海洋生物中的天然結(jié)構(gòu)激發(fā)了科研人員的靈感，由此研制出的仿生微納米結(jié)構(gòu)防污涂層取得了一定的進(jìn)展。然而，技術(shù)復(fù)雜、低效和昂貴成本等問(wèn)題同樣存在。在惡劣的環(huán)境下，材料表面的微納米結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到破壞，降低性能與縮短壽命，因此，開(kāi)發(fā)力學(xué)性能穩(wěn)定的仿生結(jié)構(gòu)表面也是急需的研究方向。

隨著海洋經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展的推進(jìn)，未來(lái)船舶對(duì)綠色環(huán)保涂料的更新?lián)Q代需求將大大增加。在防污減阻涂料板塊，針對(duì)有機(jī)硅、有機(jī)氟、天然防污劑、仿生結(jié)構(gòu)涂料，國(guó)內(nèi)外均取得了較大的研究進(jìn)展。同時(shí)，圍繞防污減阻涂料的一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步推進(jìn)涂料防污性能與力學(xué)性能的平衡研究、深挖表面性能的深層機(jī)理并持續(xù)改進(jìn)，并不斷提升涂料成品的合成工藝、高效性、廣譜性、耐久性、施工便捷性、環(huán)保性等，還要同步建設(shè)統(tǒng)一有效的加速評(píng)價(jià)方法，促進(jìn)涂料應(yīng)用多元化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

船舶防污減阻涂料研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2024, 38(S1): 552-555.