一種陽離子型防污減阻復合功能涂料及涂層的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于防污減阻涂料技術領域，涉及一種海洋工程用防污減阻涂料，特別涉 及一種陽離子型防污減阻復合功能涂料，同時還涉及一種采用該涂料制得的涂層。
【背景技術】
[0002] 水面艦艇和水下航行體等海洋裝備在停泊港口、甚至在航行過程中，均會出現(xiàn)海 洋生物的附著與污損。全世界海域已報告的污損生物種類有近4000種。海洋生物的附著 主要包括兩大類：微生物附著（主要是細菌與硅藻）和宏觀生物附著（如藤壺、蚌類、苔蘚 蟲及海藻等）。海洋生物附著與污損會增加航行阻力、降低船舶航速、增大燃油消耗；還會 增加船體表面的清理難度和維護成本。對潛艇、軍艦等海洋兵器而言，這意味著戰(zhàn)術性能的 下降，更有甚者使其功能失效。
[0003] 海洋生物在船體表面的附著與污損，其典型過程為：有機化合物通過物理吸附作 用吸附在船體基底表面，形成調制膜，以改變船體基底表面的物化特性；細菌與硅藻趨近船 體基底壁面并最終深度附著形成生物膜；大型藻類及藤壺類等宏觀生物隨后附著，形成復 雜的生物群落。上述過程的各環(huán)節(jié)中，前期調制膜的形成以及微生物與壁面的趨近過程是 物理作用過程，是可逆的；而后期的微生物在壁面上的爬行、深度附著、分裂繁殖以及后續(xù) 宏觀生物的附著是生化作用過程，是不可逆的。
[0004] 事實上，在海洋環(huán)境中，硅藻是趨近性附著可逆過程的主要參與者。硅藻在靜電 力、范德華力、重力和水流驅動等物理作用下，趨近船體壁面并初步接觸，隨后硅藻將選擇 性爬行并深度附著，并通過分泌胞外聚合物形成生物膜，此后生物附著與污損將不可逆轉。 因此，防污的工作重點是抑制物理性趨近附著的可逆環(huán)節(jié)，即防止硅藻等海洋微生物趨近 船體壁面并吸附在基底上。
[0005] 以防污涂料為代表的海洋防污技術的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：常規(guī)防污涂料、有機 錫共聚物自拋光防污涂料及無錫自拋光防污涂料。其中，有機錫防污涂料具有廣譜殺菌、防 污能力強、防污時效長等顯著特點，但其對海洋生物和海洋環(huán)境的危害性較大，目前已被國 際海事組織禁止使用。無錫自拋光防污涂料的主要毒料（如氧化亞銅等）和樹脂由于從漆 膜中釋放后迅速降解而失去毒性，因此與有機錫防污涂料相比，其對海洋環(huán)境的危害相對 較小，然而現(xiàn)有的無錫自拋光防污涂料存在防污減阻效果差的缺點。開發(fā)防污減阻效果好、 環(huán)境友好的新的海洋工程用涂料，仍是目前研究的重要課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種陽離子型防污減阻復合功能涂料，主要用于海洋工程的 防污減阻。
[0007] 本發(fā)明的目的還在于提供一種由復合功能涂料制備的防污減阻涂層，涂層在海水 中的電極電位為正，從而有效防止海洋生物附著與污損，并顯著降低表面摩擦阻力。
[0008] 為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：一種陽離子型防污減阻復合功 能涂料，所述涂料中包括：顆粒狀陽離子型填料、成膜樹脂、固化劑和稀釋劑。
[0009] 優(yōu)選的，顆粒狀陽離子型填料的重量份數(shù)為2~20份，成膜樹脂的重量份數(shù)為 50~75份。
[0010] 進一步優(yōu)選的，所述固化劑的重量份數(shù)為5~15份，稀釋劑的重量份數(shù)為5~20 份。
[0011] 其中，所述顆粒狀陽離子型填料為表面帶有正電荷的金屬或非金屬微顆粒。
[0012] 所述成膜樹脂選自氟碳樹脂、有機硅樹脂和丙烯酸樹脂中的一種或幾種。
[0013] 所述固化劑為異氰酸酯，所述稀釋劑為二甲苯和/或乙酸丁酯。
[0014] 所述顆粒狀陽離子型填料通過包括以下步驟的制備方法制得：
[0015] (1)顆粒荷電
[0016] 選取粒徑r為0. 01 μπι~20 μπι的金屬或非金屬微顆粒，通過直流電暈放電進行 顆粒荷電，使用的直流電場的兩極板電壓U1控制為5kV~50kV，勻強電場E。，得到表面分別 荷正電和荷負電的微顆粒，即帶電微顆粒；
[0017] (2)靜電分選
[0018] 將表面分別荷正電和荷負電的微顆粒通過靜電分選方法進行分離：將所述帶電微 顆粒送至兩個豎直的且對應設置的帶電平板的上方，其中一個帶電平板帶正電，另一個帶 電平板帶負電，帶電微顆粒從所述兩個帶電平板之間的中間位置下落，在下落過程中發(fā)生 偏轉，表面荷正電的微顆粒向帶負電的帶電平板處偏轉，表面荷負電的微顆粒向帶正電的 帶電平板處偏轉，實現(xiàn)表面荷正電和表面荷負電的微顆粒的分離，其中表面荷正電的微顆 粒即所述顆粒狀陽離子型填料；
[0019] 帶電微顆粒的質量m、帶電微顆粒的帶電量q、兩個豎直的對應設置的帶電平板的 間距d、兩帶電平板的豎直高度L、兩帶電平板間的電壓1]2應該滿足：
[0020] 2U2qL = md2g，
[0021] 其中，g為重力加速度。
[0022] 所述微顆粒為鋁粉顆粒、二氧化鈦顆粒、二氧化硅顆粒和碳化硅顆粒中的任一種。
[0023] 一種防污減阻涂層，通過包括以下步驟的制備方法制得：
[0024] 按以下重量份數(shù)稱取：2~20份的顆粒狀陽離子型填料、50~75份的成膜樹脂、 5~15份的固化劑、5~20份的稀釋劑，攪拌混合均勾，制得防污減阻涂料；
[0025] 將所述防污減阻涂料以噴涂或刷涂方式涂覆于基體表面，涂膜固化后，即在基體 表面制備出防污減阻涂層。
[0026] 優(yōu)選的，所述防污減阻涂層的厚度為0· Imm~Imm0
[0027] 為了能清楚的描述本發(fā)明的有益效果，首先需要對硅藻趨近船體等物體壁面的物 理作用過程作進一步地闡述。在硅藻趨近船體等的壁面的過程中，表面電極電位和離子靜 電力對其有顯著影響。對于硅藻以及大部分海洋微生物來說，由于磷酰基和羧酸基的電離， 細胞表面通常帶負電荷，其帶電情況可以通過zeta電位來評估，如娃藻的zeta電位大約 為-28mV?；谝陨戏治?，我們認為可以通過改變基底材料的電極電位來抑制硅藻趨近船體 等的壁面，從而來實現(xiàn)水面艦艇和水下航行體等海洋裝備的防污減阻。因為當涂層材料的 電極電位為正時，根據(jù)雙電層理論，涂層材料的表面的zeta電位為負，在靜電斥力作用下， 可以有效排斥同樣呈電負性的附著物如硅藻等。
[0028] 本發(fā)明創(chuàng)造性的把顆粒狀陽離子型填料如表面荷正電的金屬或非金屬微顆粒引 入了防污減阻復合功能涂料中，制得的防污減阻復合功能涂層內(nèi)部含有大量的顆粒狀陽離 子型功能性填料，即帶正電荷的微顆粒，從而使得復合功能涂層表面的電極電位呈現(xiàn)電正 性，在雙電層效應作用下，船體涂層近壁面流體介質呈現(xiàn)電負性，在離子靜電斥力作用下， 可有效抑制細胞表面同樣呈電負性的硅藻等海洋生物趨近壁面，從而有效防止海洋生物的 附著和污損，其原理示意圖見附圖1所示。
[0029] 此外，在船舶航行過程中，參與固-液壁面剪切的流體介質一一水分子，是一種極 性分子，一個水分子中的氧原子能夠與附近另一個水分子中的氫原子發(fā)生正負電荷相吸現(xiàn) 象，相鄰水分子間形成相互聯(lián)結的作用力，即氫鍵。由于本發(fā)明涂料中的帶正電微顆粒的作 用，使得復合功能涂層表面的電極電位呈現(xiàn)電正性，進而弱化了近壁面水分子間的氫鍵強 度，使得近壁面水分子規(guī)整排布，從而有效降低了近壁面水介質的動力粘度系數(shù)，摩