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污损阻抗型有机硅基防污涂料研究进展(Ⅰ)

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污损阻抗型有机硅基防污涂料研究进展(Ⅰ)


海洋生物污损是指海洋微生物、动物、植物在海水以下表面附着、生长、繁殖而形成的生物垢,它给海洋设施和海洋开发带来诸多的问题。生物垢会增加船舶航行阻力,降低其航行速度,增加燃油消耗以及温室气体排放,而且附着的生物会随着船只迁移到其他海域,带来生物入侵的问题;它也会加速金属结构腐蚀,给海上采油平台等海洋开采装备带来安全隐患;生物污损还会阻塞核电站、抽海水蓄能电站等能源设施的海水冷却管道,降低冷却效率;同时,也会阻塞海产养殖网箱的网孔,阻碍营养物质的输送,降低产量。可见,防治海洋生物污损对于海洋开发具有重要的保障作用。

在众多海洋防污方法中,涂装防污涂料是最有效、经济、便捷的方法。按照是否释放防污剂,防污涂料可以分为杀生型和非杀生型。前者含有毒性防污剂,依靠防污剂的不断释放,达到杀死或驱散污损生物的目的。随着人们环保意识的提高,防污剂的使用在多个国家受到法规严格审查,非杀生型防污涂料受到人们越来越多的关注,其中最具有应用前景的是污损脱附型涂料(FRCs)。FRCs大多是基于有机硅弹性体,特别是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。它具有低表面能、高弹性、低表面粗糙度的特点,因此污损生物不易附着在涂层表面,或者附着不牢固,在强水流的冲刷作用下易于从涂层表面脱除,不依靠防污剂即达到防污效果,生态友好。光滑的表面同时可以减低船行阻力,降低油耗和温室气体的排放。此外,由于具有交联的化学结构,有机硅材料在海水中很稳定,不易受到海水的侵蚀,理论上服役时间可超过防污剂释放型防污涂料(如自抛光防污涂料)。实际上,一些国际船舶涂料企业已有FRCs产品,并在远洋船舶上得到一定应用。然而,有机硅材料在低航速以及静态条件下由于缺少强水流冲刷污,损脱附能力有限,尤其对于硅藻和细菌分泌的黏液层防污效果很差,这导致FRCs无法满足静态服役海洋装备(如采油平台、海洋牧场等)的防污需求。为了改善污损脱附型有机硅涂料的抗污能力,研究人员采取了多种物理或化学修饰的方法,研制了兼具污损阻抗性和污损脱附性的FRCs,本文将简要叙述该方向近年来的研究进展。

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两亲性聚合物改性有机硅

海洋生物具有多样性,不同污损生物有不同的黏附机理,例如,硅藻Naviculaincerta趋向于黏附于疏水性表面,绿藻Ulvalinza则趋向于亲水性表面。因此设计单一亲水性或者疏水性表面难以达到最佳抗污效果。两亲性材料同时具有亲水和疏水部分,可以在涂层表面形成不同的亲疏水微区,研究表明两亲性表面具有抗污性能,有学者解释为其两亲性基团形成一种“混淆表面”。聚乙二醇(PEG)是常用的亲水性材料,具有抗蛋白吸附、非毒性等特点,基于PEG的两亲性材料已经被用于改性有机硅防污涂层。Sundaran等制备了一种PDMS-PEG的两亲性嵌段共聚物,并将其混入到PDMS中。实验首先合成了一种PDMS基的大分子原子转移活性自由基聚合(ATRP)试剂,然后引发聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯(PEGMA)和丙烯酸氟碳酯(AF6)的自由基聚合。通过调节PEGMA和AF6的比例,制备了一系列不同PEGMA/AF6比例和不同相对分子质量的共聚物。由于氟碳酯具有更低的表面能,因此在成膜过程中,会使两亲性嵌段共聚物迁移到涂层的表面,并展现出良好的污损脱附和污损阻抗能力。但由于双亲性共聚物是通过物理共混引入,会不断释放到海洋环境中,涂层的长效性有待进一步评估。Rufin等将一种硅氧烷-聚环氧乙烷嵌段共聚物(PEO-sliane)通过末端的硅氧偶联剂交联....


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