一种防止钛或钛合金表面附着海生物的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钛材料在海洋中的应用技术领域，具体涉及一种防止钛或钛合金表面附着海生物的方法。
【背景技术】
[0002]海洋装备在服役过程中遇到的难题是海生物的附着与污损问题。各种海洋生物，如藤壶、藻类、牡蛎、贻贝、石灰虫、浒苔等会在船舶外壳、海洋建筑物、养殖网箱等表面上无选择性地大面积粘附。海生物的粘附会增加船底粗糙度，引起船舶航行阻力增加，使船舶的能耗与排放加剧，给船舶航行带来极大危害。据统计，水线下船壳污损5%，燃料将增耗10%,污损10 %，燃料将增耗20 %，污损大于50 %，燃料将增耗40 %以上。海生物的粘附会加速海洋设施、建筑等结构件污损腐蚀，显著缩短其寿命。这些粘着的污损生物会导致其附着区域内的pH值、溶氧浓度及其他溶解质浓度在空间上分布不均匀，从而改变金属材料腐蚀的速率和进程。污损生物也会加快电化学腐蚀的过程和速度。据报道，由于海生物污损引起的厌氧腐蚀，美国每年造成50?60亿美元的损失。面对海生物的严重危害，人们研究了许多防止海生物粘着，减少污损的方法。
[0003]防污涂料是一种很早就被采用的方法，早期有毒的含锡涂料逐渐被无锡自抛光防污涂料所代替，如氧化亚铜(Cu20)防污剂、杂环类杀菌、防霉剂等。涂刷防污涂料施工复杂，寿命短。电解海水防污法较防污涂料法有着寿命长、生成的次氯酸离子对海水污染少等优点，但结构复杂，需要外加电解电源，对没有电能的环境不适用。人们通过“放置于海水中的铜材料表面不会或较少的有海生物附着”的现象研究发现，铜离子及氧化亚铜能够抑制海生物的附着。铜材料通过与海水的反应成为铜离子，铜离子会降低生物机体中主酶的活化作用，以缩短生物寿命。氧化亚铜可以杀死海生物的幼虫和孢子。再进一步研究表明，当铜的渗出率大于10 μ g/ (cm2d)时可抑制藤壶附着；当铜的渗出率大于10?20 μ g/ (cm2d)可抑制水螅、水母附着；当铜离子的渗出率大于20?40 μ g/(cm2d)可抑制藻类附着；当铜离子的渗出率大于40yg/(cm2d)可防止产生细菌附着；当铜离子渗出率大于50 μ g/(cm2d)时，可抑制绝大部分海生物附着。因此，通过控制海水中铜离子的渗出率就可以有效抑制海生物的附着，当铜离子的渗出率大于50yg/(cm2d)时，就可抑制绝大部分海生物附着。根据这些研究，人们研制了电解铜-铝(铁)防污和电解氯-铜、铝防污方法，通过海水电解质电解生成含有氧化亚铜、A1 (0H)3、有效氯，达到防止海生物附着的目的，同样，这两种方法结构复杂，需要电能。
[0004]钛合金具有低密度，高强度和耐海水腐蚀等优异的性能，被广泛应用于海洋温差发电，海水淡化，油气开采，舰船，水产养殖等海洋工程领域，被人们誉为“海洋金属”。钛合金具有良好的生物相容性，是海生物理想的栖息地，因此，钛合金在海洋工程中的生物污损问题比其他金属材料更加严重。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种防止钛或钛合金表面附着海生物的方法，该方法利用钛材料和铜材料在海水中发生电偶腐蚀现象，使铜材料加速腐蚀，产生大量的铜离子和氧化亚铜，这些铜离子和氧化亚铜扩散到相邻的钛材料表面，能够抑制海生物在钛材料表面的附着。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种防止钛或钛合金表面附着海生物的方法，其特征在于，该方法为:将钛材料和铜材料紧密贴合放置，得到电偶腐蚀结构，然后将所述电偶腐蚀结构置于海水中；所述电偶腐蚀结构中的钛材料浸入海水中的表面面积与所述电偶腐蚀结构中的铜材料浸入海水中的表面面积之比为(1?100):1，所述钛材料为工业纯钛或钛合金，所述铜材料为工业纯铜或铜合金。
[0007]上述的一种防止钛或钛合金表面附着海生物的方法，其特征在于，所述电偶腐蚀结构中的钛材料浸入海水中的表面面积与所述电偶腐蚀结构中的铜材料浸入海水中的表面面积之比为(1?40):1。
[0008]上述的一种防止钛或钛合金表面附着海生物的方法，其特征在于，所述钛材料和铜材料均表面光洁且平整。
[0009]上述的一种防止钛或钛合金表面附着海生物的方法，其特征在于，所述工业纯钛为TA1工业纯钛或TA2工业纯钛，所述钛合金为TC4钛合金、Τ?80钛合金、Τ?75钛合金或Ti90钛合金。
[0010]上述的一种防止钛或钛合金表面附着海生物的方法，其特征在于，所述工业纯铜为T1紫铜、T2紫铜、TU1无氧铜、TUP脱氧铜或TU2无氧铜，所述铜合金为HSi3_l硅青铜或HA177-2A 黄铜。
[0011]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0012]1、本发明利用钛材料和铜材料在海水中发生电偶腐蚀现象，使铜材料加速腐蚀，产生大量的铜离子和氧化亚铜，这些铜离子和氧化亚铜扩散到相邻的钛材料表面，能够抑制海生物在钛材料表面的附着。
[0013]2、本发明的理论依据是:在腐蚀介质中，金属与电位更高的另一种金属接触发生的腐蚀为电偶腐蚀，钛在25°C流动海水中自腐蚀电位约为0.1V(SCE)，而黄铜在25°C流动海水中自腐蚀电位约为-0.4V(SCE)，当钛和铜相互接触并处于海水中时，由于钛和铜存在电位差，它们形成了电偶，就发生了电偶腐蚀，电位低的铜受到加速腐蚀，电位高的钛得到了保护，也就是不发生腐蚀，铜受到加速腐蚀生成了能够抑制海生物生长的铜离子和氧化亚铜，这些铜离子和氧化亚铜扩散到钛表面，有效的抑制了钛表面海生物的生成，发生的反应如下:
[0014]Cu+2C1—= CuCl2—+e
[0015]2CuC12—+H20 = Cu20+4C1—+2H+
[0016]2Cu+02+2H20+C1—= Cu2 (OH) 3C1+0H—
[0017]铜与海水中的氯离子发生反应生成可溶的CuCl2一，CuCl2一水解生成了对海生物的生成具有抑制作用的Cu20，铜与海水中的水及氯离子反应生成碱式氯化铜，碱式氯化铜在海水中不断释放铜离子，由于这种因电偶腐蚀引起铜的加速腐蚀会不断的进行，Cu20和铜离子能够不断地生成，因此，可以实现对钛材料长时间的保护，反应终止的条件是铜材料被完全腐蚀了，但通过更换铜材料可重新启动反应；
[0018]铜在海水中具有良好的耐蚀性能，也就是说在海水中通过海水的腐蚀释放的铜离子较少，学者研究发现，在我国南海海域，紫铜及铜合金在海水中的年腐蚀速率均较低，一年试验结果为:5.6?44X 10 3mm/a,四年试验结果为:2.2?19X10 3mm/a，八年试验结果为:2.4?15X10 3mm/a，同时可以看出，不仅腐蚀速率低，而且腐蚀速率随时间的延长呈降低趋势；采用本发明的电偶腐蚀结构，铜的腐蚀得到了加速，在本发明试验条件下，铜的加速腐蚀试验平均结果为:半年试验平均结果为11.2mm/a，一年试验平均结果为12.8mm/a,一年半试验平均结果为11.5mm/a，两年试验平均结果为13.2mm/a，两年半试验平均结果为14.6mm/a，三年试验平均结果为18.2mm/a，可以看出，电偶腐蚀结构加速了铜的腐蚀速率，铜的腐蚀速率持续保持在11.2mm/a以上，是铜材料在海水中腐蚀速率的200倍以上，并且随时间的延长呈增加的趋势，在该加速铜腐蚀的状态下，铜离子最大的渗出率大于27mg/cm2d，远大于能够抑制绝大部分海生物附着的最低铜离子渗出率50 μ g/cm2do
[0019]3、本发明中将钛材料与铜材料紧密贴合后置于海水中，由于钛材料和铜材料存在电位差，两者形成了电偶，发生了电偶腐蚀，在电位低的铜材料表面形成了铜的腐蚀区，海水对铜的腐蚀生成了铜离子和氧化亚铜，铜离子和氧化亚铜扩散到钛材料表面，抑制了钛材料表面海生物的附着，达到了保护钛材料的目的，通过调整钛材料浸入海水的表面面积与铜材料浸入海水的表面面积之比，对铜材料的腐蚀速率进行控制，可有效的控制铜腐蚀产物(铜离子和氧化亚铜)的数量，以实现钛材料表面有效的抑制海生物生长的目的，该方法结构简单，不需要外加电源，使用方便，安全可靠。
[0020]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0021]图1为本发明电偶腐蚀结构中钛材料和铜材料紧密贴合处的截面示意图。
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