一种阳离子型防污减阻复合功能涂料及涂层的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于防污减阻涂料技术领域，涉及一种海洋工程用防污减阻涂料，特别涉 及一种阳离子型防污减阻复合功能涂料，同时还涉及一种采用该涂料制得的涂层。
【背景技术】
[0002] 水面舰艇和水下航行体等海洋装备在停泊港口、甚至在航行过程中，均会出现海 洋生物的附着与污损。全世界海域已报告的污损生物种类有近4000种。海洋生物的附着 主要包括两大类：微生物附着（主要是细菌与硅藻）和宏观生物附着（如藤壶、蚌类、苔藓 虫及海藻等）。海洋生物附着与污损会增加航行阻力、降低船舶航速、增大燃油消耗；还会 增加船体表面的清理难度和维护成本。对潜艇、军舰等海洋兵器而言，这意味着战术性能的 下降，更有甚者使其功能失效。
[0003] 海洋生物在船体表面的附着与污损，其典型过程为：有机化合物通过物理吸附作 用吸附在船体基底表面，形成调制膜，以改变船体基底表面的物化特性；细菌与硅藻趋近船 体基底壁面并最终深度附着形成生物膜；大型藻类及藤壶类等宏观生物随后附着，形成复 杂的生物群落。上述过程的各环节中，前期调制膜的形成以及微生物与壁面的趋近过程是 物理作用过程，是可逆的；而后期的微生物在壁面上的爬行、深度附着、分裂繁殖以及后续 宏观生物的附着是生化作用过程，是不可逆的。
[0004] 事实上，在海洋环境中，硅藻是趋近性附着可逆过程的主要参与者。硅藻在静电 力、范德华力、重力和水流驱动等物理作用下，趋近船体壁面并初步接触，随后硅藻将选择 性爬行并深度附着，并通过分泌胞外聚合物形成生物膜，此后生物附着与污损将不可逆转。 因此，防污的工作重点是抑制物理性趋近附着的可逆环节，即防止硅藻等海洋微生物趋近 船体壁面并吸附在基底上。
[0005] 以防污涂料为代表的海洋防污技术的发展经历了三个阶段：常规防污涂料、有机 锡共聚物自抛光防污涂料及无锡自抛光防污涂料。其中，有机锡防污涂料具有广谱杀菌、防 污能力强、防污时效长等显著特点，但其对海洋生物和海洋环境的危害性较大，目前已被国 际海事组织禁止使用。无锡自抛光防污涂料的主要毒料（如氧化亚铜等）和树脂由于从漆 膜中释放后迅速降解而失去毒性，因此与有机锡防污涂料相比，其对海洋环境的危害相对 较小，然而现有的无锡自抛光防污涂料存在防污减阻效果差的缺点。开发防污减阻效果好、 环境友好的新的海洋工程用涂料，仍是目前研究的重要课题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种阳离子型防污减阻复合功能涂料，主要用于海洋工程的 防污减阻。
[0007] 本发明的目的还在于提供一种由复合功能涂料制备的防污减阻涂层，涂层在海水 中的电极电位为正，从而有效防止海洋生物附着与污损，并显著降低表面摩擦阻力。
[0008] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种阳离子型防污减阻复合功 能涂料，所述涂料中包括：颗粒状阳离子型填料、成膜树脂、固化剂和稀释剂。
[0009] 优选的，颗粒状阳离子型填料的重量份数为2~20份，成膜树脂的重量份数为 50~75份。
[0010] 进一步优选的，所述固化剂的重量份数为5~15份，稀释剂的重量份数为5~20 份。
[0011] 其中，所述颗粒状阳离子型填料为表面带有正电荷的金属或非金属微颗粒。
[0012] 所述成膜树脂选自氟碳树脂、有机硅树脂和丙烯酸树脂中的一种或几种。
[0013] 所述固化剂为异氰酸酯，所述稀释剂为二甲苯和/或乙酸丁酯。
[0014] 所述颗粒状阳离子型填料通过包括以下步骤的制备方法制得：
[0015] (1)颗粒荷电
[0016] 选取粒径r为0. 01 μπι~20 μπι的金属或非金属微颗粒，通过直流电晕放电进行 颗粒荷电，使用的直流电场的两极板电压U1控制为5kV~50kV，匀强电场E。，得到表面分别 荷正电和荷负电的微颗粒，即带电微颗粒；
[0017] (2)静电分选
[0018] 将表面分别荷正电和荷负电的微颗粒通过静电分选方法进行分离：将所述带电微 颗粒送至两个竖直的且对应设置的带电平板的上方，其中一个带电平板带正电，另一个带 电平板带负电，带电微颗粒从所述两个带电平板之间的中间位置下落，在下落过程中发生 偏转，表面荷正电的微颗粒向带负电的带电平板处偏转，表面荷负电的微颗粒向带正电的 带电平板处偏转，实现表面荷正电和表面荷负电的微颗粒的分离，其中表面荷正电的微颗 粒即所述颗粒状阳离子型填料；
[0019] 带电微颗粒的质量m、带电微颗粒的带电量q、两个竖直的对应设置的带电平板的 间距d、两带电平板的竖直高度L、两带电平板间的电压1]2应该满足：
[0020] 2U2qL = md2g，
[0021] 其中，g为重力加速度。
[0022] 所述微颗粒为铝粉颗粒、二氧化钛颗粒、二氧化硅颗粒和碳化硅颗粒中的任一种。
[0023] 一种防污减阻涂层，通过包括以下步骤的制备方法制得：
[0024] 按以下重量份数称取：2~20份的颗粒状阳离子型填料、50~75份的成膜树脂、 5~15份的固化剂、5~20份的稀释剂，搅拌混合均勾，制得防污减阻涂料；
[0025] 将所述防污减阻涂料以喷涂或刷涂方式涂覆于基体表面，涂膜固化后，即在基体 表面制备出防污减阻涂层。
[0026] 优选的，所述防污减阻涂层的厚度为0· Imm~Imm0
[0027] 为了能清楚的描述本发明的有益效果，首先需要对硅藻趋近船体等物体壁面的物 理作用过程作进一步地阐述。在硅藻趋近船体等的壁面的过程中，表面电极电位和离子静 电力对其有显著影响。对于硅藻以及大部分海洋微生物来说，由于磷酰基和羧酸基的电离， 细胞表面通常带负电荷，其带电情况可以通过zeta电位来评估，如娃藻的zeta电位大约 为-28mV。基于以上分析，我们认为可以通过改变基底材料的电极电位来抑制硅藻趋近船体 等的壁面，从而来实现水面舰艇和水下航行体等海洋装备的防污减阻。因为当涂层材料的 电极电位为正时，根据双电层理论，涂层材料的表面的zeta电位为负，在静电斥力作用下， 可以有效排斥同样呈电负性的附着物如硅藻等。
[0028] 本发明创造性的把颗粒状阳离子型填料如表面荷正电的金属或非金属微颗粒引 入了防污减阻复合功能涂料中，制得的防污减阻复合功能涂层内部含有大量的颗粒状阳离 子型功能性填料，即带正电荷的微颗粒，从而使得复合功能涂层表面的电极电位呈现电正 性，在双电层效应作用下，船体涂层近壁面流体介质呈现电负性，在离子静电斥力作用下， 可有效抑制细胞表面同样呈电负性的硅藻等海洋生物趋近壁面，从而有效防止海洋生物的 附着和污损，其原理示意图见附图1所示。
[0029] 此外，在船舶航行过程中，参与固-液壁面剪切的流体介质一一水分子，是一种极 性分子，一个水分子中的氧原子能够与附近另一个水分子中的氢原子发生正负电荷相吸现 象，相邻水分子间形成相互联结的作用力，即氢键。由于本发明涂料中的带正电微颗粒的作 用，使得复合功能涂层表面的电极电位呈现电正性，进而弱化了近壁面水分子间的氢键强 度，使得近壁面水分子规整排布，从而有效降低了近壁面水介质的动力粘度系数，摩