廣闊無垠的大海蘊(yùn)藏著無盡的寶藏，人們也越來越重視海洋資源的開發(fā)和利用。由于海洋環(huán)境是一種較為復(fù)雜且嚴(yán)苛的環(huán)境，這使得處在海洋環(huán)境中的儀器設(shè)備往往面臨著海水腐蝕、海洋生物污損、機(jī)械性磨損等眾多問題。其中，海洋生物污損是影響海洋運(yùn)輸、海上建筑、沿海電廠的一個(gè)世界性難題。它對(duì)船艦、金屬設(shè)備、海上鉆井平臺(tái)、碼頭建筑、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及其他的水下管道都會(huì)造成嚴(yán)重的破壞。而防污涂料則是解決以上問題最直接、最有效的手段。人們將防污涂料噴涂在材料表面構(gòu)筑起致密的保護(hù)層，并結(jié)合重金屬離子的毒殺作用，這樣不僅能夠抵御海水對(duì)材料的腐蝕，更能夠有效防止污損生物的附著集聚。                                       

圖1 海洋生物污損

一、海洋生物污損的介紹

海洋生物污損是指由于海洋中的污損生物在材料表面的附著、侵蝕而造成的設(shè)備損壞現(xiàn)象。目前已知的污損生物約有5000多種，既有動(dòng)物，也有植物和微生物，比較常見的有藤壺、貽貝、海藻等（圖2所示）。它們有的吸附在船艦底部，增大了船艦航行時(shí)的阻力，加快船底金屬的腐蝕；有的則生長在金屬管道內(nèi)部，容易造成管道的堵塞和泄露；還有的則生長在海上設(shè)施的表面，進(jìn)一步加快建筑的損壞。

圖2 海洋污損生物

那么海洋生物又是如何在材料表面吸附的呢？其實(shí)海洋生物的附著經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的過程。如圖3所示，在初期階段，一些有機(jī)物分子吸附在了材料表面構(gòu)成了基膜，同時(shí)，螺菌、弧菌、球菌、桿菌等海水中常見的細(xì)菌也會(huì)附著在材料表面，它們利用幾天的時(shí)間構(gòu)建起了一層生物膜，為后續(xù)的生物附著打下基礎(chǔ)。中期階段，硅藻孢子、纖毛蟲、鐘形蟲、線蟲等小型污損生物吸附在了生物膜上，且數(shù)量越來越多。在后期，一些依靠附著生活的藻類通過自身分泌的膠質(zhì)與物體表面連接，致使其種類及數(shù)量急劇增加，而生物膜的建立則為一些貽貝、藤壺等大型海洋附著生物在材料表面的附著奠定了基礎(chǔ)。因此，人們往往通過抑制生物膜的形成來有效地抑制生物污損問題。

圖3 海洋環(huán)境中材料表面的污損過程

由于我國海域遼闊，因此不同海域具有不同的污損情況。總體上，我國沿海地區(qū)污損嚴(yán)重程度呈現(xiàn)由北到南逐漸增加的趨勢，這是由于我國南方海域溫度較高，水域開闊，有利于各種污損生物的生長。同時(shí)，污損生物的附著也具有明顯的季節(jié)變化，有的生物可以全年附著，而有的則主要集中于一個(gè)季節(jié)附著。因此，根據(jù)污損具體情況而研制對(duì)應(yīng)的防污涂料是最為有效便捷的防污方法。

二、防污涂料的歷史

在古代，由于船舶都是由木頭制成，因此船蛆等鉆孔生物則成為了古代最主要的污損生物。古人利用瀝青、蠟、含有毒物的涂料涂覆于木船表面，用于防治船蛆。而我國在明朝時(shí)已經(jīng)掌握了成熟的木船防腐抗污技術(shù)，使得鄭和能夠七下西洋。隨著近代工業(yè)革命的到來，鋼殼船自從發(fā)明以來，一直面臨著海水腐蝕和生物污損兩大挑戰(zhàn)。到了第二次世界大戰(zhàn)，污損生物因其對(duì)戰(zhàn)艦、水下設(shè)施以及武器的危害而引起了人們的極大重視。在之后的幾十年間，海洋生物防污涂料技術(shù)發(fā)展迅速。

圖4 古代帆船、明朝帆船、近代郵輪及二戰(zhàn)航母

我國在解放前，防污涂料主要從歐洲進(jìn)口。50年代，我國的造漆廠已經(jīng)開始防污涂料的自主研發(fā)工作。雖然這些涂料存在著防污周期短，防污效果差，產(chǎn)量低，品種少等問題，但這為我國的防污涂料發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。到了60年代，由于我國海軍艦艇的防污需求，我國開始對(duì)瀝青、乙烯樹脂、氯化橡膠、丙烯酸樹脂及環(huán)氧樹脂等防污涂料進(jìn)行大量的研究工作。經(jīng)過了15年的奮戰(zhàn)，所研制出的鋁殼快艇涂料和鋼殼艦艇涂料使我國在艦船涂料的品種和質(zhì)量方面達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

20世紀(jì)70年代，有錫自拋光防污涂料的問世迅速占領(lǐng)了防污涂料的大部分市場。該涂料在海水的作用下可以緩慢水解，不斷地更新涂層表面，不利于海洋生物的附著，同時(shí)釋放出的有機(jī)錫化合物具有一定的毒性，能夠高效地毒殺附著的生物。然而由于有機(jī)錫化合物具有很強(qiáng)的毒性且不易降解，造成了海洋污染，破壞了生態(tài)平衡，如今許多國家已經(jīng)禁止使用該種涂料。

三、當(dāng)前主流的防污涂料

1自拋光防污涂料

當(dāng)海洋生物附著于涂層表面時(shí)，自拋光防污涂料經(jīng)過一系列的物理化學(xué)作用之后，能夠?qū)崿F(xiàn)表層的自我脫落刷新，同時(shí)內(nèi)層的涂料顯露出來繼續(xù)發(fā)揮保護(hù)作用，涂層內(nèi)所含的防污劑也在這一過程中釋放出來。經(jīng)過了這樣的周而復(fù)始，涂層達(dá)到了持續(xù)防污和自拋光作用（原理如圖5所示）。目前，一般使用毒性更低的氧化亞銅替代有機(jī)錫化合物作為涂料中的防污劑。但銅也會(huì)影響海洋中海藻及各種魚蝦的生長繁殖，破壞生態(tài)環(huán)境。因此，開發(fā)具有無毒、高效、環(huán)境友好的新型化學(xué)防污涂料是防治海洋生物污損的趨勢。

圖5 自拋光涂層的工作原理

2低表面能防污涂料

表面能指的是兩個(gè)不同表面之間的結(jié)合能力，低表面能表面的附著力小，生物難以附著或附著不牢。由于海洋污損生物需要在材料表面粘附才能生長，而材料的表面能越低，海洋生物的附著就越困難，且在水流的沖刷作用下越容易脫落。因此，低表面能涂料在海洋防污領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與其他類型的防污涂料相比，低表面能防污涂料通過物理方式進(jìn)行防污，不會(huì)釋放任何有毒物質(zhì)，更加綠色環(huán)保，經(jīng)濟(jì)高效，克服了防污涂料對(duì)海洋環(huán)境的污染問題。目前，有機(jī)氟、有機(jī)硅、氟硅改性、無溶劑環(huán)氧等低表面能防污涂料占據(jù)了新興市場。然而，施工過程繁瑣、維護(hù)保養(yǎng)困難等問題也在一定程度上限制了它們的推廣。

圖6 低表面能表面

3天然產(chǎn)物防污涂料

近年來，隨著綠色環(huán)保觀念的深入人心，天然產(chǎn)物防污涂料越來越受到關(guān)注。科研工作者從動(dòng)植物中提取出的有機(jī)酸、無機(jī)酸、內(nèi)酯、萜類、酚類、甾醇類和吲哚類等天然成分具有良好的防污性能，將其作為防污劑應(yīng)用于防污涂料中，具有綠色環(huán)保、高效持久的特點(diǎn)。然而，由于大多數(shù)動(dòng)植物中防污成分的含量低、提取工藝繁瑣、成本高，致使天然產(chǎn)物防污劑未得到廣泛的應(yīng)用，仍有不少問題亟待解決。

圖7 天然提取物作為防污劑

4 仿生防污涂料

在大自然中，有這樣的一類表面，它們可以利用“天生”的表面特性來抵御其他物質(zhì)的附著，而仿生防污涂料的靈感正來源于此。例如池塘中的荷葉、海洋中的海豚、鯨魚、鯊魚、海藻等，它們的表面具有的特殊結(jié)構(gòu)賦予了它們低表面能的特性，從而能夠有效阻止生物的附著。人們從這些生物自身的防污機(jī)理中獲得啟發(fā)，研制出具有類似特性的仿生涂料。然而，仿生涂料的研究目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，真正能夠產(chǎn)業(yè)化還需要一段時(shí)間。

圖8 荷葉表面微觀結(jié)構(gòu)

四、總結(jié)

海洋防污涂料作為最直接、最有效解決海洋生物污損的一種方式，已被廣泛地研究。其中，自拋光防污涂料在實(shí)際應(yīng)用中效果顯著，占據(jù)了大部分的市場；綠色環(huán)保的防污涂料更符合如今的發(fā)展趨勢，但目前一些新型無毒防污涂料仍處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段；低表面能改性方法可以賦予材料表面高效持久的防污能力；通過模仿自然界中一些生物自身的防污特性，可以設(shè)計(jì)出具有類似特性的仿生表面來進(jìn)行防污。總之，污損生物在固體表面的附著受多種因素的影響，人們從不同的因素、不同的角度入手，不斷研究各種防污方法。未來海洋防污涂料的研究和使用將朝著低毒或無毒、可降解、無污染、環(huán)境友好的方向發(fā)展。