在海洋环境中，潮湿的建筑物上由于微生物的栖息及繁殖会造成所谓的生物污损。众所周知，藤壶和其他附着于船体和海洋建筑物的生物体是生物污损的一种形式；所以只要是使用江河及海洋水流的发电厂和水处理设施，就会受到生物污损的影响。
 
造成生物污损的生物体可以分为两组：宏观污损生物，其中涵盖了植物和动物，如藤壶、贝类、管虫和绿草；以及微观污损生物，其中包括单细胞藻类和细菌，也就是通常所说的粘液。
 
生物污损除了会影响船舶和工业生产设备（它们要依靠最佳水量运行）的流体动力阻力，也会降低钢筋和混凝土表面防腐检测的可行性；即生物污损会影响各种海洋建筑物，如各种船舶、浮式生产储存卸油（FPSO）船、海上风塔、海洋石油和天然气平台。我们都知道，生物污损会导致各种工业问题，如腐蚀、增加流体曳力以及降低传热效率等。生物污损一旦发生，那么要想彻底解决这一问题是非常困难的，同时在解决的过程中，还存在造成损伤基础保护涂层的风险。
 
AkzoNobel Marin & Protective Coatings公司已经开发出了一项解决海洋建筑物和工业生产设备中宏观及微观生物污损的技术，即一种不含抗微生物剂、先进的含氟聚合物防污涂料技术。根据AkzoNobel Marine & Protective Coatings公司国际涂料部高级市场经理Ian Fletcher的说法，一种简单的去除生物污损的技术对于腐蚀控制来说至关重要。在静态结构体上，如海上石油平台的钢支腿或FPSO的船体，要求其结构焊接的完整性能够通过目视进行检测和评估。如果其基材被那些不易除去的污损生物所覆盖，那么要去除这些污损生物需要非常大的力量，而这就可能会损坏底层的保护涂层，最终使基材变得易受腐蚀。
   
按传统的观点，生物污损可以通过防污涂料得到了控制。这其中包括释放活性杀菌剂到水中，从而防止生物栖息的涂料；以及不含抗微生物剂、“自我清洁”的去污损涂料，这种涂料是通过影响污损生物的粘附强度，从而使它们自行从涂层上脱落或是由水流冲刷除去。AkzoNobel Marine & Protective Coatings技术中心污染控制团队的领导Lyndsey Tyson以及Fletcher解释道，这是首次可以在市场上买到含硅的不含抗微生物剂的去污涂料。它们的表面具有光滑的、疏水性（防水）的特点，因此能够非常有效地控制宏观污损生物；但是，它们在防止微观污损生物上并不太成功，同时对重度的微观污损生物才表现较为敏感，这对于工业生产设备特别不利。
 
“这些污损去除技术还未达到100％的去污率，”Fletcher说道，“它们对于杂草和藤壶类污损生物的增长有良好的抗性，但对于污损粘液来说，还未见对其真正有效地进行抑制的方法，而任何类型的污损都会对表面水动力效率产生影响。”
   
Tyson和Fletcher认为表面高度亲水性的硅水凝胶涂料（对水表现出很强的亲和力）可以作为去污涂料使用，并且事实证明其在短期内对于微观污损生物的抑制是成功的。但是其对水的高度亲和性，限制了这些涂层的使用寿命，因为涂层膜会溶解于周围的水环境中。
 
这些问题可以通过最新发展的一种含氟聚合物污损去除涂料技术来解决，该技术创建了一个两亲性的表面，即一个同时包含亲水性和疏水性的表面。Tyson和Fletcher解释道，海洋生物往往会更偏向于一个疏水性或亲水性的表面，这取决于他们属于哪种生物体，因此一个完整的疏水性或亲水性表面会造成污损生物的优先栖息。含氟聚合物技术的两亲性特质创造了一个不易形成污损的表面，广泛地破坏了污损生物的沉积和粘附的影响。两亲性特质也使得除污涂料具有更长的寿命。较之于传统的抗污技术，含氟聚合物除污涂料展示了更好的宏观污损防污性能；并且较之于含硅涂料的抗污技术来说，该技术也显示了更好地微观生物污损抑制性能，AkzoNobel的研究人员认为其对于生物粘液的控制性能仍可以进一步改进。
 
Tyson和Fletcher表示宏观污垢的沉积和去除受到几个涂料性能的影响，同时指出这是有据可查的，涂层的表面化学和表面电荷、厚度和模量、表面粗糙度以及颜色都会影响其有效性。然而，研究人员仍未能具体掌握影响微观污损生物栖息和粘附于涂层的具体参数。因此，研究人员开展了一场广泛的研究，具体检测在海洋建筑物中发现的生物膜的组成和多样性，同时评估影响粘液粘附的具体涂料性能。研究员利用这次研究中所掌握的信息，设计并合成了一种定制的高性能氟聚合物，并将该氟聚合物融合至先进的含氟聚合物污损去除涂料技术中。 “我们在这里谈论的技术，是第一个能够真正阻止污损形成的技术，”Fletcher补充道。
 
涂料配方设计师通过对影响粘液附着特点的进一步了解，进一步优化了该含氟聚合物技术中的两亲性特质，不同表面能量区域的尺寸和分布更为显著，而这改善了涂料的粘液去除特性。“虽然该涂层表面是两亲性的，但它具有更多的亲水性特征，而这正是阻止粘液附着的重要特征，”Tyson说道。虽然对于某种涂料来说，具备两亲特性并不能算是独一无二的，但Tyson指出，在这种先进的含氟聚合物涂料技术中，对于疏水性和亲水性平衡的方式，是独一无二的。 “我们已经真正地推动了这项技术的发展，”她这样说道。
   
当这种先进的含氟聚合物涂料技术开发之后，AkzoNobel的研究人员设计了几种新的实验室测试方法，基于各种模拟操作环境下的水流动力，来精确测量涂料的粘液抗性和除污性能。为了培养粘液试验面板，研究员开发了多品种粘液培养反应器。将涂有先进含氟聚合物的试验盘和含硅脱污涂料的试验盘用于粘液污染，然后暴露于水流速率递增（从0.0?7.0 m/s）的平行流向表面水流中。结合多速水动力细胞拟态湍流、高分辨率成像和数字图像分析技术，根据水流速率函数，来确定去除的粘液数量。
 
结果表明：使用含硅涂料中的粘液，通常在水流速率低于1.5m/s时无法除去，只有当水流速率大于6.7 m/s时才能将粘液完全除去。与此形成对比的是，使用先进含氟聚合物涂料，在水流速率为1.5 m/s时即可完全除去粘液。含氟聚合物脱污涂料板和环氧涂料板的实地试验，在世界各地的多个海洋环境下进行。该涂料根据其随着时间所产生的结垢而进行评估。在超过40周的测试时间之后，含氟聚合物涂料板上的污损生物栖息的百分比约为10％，而环氧涂料板为100％。
 
此外，还进行了部分实地试验，以确定粘合强度以及宏观污损生物栖息的百分比。在瑞典西海岸的一个测试中，采用了防腐涂料、先进的含氟聚合物涂料，以及含硅涂料的面板，固定浸泡在海水中，然后藤壶附着于这些面板上。研究人员使用了一种掌上型测力计来测量除去藤壶所需要的力，并通过应用所测得的力和试验面板面积等数据，来计算其粘附强度。
 
防腐涂料的粘附强度约为100 psi（690 kPa）；含硅脱污涂料的粘附强度约为9 psi（62 kPa）；而高级氟聚合物脱污涂料约为5 psi（34 kPa），“这大约相当于用手擦拭涂层的力度，”Fletcher说道。由纽卡斯尔大学进行的独立试验中，研究院诱导藤壶介虫幼虫至先进含氟聚合物涂料和含硅脱污涂料的面板上，然后计算了藤壶栖息的面积百分比。试验结果表明，含硅涂料面板的藤壶覆盖百分率约为14％，而先进含氟聚合物涂料的覆盖率仅约为1.8％。
 
为了获取最佳脱污性能的平滑表面，通常是使用一个无气喷涂机，在一层厚为100 μm的打底层上，喷涂两层以上、每层厚达150 μm的防腐环氧树脂涂层，最后再敷上一层150 μm厚的含氟聚合物涂料，最后在大气条件下进行固化。
 
原文出处：《Materials Performance》2015年第54卷第3期14-17页
作者：L. Tyson，I. Fletcher


来源：材料与测试
译者：兔子小光

 
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