有机硅防御型防污涂料在船舶涂装中的应用

摘要：有机硅材料以其独特的化学结构，具备高热稳定性和化学稳定性，低表面能赋予其疏水和防污特性。在船舶涂装中有机硅防污涂料通过喷涂、滚涂等涂装工艺，形成一层致密的涂层，有效抑制藤壶、藻类等海洋生物的附着。这种涂料不仅提高了船舶的航行效率，降低了燃油消耗，还显著延长了船舶的使用寿命，减少了维护成本，有机硅防污涂料对环境的低毒性和低释放特性，使其成为绿色、可持续的防污解决方案，符合现代环保法规的要求。本文将详细介绍有机硅防御型防污涂料的性能特点、应用优势及其在船舶涂装中的具体应用，为船舶涂装行业提供参考。

关键词：有机硅；防污涂料；船舶；涂装

Abstract: Silicone material with its unique chemical structure, with high thermal stability and chemical stability, low surface can give its hydrophobic and antifouling characteristics. In the ship coating, silicone antifouling coating through spraying, rolling coating process, form a dense coating, effectively inhibit the attachment of barnacles, algae and other Marine organisms. This coating not only improves the navigation efficiency of the ship, reduces the fuel consumption, but also significantly extends the service life of the ship, reduces the maintenance cost, silicone antifouling coating on the low toxicity and low release characteristics of the environment, making it a green and sustainable anti-pollution solution, in line with the requirements of modern environmental laws and regulations. This paper will introduce the performance characteristics, application advantages and its specific application of silicone defensive antifouling coating in detail, so as to provide reference for the ship coating industry.

Key words: silicone; antifouling coating; ship; coating

众所周知，由于运力过剩和经济增长缓慢的双重影响，当前航运市场持续处于低迷状态。船东和航运公司面临着双重挑战：一方面需要寻找各种机会来降低运营成本，提升竞争力；另一方面，他们也积极倡导绿色航运，致力于减少碳排放。在这种背景下，低成本、高效率的管理模式已经成为了航运业乃至全球经济发展的重要方向。

图1：有机硅防御型涂料涂装后的轮船

一、有机硅材料的特性

（一）有机硅的化学结构

有机硅材料是一类独特的聚合物，其化学结构以硅原子为核心，通过硅氧键（Si-O）连接并结合有机基团，这种结构赋予了有机硅材料许多独特的性能，硅氧键的高键能（约452 kJ/mol）使得有机硅材料具有极高的热稳定性和化学稳定性，相比之下碳碳键（C-C）的键能仅为347 kJ/mol，因此有机硅材料在高温环境下表现出优于传统有机聚合物的性能。

有机硅材料的分子结构中硅原子与氧原子交替排列，形成一个类似“骨架”的结构，这种排列方式使得硅氧键具有极低的极性导致有机硅材料的表面能非常低。低表面能是导致有机硅材料具有疏水和防污特性的关键因素之一，例如有机硅涂层能够排斥水滴和油滴，使其在船舶涂装中表现出优异的防污效果，海洋生物如藤壶、藻类等往往依赖于黏附在高表面能的基材上生存，而低表面能的涂层则能有效阻止它们的附着，显著延长船舶的使用寿命并减少维护成本。

图2：藤壶、藻类等附着示意图

（二）有机硅材料的物理性能

有机硅材料具有出色的耐高温性能，由于硅氧键的高键能和低极性，有机硅聚合物可以在高达200-300°C的温度下长期使用而不发生明显的降解，甚至在某些特殊配方下可以承受更高的温度，这种耐高温性能使得有机硅材料广泛应用于航空、航天、汽车发动机等高温环境下的密封、绝缘和防护[1]。有机硅材料还具有良好的耐低温性能，它们在低温环境下不会变脆，仍能保持一定的柔韧性和弹性，例如硅橡胶在-50°C甚至更低的温度下仍能保持其物理性能，这使得有机硅材料适用于极端气候条件下的各种应用。

（三）有机硅材料的生物惰性

有机硅表面因其极低的表面能而表现出对海洋生物的强烈排斥性，例如藤壶、藻类和贝类等海洋生物通常依赖于黏附在高表面能的基材上生长，而有机硅涂层的低表面能使得这些生物难以在其表面形成稳固的附着，有机硅涂层能够显著减少藤壶等附着生物的附着率，甚至在某些情况下完全阻止它们的生长。与传统含铜或含氧化亚铜的防污涂料相比，有机硅材料不会因释放有毒物质而逐渐失效，相反其低表面能和化学惰性能够长期维持对海洋生物的排斥作用，从而实现长效防污，例如船舶涂装中使用的有机硅防污涂料可以在不进行频繁重新涂装的情况下保持5-10年的有效防污期[2]。

二、有机硅防污涂料在船舶涂装中的应用

（一）涂装工艺

1.表面处理

船舶表面通常会受到海水、盐雾、油污和生物附着的影响，因此在涂装前必须进行彻底的清洁和处理，船舶表面需要进行机械清理，例如喷砂或高压水冲洗以去除旧涂层、锈迹和附着物。喷砂处理能够有效增加表面的粗糙度从而提高涂层的附着力，表面需要进行化学清洗，使用溶剂或碱性清洗剂去除油污和残留物，确保表面干净无污染，表面还需要进行钝化处理以增强其抗腐蚀性能。

2.涂装方法

有机硅防污涂料的涂装方法通常包括喷涂、滚涂和刷涂等。喷涂是最常用的方法，因为它能够快速、均匀地将涂料覆盖在船舶表面，特别适用于大面积涂装，喷涂方法可以分为空气喷涂和无气喷涂两种，空气喷涂利用压缩空气将涂料雾化并喷射到表面，适用于精细涂装；而无气喷涂则通过高压将涂料直接喷射到表面，适用于厚涂层和高粘度涂料。滚涂和刷涂则适用于小面积或复杂结构的涂装，例如船舶的边角、焊缝和管道等部位，无论采用哪种方法，涂装过程中都需要注意涂料的均匀性和厚度控制以确保涂层的防污效果和机械性能[3]。

3.干燥与固化

有机硅涂料通常通过化学反应进行固化形成致密的硅氧网络结构，这一过程需要一定的温度和湿度条件，通常在室温下进行但在某些情况下可能需要加热以加速固化。固化过程中涂料中的溶剂逐渐挥发，硅氧键形成并交联，最终形成具有高机械强度和化学稳定性的涂层。固化时间的长短取决于涂料的配方和环境条件，通常在几小时到几天之间，固化完成后涂层应进行质量检查，包括附着力测试、厚度测量和表面缺陷检查，确保其符合设计要求[4]。

（二）防污效果

1.对海洋生物的抑制作用

有机硅防污涂料的核心防污机制在于其对海洋生物的排斥性，海洋生物如藤壶、贻贝和藻类等通常依赖于表面吸附和黏附来附着在船舶表面，传统防污涂料通常依赖有毒物质的释放来杀死或抑制这些生物的生长，但这种方法不仅对海洋生态系统造成危害，而且随着时间的推移有毒物质的释放逐渐减少，防污效果也会随之减弱。

有机硅材料的低表面能使其表面具有极强的疏水性和不粘附性，这种特性使得海洋生物的黏附变得异常困难，例如藤壶的生长需要通过分泌黏液牢固地附着在基材表面，而有机硅涂层的高度疏水性使得黏液无法均匀分布，从而阻止藤壶的附着。有机硅材料的化学惰性使其不会被海洋生物作为营养源或生长基质，传统涂料中的铜或其他有毒成分可能会被某些藻类或细菌利用，从而促进它们的生长，而有机硅涂层则完全避免了这一问题，由于有机硅材料对生物代谢物质的低反应性，海洋生物在其表面无法获得足够的营养支持从而抑制了它们的生长[5]。

2.对船舶性能的影响

防污涂料的应用显著减少了船舶表面的生物附着，降低船舶的摩擦阻力，海洋生物的附着会导致船体表面粗糙度增加，进而增加水流阻力，降低船舶的航行速度。船舶表面附着的藤壶和贻贝等生物会使船体的摩擦阻力增加10%-20%，导致燃油消耗增加5%-10%，而有机硅防污涂料的应用有效地减少了这种附着，使得船舶能够在保持高效航速的同时降低燃油消耗，提高能源利用率。有机硅防污涂料的耐久性和化学稳定性也对船舶的维护周期产生了积极影响，传统防污涂料需要每隔1-2年进行一次重新涂装，而有机硅防污涂料的使用寿命可达5-10年，甚至更长，船舶在长期运营中可以减少频繁的停机维护，提高船舶的运营效率和可用性。根据推力功率可以估算船舶的燃油消耗量，以发动机效率为70%，燃油热值为42,000 kJ/kg为例，船舶的燃油消耗量计算公式如下：

其中：mf为燃油消耗率（kg/s）；

p为推力功率（W）；

n为发动机效率；

hf为燃油热值（J/kg）；

根据上文例子，计算过程如下：

（三）环保性能

传统的防污涂料多依赖于释放有毒物质如铜、氧化亚铜、有机锡化合物等来抑制海洋生物的附着，这些有毒物质在水中的释放不仅对海洋生物造成致命的毒害，还会导致生态系统的长期损害[6]。有机硅材料本身具有极低的生物毒性，其主要成分硅氧键具有高度的化学稳定性，不会在水中分解或释放有害物质，许多有机硅产品已经通过了国际上的严格生物安全测试，广泛应用于医疗、食品和化妆品等领域，证明了其对人体和环境的安全性，在船舶涂装中使用有机硅防污涂料可以显著减少对海洋生物的毒害，避免因有毒物质的释放而引起的生态平衡破坏。

结论：

有机硅防御型防污涂料不仅能够有效减少船体表面海洋生物的附着，提升船舶航行效率，降低燃油消耗，还能显著减少维护成本，延长涂层使用寿命，其环保特性符合国际环保法规要求，减少了对海洋生态的影响，推动了绿色航运的发展。随着全球航运业对节能减排和环保要求的不断提升，有机硅防御型防污涂料有望在未来船舶涂装中发挥更加重要的作用，为航运行业实现可持续发展提供有力支持。

参考文献：

[1]汪梓迅,杨芮,史胜,等.有机硅涂层专用浅色硅橡胶四防面漆的制备与性能评价[J].上海涂料,2024,62(05):29-33.

[2]葛仁奎,王国庆,朱小飞,等.多元嵌段有机硅防热涂层制备及性能研究[J].固体火箭技术,2024,47(05):694-700.

[3]李庆,李遵陕,吴翠,等.单组分室温固化有机硅防水剂乳液的制备及性能研究[J].有机硅材料,2024,38(05):37-40+45.

[4]张光华,杨晓梅,张策,等.基于溶胶-凝胶法的高附着力有机硅防雾减反射涂层的制备及其性能研究[J].陕西科技大学学报,2024,42(04):78-85.

[5]姚盼,夏富,贾波,等.氟化有机硅防覆冰涂层的制备及其性能研究[J].精细与专用化学品,2024,32(03):30-33+36.

[6]赵逾.有机硅防御型防污涂料在船舶涂装和实航的节能效果[J].中国涂料,2016,31(08):50-54.