船舶水下区域防生物附着涂层的配方设计与海洋生态兼容性评估

摘要：随着海洋经济的发展，船舶水下区域生物附着问题日益突出，不仅影响船舶航行性能，还对海洋生态环境造成威胁。本文综述了船舶水下区域防生物附着涂层的配方设计及海洋生态兼容性评估的研究进展，探讨了不同配方设计对涂层性能的影响，以及如何通过科学评估确保涂层的生态友好性，为开发新型环保防污涂层提供参考。

关键词：船舶涂层，水下区域涂层，海洋生态，兼容性评估

一、引言

船舶在广袤海洋航行的过程中，其水下区域常常会遭受各种海洋生物的附着，例如藤壶、藻类等生物的附着现象都是十分常见的。这些不同海洋生物的附着，不仅会显著增加船舶的航行阻力，导致船舶航速下降，还会增加燃料的消耗量。此外，海洋生物的附着还会对船体结构造成一定的腐蚀，继而影响船舶的安全性和使用寿命。传统的防污涂层大多含有有毒的杀生物剂，这些化学物质在防止生物附着的同时，也对海洋生态环境造成了较为严重的破坏。因此，开发一种既能有效防止生物附着，又可以与海洋生态环境相兼容的新型防污涂层，已经成为当前海洋科技领域亟待解决的重要课题。

二、防生物附着涂层的配方设计

（一）基于聚合物的配方设计

1.自抛光型涂层

自抛光型涂层的设计原理主要是利用含有亲水侧链的聚合物基底，在水解过程中逐步释放防污剂至涂层表面。这种设计能够确保涂层在海水的不断冲洗下，逐渐脱落渗透层，暴露出新的树脂层，从而实现自更新和抛光效果。例如，丙烯酸锌自抛光防污漆通过锌离子的持续释放实现防污效果。锌离子在海水之中能够逐渐水解，形成一层保护膜，防止各类海洋生物的附着。自抛光型涂层不仅能够有效防止生物的附着，还能在长期使用过程中保持良好的防污性能，可以有效减少船舶的维护成本。

2.低表面能涂层

低表面能涂层的设计旨在通过其低表面能特性，使海洋生物难以附着在材料表面。硅材料是低表面能防污涂层中常用的材料之一，其聚合物主链中的硅氧（Si-O）结构赋予了它特殊的物理和化学性质。这种结构使得涂层表面具有极低的表面能，从而降低海洋生物的附着力。例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种典型的低表面能材料，其表面能低至约21mJ/m²，该数值要远低于大多数海洋生物的附着阈值。这种涂层不仅能够有效防止生物附着，还能在长期使用过程中保持良好的防污性能，减少船舶的维护成本。

（二）基于纳米材料的配方设计

1.纳米复合涂层

纳米复合涂层的设计利用纳米材料的特殊性能，显著提升涂层的防污效果和机械性能。例如，十六烷基三甲氧基硅烷改性的二氧化硅（SiO₂）纳米粒子可以作为超疏水底涂层，而聚丙烯酸改性的氧化锌（ZnO）纳米粒子可以植入聚二甲基硅氧烷中作为超疏油面漆。这种纳米复合涂层不仅具有非常优异的耐腐蚀性和耐磨性，还能在长期浸泡试验中表现出良好的稳定性。纳米粒子的加入，可以显著提高涂层的表面能和机械强度，从而使船舶更好地抵御海洋生物的附着和侵蚀。

2.纳米填料增强涂层

纳米填料增强涂层的设计主要通过在涂层中添加纳米填料，提高涂层的机械性能和耐磨性。例如，蒙脱石（Al₂(Si₂O₅)(OH)₄）作为一种无机纳米填料，能够为涂层提供额外的强度和韧性。这种填料的加入，可以显著提高涂层的耐磨性能，使其在长期使用过程中能够更好地抵御海洋生物的附着和侵蚀。此外，纳米填料的应用，还可以有效改善涂层的表面特性，进一步降低海洋生物的附着力。

（三）基于生物相容性材料的配方设计

1.天然材料改性涂层

天然材料改性涂层的设计，旨在提高涂层的生物相容性和生态友好性。例如，以纤维素纳米晶（CNCs）作为骨架材料，通过原位生长二氧化硅（SiO₂）为基础构建超疏水材料，并引入十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）制备的涂层。天然材料改性涂层不仅具有良好的机械强度和静态海洋防污特性，还能在长期使用过程中保持良好的生物相容性。天然材料的使用，可以显著降低涂层对海洋生态的负面影响，使其更加符合环境保护的政策要求。

2.生物友好型防污剂涂层

生物友好型防污剂涂层的设计，是提高涂层生态兼容性的关键环节。例如，铜十二烷酸盐作为一种低铜含量且含有脂肪酸衍生物的防污颜料，其防污效率与传统商业涂层基本相当，但是对环境更为友好。这种防污剂通过低铜含量的设计，减少了对海洋生物的毒性影响，同时也保持了良好的防污性能。生物友好型防污剂的使用，可以显著降低涂层对海洋生态的负面影响，进一步提升船舶产品的环保性能。

三、海洋生态兼容性评估

（一）评估指标

1.生物毒性测试

开展生物毒性测试，是评估涂层对海洋生物直接影响的关键步骤。通过精确测定涂层释放的化学物质，可以量化其对海洋生物的毒性效应。例如，利用标准化的生物毒性测试方法，如急性毒性试验和慢性毒性试验，评估涂层对藻类、贝类、鱼类等海洋生物的生长、繁殖和生存能力的影响。这些测试的开展，能够揭示涂层在短期和长期暴露下对海洋生物的潜在危害，为涂层的安全性提供科学依据。

2.生态影响评估

生态影响评估旨在全面分析涂层对海洋生态系统的长期影响。这包括对海洋生物群落结构、生态过程以及生态系统功能的综合考量。例如，研究涂层是否会影响海洋生物的栖息地质量、食物链结构以及生物多样性。通过开展长期的生态监测，评估涂层对海洋生物群落的组成、分布和相互作用的影响，进而判断涂层对海洋生态系统健康和稳定性的潜在风险。

3.环境持久性评估

环境持久性评估关注涂层材料在海洋环境中的长期行为。这包括涂层的降解速率、在海水中的稳定性以及使用寿命等关键特性。例如，研究涂层在不同海洋环境条件（如温度、盐度、水流速度等）下的物理化学变化，评估其在长期使用过程中的生态影响和环境适应性。通过开展环境持久性评估，相关船舶生产制造企业及人员能够确定涂层在海洋环境中的持久性及其对生态系统的潜在影响。

（二）评估方法

1.实验室测试

实验室测试是评估涂层生态兼容性的基础方法。在实验室条件下，通过模拟真实的海洋环境，对涂层进行生物毒性测试和生态影响评估。例如，可以利用标准化的生物测试方法，观察涂层对海洋生物的生长、发育和行为带来的影响。这些测试能够在受控的环境中提供精确的数据，为涂层的生态兼容性提供初步的科学依据。实验室测试的另一个重要作用——即是通过开展化学分析，测定涂层释放的化学物质的种类和浓度，从而评估其对海洋生物的潜在毒性。

2.现场试验

现场试验是评估涂层在实际海洋环境中的生态兼容性的重要手段。通过将涂层应用于船舶或者其他海洋设施上，长期观察涂层的防污效果和生态影响。例如，通过长期的现场监测，评估涂层在实际使用过程中的生物附着情况、对海洋生物群落的影响以及对海洋生态系统的潜在风险。现场试验能够提供涂层在真实海洋环境中的实际表现数据，补充实验室测试的不足，为涂层的生态兼容性评估提供全面的证据。

3.模型评估

模型评估是通过建立生态模型，对涂层的生态影响进行预测和评估的重要方法。利用数学模型和计算机模拟技术，分析涂层对海洋生态系统的潜在影响，包括对生物群落结构、生态过程以及生态系统功能的长期影响等等。例如，通过模型分析涂层在不同区域海洋环境条件下的行为和影响，预测其对海洋生态系统的潜在风险。模型评估能够提供涂层生态影响的全面分析，为涂层的生态兼容性评估提供科学的支持。

四、结语

综上所述，船舶水下区域防生物附着涂层的配方设计和海洋生态兼容性评估是开发新型环保防污涂层的关键。通过合理设计涂层配方，可以提高涂层的防污性能以及海洋生态的兼容性。未来的研究应注重多种材料之间的协同作用，开发复合型防污涂层。例如，将低表面能材料与纳米材料相结合，既可以利用低表面能材料的防附着特性，又能借助纳米材料的增强性能，进一步提升涂层的综合性能。

参考文献

[1]袁昕.船舶涂装涂层配套推荐及工艺设计方法研究[D].江苏：江苏科技大学,2022.

[2]周勇.船舶涂装污染处理技术研究[J].中小企业管理与科技,2019,3(31):166-167.

作者简介：张庆忠，男，1984年出生，汉族，江苏徐州人，本科，中级工程师，研究方向：船舶涂装