无锡自抛光防污涂料动态性能研究

　　张海永，孟宪林，林红吉
　　
　　（海军涂料分析检测中心，北京102442）
　　
　　摘要：利用海水动态模拟试验装置模拟船舶航行时船舶水下船体防污涂料的实际服役工况，对两类船舶无锡自抛光防污涂层进行动态模拟试验，定期测量防污涂料铜离子释放率、表面粗糙度、涂层厚度等各项性能，研究各项性能的动态变化规律，并对两类无锡自抛光防污涂料达到一年防污期效的涂层厚度进行了计算。
　　
　　关键词：无锡自抛光防污涂料；铜离子释放率；表面粗糙度；涂层厚度
　　
　　1引言
　　
　　海洋生物的附着会导致船体表面摩擦力明显增加，进水管路堵塞，舰船航速降低，燃料消耗增大，进坞维修次数增多等，从而造成巨大的经济损失，涂装防污涂料是惟一可广泛应用的防止生物污损的方法。20世纪70年代研制的有机锡自抛光防污涂料因其高效和广谱性而获得了广泛应用，但是有机锡对海洋生态环境、甚至人类健康会带来严重的危害，国际海事组织规定2008年1月1日之后彻底禁止使用含有机锡的防污漆。20世纪80年代末世界各国加快了研制和开发不含有机锡的低毒或无毒防污涂料的步伐。通常一个防污涂料新产品从配方设计到进入市场，必须要经过实验室性能测试、浅海挂板试验、实船涂装试验等，一个周期累计达到8～10年，这些试验不仅消耗相当长的时间，而且耗资巨大。因此，针对新型防污涂料研究其涂层性能评价的新方法具有重要意义。洛阳船舶材料研究所将涂装防污漆的样板安装在转子实验装置上模拟船舶航行状态，与海洋污损生物生长旺季时样板浸泡相结合进行试验。IvaTrentin采用加速老化池和加速老化机进行涂料的动态模拟试验，评价防污漆的性能。本文采用自行设计的动态模拟试验装置对自抛光防污涂料的防污性能进行动态模拟试验，定期测量防污涂料铜离子释放率、表面粗糙度、涂层厚度等各项性能，研究各项性能的动态变化规律，并对两类自抛光防污涂料达到一年防污期效的涂层厚度进行了计算。
　　
　　2试验方法
　　
　　2.1自抛光防污涂料
　　
　　选用如表1所列2种配方的无锡自抛光防污涂料进行性能测试和评价。

　　表1无锡自抛光防污涂料配方%

　　2.2涂层试板制备
　　
　　采用50mm×50mm×lmm的钢板作为试样底板，经打磨和除锈处理后，在其上涂刷1道防锈底漆，干膜厚度约为50μm。待其干燥后，将待测的防污涂料涂刷在底漆上，共涂刷3道，待前一道涂层干燥后再涂刷下一道，每道约为100μm。在钢板背面和涂层侧面涂上一薄层石蜡，以防止试板进入海水后被腐蚀，影响试验结果。每种涂料涂装10块试板。
　　
　　2.3动态性能模拟试验
　　
　　2.3.1试验模拟装置
　　
　　设计的防污涂料动态性能模拟装置如图1所示。

　　图1动态性能模拟装置

　　试验装置采用旋转和冲刷2种模拟方式：旋转方式用于模拟船舶航行时海水的磨蚀作用，即海水对船舶水下船壳的剪切作用；冲刷方式用于模拟海水飞溅对船舶外壳和海洋结构物的冲刷作用。

　　 　　2.3.2模拟航速与旋转速度的关系
　　
　　动态模拟试验装置是利用旋转毂的旋转模拟船舶的航行实况，因此模拟时旋转轮毂的旋转线速度与船舶的航速相等。轮毂的转速计算如下[2]：
　　
　　V=航速×1852m/h，R=0.075m，代入式中，得转速W＝N·65.53r/min。
　　
　　选择使用的模拟航速与电机转速的关系见表2。

　　表2航速与转速的关系

　　2.3.3试验周期与性能测试
　　
　　无锡自抛光防污涂料的试验周期为360h，采用连续动态旋转方式进行模拟试验。分别在试验前、24h、48h、72h、96h、144h、192h、264h、360h试验后，将试样取出测量铜离子释放率、表面粗糙度、涂层厚度。铜离子释放率的测定根据GB6824—1986《船底防污漆铜离子实海释放率测定法》，在435nm处，以三氯甲烷为参比液，使用LENGGUANG721分光光度计测其吸光度。依据上述标准，绘制的铜离子含量标准曲线如图2所示。

　　图2铜离子含量标准曲线

　　使用HOMMELTESTER表面粗糙度仪测量涂膜表面粗糙度，测量方向与在动态模拟试验时海水对涂层的冲刷方向垂直，并在涂膜表面平均选择5处进行测量，为便于重复测量，记录各处的测量位置与方向。测量粗糙度前，须将试样表面擦洗干净，并自然干燥。使用YAZHONGLAT-8膜厚仪测量涂层的厚度，在试样表面测量9个点，精确地定位每个测量点，便于重复测量及数据比较，取平均值为试样的厚度。
　　
　　3结果与讨论
　　
　　3.1铜离子释放率
　　
　　使用动态模拟试验装置对2种无锡自抛光防污涂层分别进行了模拟航速为12节、20节和28节的动态模拟试验，并随同做试样的静态浸泡试验，测量了各试样铜离子释放率。其中，模拟航速为12节时铜离子释放率随时间的变化如图3所示。

　　图3无锡自抛光防污涂层铜离子释放率和试验时间的关系

　　从图3可以看出，无锡自抛光防污涂层的铜离子释放率曲线的走势为先急剧下降，随后逐渐平缓并稳定。试验开始后，无锡自抛光防污涂层表面沉积的防污剂开始释放，同时涂层树脂通过离子交换使树脂上的铜离子释放，海水也逐渐通过表层的空隙进入涂层内部，使涂层内部的铜离子释放，所以初始释放率较高。随着表面沉积的防污剂的逐渐流失，涂层表面的释放层逐渐形成并向涂层内推移，铜离子释放率逐渐下降并趋于稳定。无锡自抛光防污涂层在模拟航速分别为0、12节、20节和28节时铜离子释放稳定后的释放率如图4所示。可见SPC1和SPC2的铜离子释放率随着模拟航速的增加而上升，当模拟航速增加时，无锡自抛光防污涂层树脂离子交换反应速度加快，同时海水冲刷使释放层更新的速度也变快，铜离子释放率上升。结果说明模拟航速的增加提高了无锡自抛光防污涂层的铜离子释放率。

　　图4模拟航速对无锡自抛光防污涂层铜离子释放率的影响

　　3.2表面粗糙度
　　
　　衡量表面粗糙度的参数有多个，如取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值（Ra）和取样长度轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离（Rt）均可用于评价防污涂层的表面粗糙度，本文主要研究了无锡自抛光防污涂层在12节和20节模拟航速时取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值（Ra）的变化规律。2种自抛光防污涂层的表面粗糙度变化规律基本相同。以SPC1为例，其在12节航速时表面粗糙度Ra随时间的变化见图5。模拟航速对涂层粗糙度的影响见图6。

　　图5无锡自抛光防污涂层表面粗糙度和试验时间的关系

　　图6模拟航速对无锡自抛光防污涂层表面粗糙度的影响

　　由图5可知，无锡自抛光防污涂层的表面粗糙度Ra曲线总体呈逐渐下降趋势。试验开始后，无锡自抛光防污涂层表面丙烯酸树脂中的防污基团开始被海水中的钠离子等置换，使树脂不断水解，同时海水不断冲刷涂层表面，使其不断露出新鲜表面，Ra逐渐下降。由图6可知，模拟航速增加，无锡自抛光防污涂层表面粗糙度Ra减小。原因是随着模拟航速的增大，海水冲刷速率加快，涂层表面更趋于光滑。

　　 　　3.3涂层厚度
　　
　　防污涂料的防污期效与涂层厚度和涂层的磨蚀速率有关，即：

　　由于涂层的磨蚀速率与船舶的航速存在着一定的关系，为此本文研究了无锡自抛光防污涂层厚度随时间的变化规律以及不同航速对涂层厚度的影响。12节航速时无锡自抛光防污涂层厚度随试验时间的变化如图7所示。可以看出无锡自抛光防污涂层的厚度随时间的延长逐渐减小，且成线性关系。无锡自抛光防污涂层中有防污作用的含有机金属的基团与基料树脂形成共价键，基料不溶于水，其共价键在海水中可被钠、钾等金属离子水解形成亲水性基团，当亲水基团达到一定浓度时，这层树脂便被海水剥落掉，又暴露出新的与有机金属键合的树脂层。随着上述过程的持续进行，涂层逐渐减薄。

　　图7模拟航速对无锡自抛光防污涂层厚度的影响

　　模拟航速对无锡自抛光防污涂层厚度的影响如图8所示，模拟航速越大，自抛光防污）涂层试验前后的涂层厚度差越大。在相同模拟航速时SPC2试验前后的厚度差大于SPC1。原因是模拟航速增加时，离子交换速率加快，涂层树脂变成可水解树脂的速率加快，同时海水对涂层表面的冲刷作用增强，涂膜树脂剥落的速率加快，涂层减薄速率上升。结果表明在相同航速下服役时，SPC2达到相同的防污期限所需的涂层厚度高于SPC1。利用上式计算出无锡自抛光防污涂层SPC1和SPC2在航速为20节的船舶上应用时，要达到1年防污期效所需的涂层厚度分别为51.9μm和94.9μm。

　　图8无锡自抛光防污涂层厚度和试验时间的关系

　　4结语
　　
　　⑴无锡自抛光防污涂层铜离子释放率随试验时间的延长先急剧下降，随后逐渐平缓并稳定，随着模拟航速的增加而上升。⑵无锡自抛光防污涂层的表面粗糙度随试验时间的延长而呈下降趋势，模拟航速增加，防污涂层表面粗糙度减小。⑶无锡自抛光防污涂层厚度随时间逐渐减小，且与时间成线性关系，模拟航速越大，自抛光防污涂层试验前后的涂层厚度差越大，SPC1和SPC2在航速为20节的船舶上应用时，要达到1年防污期效所需的涂层厚度分别为51.9μm和94.9μm。