船舶节能环保涂料的应用

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(泰州口岸船舶有限公司,江苏 泰州 225321)

2009年12月18日“哥本哈根世界气候大会”之后世界工业正在向着节能减排和绿色环保方向发展。VOC法规、REACH法规和欧盟《杀菌剂产品指南》等相关环保法规和公约规范推动了防腐涂料的发展。造船行业也不例外。现阶段我国正处于造船大国向造船强国转变的关键时期，面对挑战，深入开展节能减排技术研究，增强综合竞争力，促进可持续发展是当前面临的共同任务。船舶涂装作业是船舶建造和维修的最大的污染源，涂料技术是从源头上控制环境污染和达到节能减排目标的有效手段。

1 节能环保涂料的类型及特点

1.1 水性涂料

水性涂料是以水取代部分有机溶剂的一种涂料。当前使用的水性涂料还含有一定量的醇类或醚类等作为溶剂或者助溶剂，但其含量仅为溶剂型的1/4～1/7，具有很低的VOC和HAP，减少大气污染，节约石油资源，是很好节能环保涂料。但水性涂料颜料分散性较溶剂型涂料差，会影响其耐候性；对工件表面的润湿性差，漆膜容易产生弊病；蒸发潜热是一般溶剂3～7倍，蒸发速度慢，闪干时间长或需要低温烘干；对施工环境的温度、湿度和空气流速要求严格，施工难度大。船舶行业中目前除在大型游船和客滚船的室内居住舱室使用水性涂料外，其它的海洋工程船、货船、油船等95%以上的船舶都很少使用该类涂料。由于水溶剂在0 ℃以下不能施工，北方船厂无法在秋冬季节施工该类型涂料。但涂料水性化仍然是节约资源、消除对人类健康影响和保护环境的一个主要导向[1]。

1.2 功能性涂料

船舶的金属结构和海洋复杂环境使船舶上的工作和居住条件相当不好，为改善船舶内的生活和工环境，必须动用大量设备和工具以达到很好的效果。目前最常用的是热反射型船壳涂料、甲板涂料和隔热涂料。此类型涂料可以大大减少太阳的热效应，从而减少空调运营等相关成本。此类型涂料问题是：VOC控制比较困难，节能效果评定技术和指标难以确定，不能很直观地看到节能效果而难以被推广。

1.3 防污涂料

当前的污损控制涂层解决方案限制了船舶的运营模式，船舶在停航闲置期间会产生大量的污垢。现今对于污损控制要求越来越高，船舶防污涂料是船舶涂料中最特殊和最重要的品种，也是保护海洋环境最直接的船舶涂料。目前防污节能环保涂料主要有：低表面能防污涂料(低摩擦力防污涂料)和仿生型防污涂料。

2 节能环保型防污涂料的原理

2.1 低表面能防污涂料

目前国际知名的各大涂料公司前段低表面能防污涂料主要为低摩擦力的含有机硅、氟防污涂料，其主要原理如下。

1)有机硅树脂中主链Si—O链的键解(443.5 kJ/mol)远高于C—O键(351 kJ/mol)、C—C键(347 kJ/mol)，加上硅的原子半径比碳的要大，Si—O键对Si—C键有一定的空间保护作用，因此Si—O键的高键能赋予了有机硅树脂突出的耐高温性能远优于一般有机树脂。由于有机硅树脂中的甲基朝外排列可以围绕Si—O键旋转，分子间作用力极小，导致有机硅树脂具有很低的表面能及表面张力[2]。

2)氟树脂是一种结晶性高分子聚合物，具有很低的表面能，化学性能稳定，即使在高温下，浓酸、浓碱、强氧化剂、及大多数有机溶剂对它也不起作用，不会产生任何质量变化或膨胀现象；具有优异的耐高、低温性，能够长期在-195～250 ℃之间使用。因此，可以用氟树脂与其它有机硅树脂及适量配合剂制成具有高性能、多用途的防粘涂层[3]。

3)低摩擦力的硅酮涂层泡入水中后,硅酮与水之间形成一个水凝胶微层,形成物理型污损防御. 水凝胶微层中的杀菌剂激发了水凝胶的活性,被杀菌剂激发的水凝胶增强了防污作用,大幅延长了无污垢期,并有效提高了燃油效率。涂层的高效表面防污机理可减少高效杀菌剂的用量，能有效保持海域环境中的生物膜不受破坏，对海洋环境的影响更小。

2.2 仿海洋生物防污涂料

海洋生物大多具有抵制附着海生物的作用。大型哺乳动物如海豚的表皮能分泌出特殊黏液，形成亲水的低表面能，使海生物难以附着。具有微相分离结构的医用高分子是理想的抗凝血材料，具有微相分离结构的涂层同样可能是一种理想的抗污损材料。各国科学家对大型海洋生物的表皮结构、海洋活性防污损物质等做了大量研究，这些研究一方面寻找高分子防污材料，对一些生物的表皮状态进行模仿，赋予涂层特殊表面能；另一方面寻找天然防污剂。美国佛罗里达大学材料科学研究小组就根据鲨鱼的表皮原理研制了一种对环境无害的房屋涂料。表面由无数细小的菱形凸起物组成，在显微镜下可以清晰地看出其图案组成，在试验室测试中该仿生物涂料的防污、减助效果明显。

3 低表面能防污涂料的节能环保特点

1)节能，无毒，环保。目前自抛光防污漆是以氧化亚铜为主要防污剂，虽然现已成为船舶防污涂料的主流，但在一些国家和类型的船舶上应用受到限制,因为它需要不断向环境释放有害物质，不像有机杀生物剂可以自然将解。防污剂渗出率的评定技术和降低船体表面摩擦力的性能评定技术正在发展之中，它将用数据支撑有机硅低表面能防污涂料优势。

表1为64 000 t散货船在5年营运期内防污剂和固体有害物质排放总量对比。

表1 64 000 t散货船在5年营运期内防污剂和固体有害物质排放总量对比

由表1可见,有机硅弹性体低表面能防污漆的节能环保的优势所在。对于油漆厂家而言,由于底表面能涂料的作用机理几乎没有化学物质的释放，它不含任何毒料，不受当前国际环境法规和公约的限制，是目前最为节能环保的涂料之一。

2)挥发性有机物质含量(VOC)低。低表面能防污涂料一般固体份含量比较高，一般都在70%以上，相对VOC含量就很低，对工人施工作业环境、工人职业健康和环境保护的负面影响都较小。

3)自抛光和长期灵活性。普通自抛光防污涂料能够在船舶保持一定航运速度时不粘附海生物，或者在粘附后可以容易地自动清洗，保持船底表面的光滑性，达到表面自清洁。但是在船舶闲置期由于没有一定航速而产生了大量海生物附着。含硅酮的低表面能防污涂料可以保持船体表面长期的活力，表面的灵活水凝胶的杀灭效果使得船体表面特别光滑，能够维持更长的洁净时间而生物膜不受破坏，对海洋环境影响更小。

4)保护周期长。低表面能防污涂料一般是5年有效期，5年以后，由于使用中有一定损伤需要重新修补，修补后又可以获得5年的有效保护期。而普通自抛光防污涂料基本5年后需要重新涂装，施工量较大。

4 实验及实例对比

泰州口岸船舶有限公司联合某国际品牌油漆公司对建造的同类型两条38 000 t杂货船外板使用不同防污涂料情况下的燃油及成本进行对比，一条船使用普通自抛光防污漆，另外一条使用新型有机硅弹性体低表面能防污漆,各项指标见表2～4。

表2 38 000 t散货船使用两种防污漆用量及成本对比

表3 柴油单价5 800元、日用量18.2 t时38 000 t散货船5年油耗节约成本对比(全年运行292天)

表4 两种防污漆5年维护期内实验室模拟年节约油耗对比

由表2～4可见,该船单从节能角度分析,节能2%的涂料其成本节约持平,但目前新型有机硅弹性体低表面能防污漆的平均节能可达到8%左右,可想其经济效率是多么高，其节能环保效果是十分显著的。

5 结论

使用有机硅弹性体低表面能防污漆，运营船舶可以节约燃油成本8%左右，而且船舶航行速度和效率得到增加;另外，可避免海洋船舶在航行中由于海生物大量缠绕而可能发生的事故率。在船舶3～5年后再次进坞时，船体外板部位的表面海生物附着减少，表面防污漆的完整保留率大大增加，表面差距明显。但是目前因该防污漆价格昂贵，节能效果在船舶营运过程没有被关注，效能难以评定等，多方面因素制约了其广泛应用。船舶涂装节能环保工作是一项长期任务，需要所有涂装从业人员共同努力，推动其不断向前发展。

[1] 乐惠明.水性涂料在汽车工业中的应用与认识[J].涂料工业,2009,17(3):25-29.

[2] 杨文杰.含硅涂料存在的问题与对策及发展趋势[J].国外建材科技,2004,25(4):12-17.

[3] 杨文杰，李吉英.节能涂料在船舶中的应用[J].涂料工业,2010,16(1):15-18.