船舶節能環保涂料的應用

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(泰州口岸船舶有限公司,江蘇 泰州 225321)

2009年12月18日“哥本哈根世界氣候大會”之后世界工業正在向著節能減排和綠色環保方向發展。VOC法規、REACH法規和歐盟《殺菌劑產品指南》等相關環保法規和公約規范推動了防腐涂料的發展。造船行業也不例外。現階段我國正處于造船大國向造船強國轉變的關鍵時期，面對挑戰，深入開展節能減排技術研究，增強綜合競爭力，促進可持續發展是當前面臨的共同任務。船舶涂裝作業是船舶建造和維修的最大的污染源，涂料技術是從源頭上控制環境污染和達到節能減排目標的有效手段。

1 節能環保涂料的類型及特點

1.1 水性涂料

水性涂料是以水取代部分有機溶劑的一種涂料。當前使用的水性涂料還含有一定量的醇類或醚類等作為溶劑或者助溶劑，但其含量僅為溶劑型的1/4～1/7，具有很低的VOC和HAP，減少大氣污染，節約石油資源，是很好節能環保涂料。但水性涂料顏料分散性較溶劑型涂料差，會影響其耐候性；對工件表面的潤濕性差，漆膜容易產生弊病；蒸發潛熱是一般溶劑3～7倍，蒸發速度慢，閃干時間長或需要低溫烘干；對施工環境的溫度、濕度和空氣流速要求嚴格，施工難度大。船舶行業中目前除在大型游船和客滾船的室內居住艙室使用水性涂料外，其它的海洋工程船、貨船、油船等95%以上的船舶都很少使用該類涂料。由于水溶劑在0 ℃以下不能施工，北方船廠無法在秋冬季節施工該類型涂料。但涂料水性化仍然是節約資源、消除對人類健康影響和保護環境的一個主要導向[1]。

1.2 功能性涂料

船舶的金屬結構和海洋復雜環境使船舶上的工作和居住條件相當不好，為改善船舶內的生活和工環境，必須動用大量設備和工具以達到很好的效果。目前最常用的是熱反射型船殼涂料、甲板涂料和隔熱涂料。此類型涂料可以大大減少太陽的熱效應，從而減少空調運營等相關成本。此類型涂料問題是：VOC控制比較困難，節能效果評定技術和指標難以確定，不能很直觀地看到節能效果而難以被推廣。

1.3 防污涂料

當前的污損控制涂層解決方案限制了船舶的運營模式，船舶在停航閑置期間會產生大量的污垢。現今對于污損控制要求越來越高，船舶防污涂料是船舶涂料中最特殊和最重要的品種，也是保護海洋環境最直接的船舶涂料。目前防污節能環保涂料主要有：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 節能環保型防污涂料的原理

2.1 低表面能防污涂料

目前國際知名的各大涂料公司前段低表面能防污涂料主要為低摩擦力的含有機硅、氟防污涂料，其主要原理如下。

1)有機硅樹脂中主鏈Si—O鏈的鍵解(443.5 kJ/mol)遠高于C—O鍵(351 kJ/mol)、C—C鍵(347 kJ/mol)，加上硅的原子半徑比碳的要大，Si—O鍵對Si—C鍵有一定的空間保護作用，因此Si—O鍵的高鍵能賦予了有機硅樹脂突出的耐高溫性能遠優于一般有機樹脂。由于有機硅樹脂中的甲基朝外排列可以圍繞Si—O鍵旋轉，分子間作用力極小，導致有機硅樹脂具有很低的表面能及表面張力[2]。

2)氟樹脂是一種結晶性高分子聚合物，具有很低的表面能，化學性能穩定，即使在高溫下，濃酸、濃堿、強氧化劑、及大多數有機溶劑對它也不起作用，不會產生任何質量變化或膨脹現象；具有優異的耐高、低溫性，能夠長期在-195～250 ℃之間使用。因此，可以用氟樹脂與其它有機硅樹脂及適量配合劑制成具有高性能、多用途的防粘涂層[3]。

3)低摩擦力的硅酮涂層泡入水中后,硅酮與水之間形成一個水凝膠微層,形成物理型污損防御. 水凝膠微層中的殺菌劑激發了水凝膠的活性,被殺菌劑激發的水凝膠增強了防污作用,大幅延長了無污垢期,并有效提高了燃油效率。涂層的高效表面防污機理可減少高效殺菌劑的用量，能有效保持海域環境中的生物膜不受破壞，對海洋環境的影響更小。

2.2 仿海洋生物防污涂料

海洋生物大多具有抵制附著海生物的作用。大型哺乳動物如海豚的表皮能分泌出特殊黏液，形成親水的低表面能，使海生物難以附著。具有微相分離結構的醫用高分子是理想的抗凝血材料，具有微相分離結構的涂層同樣可能是一種理想的抗污損材料。各國科學家對大型海洋生物的表皮結構、海洋活性防污損物質等做了大量研究，這些研究一方面尋找高分子防污材料，對一些生物的表皮狀態進行模仿，賦予涂層特殊表面能；另一方面尋找天然防污劑。美國佛羅里達大學材料科學研究小組就根據鯊魚的表皮原理研制了一種對環境無害的房屋涂料。表面由無數細小的菱形凸起物組成，在顯微鏡下可以清晰地看出其圖案組成，在試驗室測試中該仿生物涂料的防污、減助效果明顯。

3 低表面能防污涂料的節能環保特點

1)節能，無毒，環保。目前自拋光防污漆是以氧化亞銅為主要防污劑，雖然現已成為船舶防污涂料的主流，但在一些國家和類型的船舶上應用受到限制,因為它需要不斷向環境釋放有害物質，不像有機殺生物劑可以自然將解。防污劑滲出率的評定技術和降低船體表面摩擦力的性能評定技術正在發展之中，它將用數據支撐有機硅低表面能防污涂料優勢。

表1為64 000 t散貨船在5年營運期內防污劑和固體有害物質排放總量對比。

表1 64 000 t散貨船在5年營運期內防污劑和固體有害物質排放總量對比

由表1可見,有機硅彈性體低表面能防污漆的節能環保的優勢所在。對于油漆廠家而言,由于底表面能涂料的作用機理幾乎沒有化學物質的釋放，它不含任何毒料，不受當前國際環境法規和公約的限制，是目前最為節能環保的涂料之一。

2)揮發性有機物質含量(VOC)低。低表面能防污涂料一般固體份含量比較高，一般都在70%以上，相對VOC含量就很低，對工人施工作業環境、工人職業健康和環境保護的負面影響都較小。

3)自拋光和長期靈活性。普通自拋光防污涂料能夠在船舶保持一定航運速度時不粘附海生物，或者在粘附后可以容易地自動清洗，保持船底表面的光滑性，達到表面自清潔。但是在船舶閑置期由于沒有一定航速而產生了大量海生物附著。含硅酮的低表面能防污涂料可以保持船體表面長期的活力，表面的靈活水凝膠的殺滅效果使得船體表面特別光滑，能夠維持更長的潔凈時間而生物膜不受破壞，對海洋環境影響更小。

4)保護周期長。低表面能防污涂料一般是5年有效期，5年以后，由于使用中有一定損傷需要重新修補，修補后又可以獲得5年的有效保護期。而普通自拋光防污涂料基本5年后需要重新涂裝，施工量較大。

4 實驗及實例對比

泰州口岸船舶有限公司聯合某國際品牌油漆公司對建造的同類型兩條38 000 t雜貨船外板使用不同防污涂料情況下的燃油及成本進行對比，一條船使用普通自拋光防污漆，另外一條使用新型有機硅彈性體低表面能防污漆,各項指標見表2～4。

表2 38 000 t散貨船使用兩種防污漆用量及成本對比

表3 柴油單價5 800元、日用量18.2 t時38 000 t散貨船5年油耗節約成本對比(全年運行292天)

表4 兩種防污漆5年維護期內實驗室模擬年節約油耗對比

由表2～4可見,該船單從節能角度分析,節能2%的涂料其成本節約持平,但目前新型有機硅彈性體低表面能防污漆的平均節能可達到8%左右,可想其經濟效率是多么高，其節能環保效果是十分顯著的。

5 結論

使用有機硅彈性體低表面能防污漆，運營船舶可以節約燃油成本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纏繞而可能發生的事故率。在船舶3～5年后再次進塢時，船體外板部位的表面海生物附著減少，表面防污漆的完整保留率大大增加，表面差距明顯。但是目前因該防污漆價格昂貴，節能效果在船舶營運過程沒有被關注，效能難以評定等，多方面因素制約了其廣泛應用。船舶涂裝節能環保工作是一項長期任務，需要所有涂裝從業人員共同努力，推動其不斷向前發展。

[1] 樂惠明.水性涂料在汽車工業中的應用與認識[J].涂料工業,2009,17(3):25-29.

[2] 楊文杰.含硅涂料存在的問題與對策及發展趨勢[J].國外建材科技,2004,25(4):12-17.

[3] 楊文杰，李吉英.節能涂料在船舶中的應用[J].涂料工業,2010,16(1):15-18.