电气石/聚合物复合低表面能海洋防污涂层研究

针对全球范围内对新型海洋无毒防污涂料的迫切要求，基于电气石存在永久自发电极特性、电防污机理以及电气石涂层对海洋底栖硅藻附着有明显抑制作用的初步试验结果，结合低表面能防污涂料的防污机制和发展现状，以及超疏水复合涂层研究进展，本项目提出研制一种电气石混合物填充的聚合物复合低表面能海洋防污涂层的新构思。混合物选用经低表面能改性的电气石矿物粉以及碳纳米管、纳米TiO2、纳米SiO2，以促进微纳米级粗糙结构表面的形成和电气石自发极化效应。聚合物以氟化聚合物、有机硅聚合物和氟硅改性聚合物为主。该涂层具有微纳米级粗糙结构的低表面能表面，同时具有低表面能防污机制和电气石的电防污机制。通过研究其制备工艺、表面结构及性能和海生物附着行为，揭示电气石混合物填充的聚合物复合涂层的形成机制、涂层表面海水环境响应特性及防止海生物附着机理，为开发具有电防污和低表面能防污双重防污机制的新型海洋无毒防污涂层奠定科学基础。

针对全球范围内对新型海洋无毒防污涂料的迫切要求，基于电气石存在永久自发电极特性及电防污机理，结合低表面能防污涂料的防污机制和发展现状，以及超疏水复合涂层研究进展，本项目研究了电气石与海水的作用规律及对海洋细菌、底细硅藻生物活性的影响；电气石矿物粉表面改性工艺；可控性强的聚氨酯制备工艺及其结构性能；电气石/聚合物复合涂层的制备、结构、性能及生物附着行为，为开发具有电防污和低表面能防污双重防污机制的新型海洋无毒防污涂层提供科学基础。.研究结果表明，新疆产锂电气石矿物粉对海洋细菌及底栖硅藻生长活性有显著抑制作用，粒度越小，抑制作用越强；电气石使海水的pH值趋于中性7，溶解氧有所降低，电导率变化不明显；电气石在海水中浸泡后，仍然具有很强的负离子释放能力；采用硅氧烷KH570、氟硅烷、氟化丙烯酸酯聚合物可以很好的对电气石粉表面进行改性，接枝率分别可达3.56%、5.21%和17.18%.聚氨酯聚合物的结构及性能可控范围很大，为此专门研究了硬段含量的影响、有机硅改性水性聚氨酯的合成工艺及氟硅改性核壳型聚氨酯-丙烯酸酯乳液合成工艺。结果表明，硬段含量在30%～50%的PPG-TDI-BDO系聚氨酯，涂层表面平整光滑，其粗糙度Ra约在25nm～70nm内，涂层存在明显的微相分离，尺寸约为11nm，呈疏水表面，比较适合用于海洋防污涂料。利用Si-O-Si键与粉体表面的氢键作用，采用高速搅拌，使粉体在强剪切力作用下分散到树脂中，制备了电气石/有机硅复合弹性体涂层，其弹性模量为0.33MPa、延伸率约为160%，呈现出Ra为33nm的微粗糙表面，海洋细菌附着及3个月的浅海挂板试验表明，相比于TiO2/有机硅和SiO2/有机硅涂层，电气石/有机硅复合涂层有较好的抗生物附着能力；当经氟化丙烯酸酯聚合物改性的电气石与TiO2比为1：2时，采用多层复合涂层方法在碳钢材料上可获得接触角高达156°的超疏水涂层，具有较强的耐海水腐蚀性能.浅海挂板6个月后，氟碳树脂涂层样板附着较多的海生物，而多层复合涂层样板表面基本没有生物附着；添加6%的电气石/聚氨酯原位复合涂层具有良好的力学性能，弹性模量约为0.8MPa,延伸率达600%以上，表面非常光滑，Ra仅为8nm，涂层在海水环境中结构及性能都比较稳定，海洋细菌附着及3个月浅海挂板试验表明，电气石/聚氨酯原位复合涂层具有较好的防止海生物附着性能。