[发明专利]一种有机无机复合的机械耐久的防污涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于材料工程技术领域，涉及一种有机无机复合的机械耐久的防污涂层及其制备方法和应用。将陶瓷粉末和抗污损相粉末的机械混合粉作为喷涂原料，采用喷涂法在基体表面制备多孔结构无机基相涂层；采用低表面能污损脱附型有机高分子材料作为浸渗填孔物质，真空下对多孔结构无机基相涂层孔隙进行浸渗，随后进行低表面能有机浸渗物质固化，得到有机无机复合的机械耐久的防污涂层。该涂层无机基相比例为60~90%，有机浸渗相比例为10%~40%，其中，无机基相由陶瓷主相及抗污损相组成，陶瓷组分占无机基相95%~99%，抗污损相占无机基相1%~5%，该涂层兼具了优异机械耐久性、强粘附强度、长效防污性能及环境友好特征。

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，涉及一种有机无机复合的机械耐久的防污涂层及其制备方法和应用。

背景技术

海洋生物污损是指海洋动物、植物或微生物在船舶、潜艇、设备、仪器仪表等浸入海水中的人造物体表面附着聚集的现象。海洋生物污损显著威胁船舶及装备的服役性能、可靠性及安全耐久性，其主要危害包括：（1）显著增大船舶航行阻力、增加油耗。据统计，在没有防护措施的情况下，半年之内每平米船体上附着的污损生物量可达150kg之多。即使轻微的黏泥附着，也会导致船舶航速及功率分别损失9%及3%，而当发生严重污损附着时，上述两数据将飙升至28%及84%；（2）堵塞管路、散热器，破坏螺旋桨流体线型结构，损坏声呐、导流罩等仪器设备，更严重地，会引发管路穿孔、造成设备停机；（3）引发微生物腐蚀，加速金属腐蚀速率。因此，研发能够显著提升材料抗生物污损能力的防污技术至关重要。

当前防污市场最主流的防污技术为涂覆含有氧化亚铜防污剂的无锡自抛光防污涂层。该涂层中的氧化亚铜防污剂在遇到海水后会逐渐释放铜离子，铜离子具有广谱高效的杀灭污损生物的作用，即抗污损功能，通过阻碍污损生物的新陈代谢将其杀灭而有效防污。然而，这种基于铜离子释放的自抛光防污涂层存在铜离子快速释放问题。为了保障防污涂层的防污期效及防污效果，往往需要在涂料中加入远高于所需量（40%~50%）的氧化亚铜防污剂，造成大部分铜离子未起到防污作用便流失到海水中，从而导致严重的海洋重金属污染。许多国家已相继颁布法律限制防污涂层中防污剂的释放速率。且该类型防污涂层服役后期因防污剂释放困难而导致防污期效较短。因此，开发低毒或无毒的长效防污方法具有重要意义。

为了解决上述问题，许多研究致力于研发不含防污剂或使用天然防污剂的防污方法，例如，污损脱附型防污涂层、仿生型防污涂层、表面微织构防污涂层等。其中，污损脱附型防污涂层由于不含防污剂、环境友好且防污效果显著而受到广泛关注和研究。污损脱附型防污涂层依靠材料的低表面能特征使得污损生物在其表面难以附着或附着不牢，而在海水冲刷下实现轻易脱附、有效防污。然而，该低表面能污损脱附型防污涂层存在以下问题：（1）仅适合于船速大于15节的高航速船只，而由于不含抗污损成分在低航速或静态条件下防污效果较差、抗污损性能差；（2）涂层与基体粘附强度较弱，通常小于1MPa，且其力学性能差，因此在外界机械载荷作用下易失效或剥落；（3）低表面能材料反而有利于硅藻的附着，即对硅藻防污效果差。如专利CN108468013A制备的是双层结构，即底层致密的金属/陶瓷涂层，上层喷涂低表面能聚四氟乙烯的结构，但在该专利中其低表面能疏水物质聚四氟乙烯存在如前文所述的静态防污效果差、力学性能差及与基体粘附强度弱的问题，且该层低表面能疏水物质聚四氟乙烯仅存在于涂层表面极薄一层，一旦该层疏水物质遭到磨损破坏或脱落，下层涂层将不再具备低表面能性能，即涂层机械耐久性差。

针对上述问题，通常采用两种方法提升低表面能污损脱附涂层的性能：其一为通过混入纳米增强相（如纳米陶瓷粒子、石墨烯、碳纳米管等）的物理改性或接枝官能团（聚脲、聚氨酯、环氧树脂等）的化学改性方法以提升低表面能污损脱附型材料的粘附强度或力学性能；另一种方法为在低表面能基相材料中引入具有抗生物污损功能的防污成分（如辣椒素、季铵盐等）。然而，上述方法往往仅能带来低表面能材料某一方面性能的提升，而难以使得其综合性能协同提升，且亲水性基团的引入往往导致其污损脱附性能显著减弱。因此，如何在保留低表面能材料优异污损脱附性能的基础上获得优异机械耐久性、粘附强度及抗污损性能是制备环保、长效、高性能防污涂层的关键问题。

发明内容