關于低表面能涂料及其在客運列車保潔上的應用探討

許雄山

(上海鐵路局多元投資中心市場部，上海 200071)

1 產生

航海船舶底部海洋生物的附著會降低航速，增加燃油，為了解決這一問題，以往人們是依靠摻雜在涂料中的銅、錫、汞和鉛等重金屬的釋放來殺死附著生物的，但這會造成海洋環(huán)境的嚴重污染，而且對附著生物的殺傷作用也會隨著使用時間的延長而漸漸降低。低表面能涂料就是為了解決這一矛盾而產生的［1－8］。

2 作用機理

首先，我們要了解海洋生物在船底附著的過程:海洋附著生物分泌黏液，通過黏液對物體表面進行浸潤，實現(xiàn)浸潤之后便通過化學鍵、靜電、機械連鎖及擴散作用中的一種或幾種方式進行黏附［5，8］，其中的浸潤和化學鍵與固體表面能密切相關。低表面能涂料阻止海洋生物附著主要與以下4個因素有關。

2.1 表面能

表面能是用來表征物質表面分子所處的與內部分子不同的能量狀態(tài)。這種狀態(tài)是由物質內部分子原有的三維周期性在表面處中斷，表面層原子朝向外面的鍵能沒有得到補償，使得表面分子比體內分子具有額外的勢能。對于液體，稱為表面張力;對于凝聚體，因Gibbs自由焓與Helmhohz自由能近似相等，也稱為表面自由能(簡稱表面能)［9］。

固體物質表面能的大小直接影響與其接觸液體的浸潤性。如果用相對附著力表示浸潤性，則它們之間的關系曲線可以表示成如圖1的 Baier曲線。

圖1 相對附著力隨表面能的變化曲線——Baier曲線

從曲線可以看出，相對附著力并非全部與表面自由能呈線性相關，而是當自由能減小到一定程度后附著力反而升高。因此，適當降低表面自由能就可以將附著力降低到最小，從而使表面不容易附著，或因附著力弱而易脫附。一般認為，涂料的表面能低于25 mJ/m2，或涂料與液體的接觸角大于98°時，涂料才具有優(yōu)良的防污性能和脫附清洗效果［10］，從而表現(xiàn)出自清潔性。降低表面能是解決海洋生物附著的主要機理［1～6、8、11］。

2.2 彈性模量

涂層表面能的大小影響浸潤和化學鍵，而彈性模量(材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關系，其比例系數稱為彈性模量)則影響附著物的脫落方式。彈性模量低，脫落傾向于剝離方式，而剝離方式所需功最少，附著物容易脫落;彈性模量高，則脫落傾向于剪切方式，需功較多，不易脫離［3、5、8］。低表面能自清潔涂料的彈性模量一般都很低。

2.3 涂層厚度

涂層厚度與剝離力相關，研究表明，對于低表面能有機硅防污涂料，在剝離方式下，增加涂層的厚度和降低中間連接層的體積模量可減少臨界剝離力［5、8］。

2.4 涂層表面的光滑性

影響海洋生物附著的最后一個因素是涂層表面光滑性。如果表面不光滑，即便是表面能很低而不被浸潤，海洋附著物也能利用粗糙的表面產生機械連鎖而附著。這就是為什么盡管氟碳樹脂類材料聚四氟乙烯(PTFE)表面能很低，但藤壺也能依靠其表面的多孔性牢固地吸附在上面的原因。因此，涂層表面應達到分子水平上的光滑，涂裝時必須采用噴涂工藝，以避免可導致機械連鎖的黏液滲透［5］。

總之，低表面能涂料阻止海洋生物對船底部的附著是基于在低表面能基礎上的幾種物理性因素綜合作用的結果，不存在毒性物質的釋放、損耗和環(huán)境污染等問題，能起到長期防污的作用，所以它代表了海洋環(huán)保涂料未來的發(fā)展方向［2、4、6、10、11］。

3 研究與防污應用現(xiàn)狀

低表面能涂料是伴隨著航海需求和海洋環(huán)境保護意識的提高而產生的。特別是1999年國際海事組織決定要在2008年之前全世界禁止有機錫作為毒劑在防污涂料中使用以來，有關低表面能涂料的研究與應用成為了熱點。

目前研究比較熱門的主要有有機硅樹脂、氟碳樹脂及氟硅樹脂三大類，其中應用較為成熟的是有機硅低表面能防污涂料。

實際上，低表面能防污涂料的技術設想幾乎與有機錫自拋光共聚物(SPC)同時出現(xiàn)在20世紀70年代中期，然而后者顯得更為有效且價廉，這使得表面能防污涂料的發(fā)展幾乎停滯了近20年。但是，由于 SPC中有機錫含量高達30% ～50%，對海洋造成的污染日益突出，使得人們在20世紀90年代開始又將目光重新轉向了低表面能防污涂料［7］。

國內外學者對低表面能有機硅防污涂料的研究工作主要集中在添加小分子的硅油種類及基體樹脂的選擇與改進兩方面［5］。

國外在低表面能材料研究起步較早，第一個有機硅防污涂料的專利于1972年出現(xiàn)在美國。研發(fā)工作大多為公司行為(在美國有海軍實驗室NRL)，主要的公司及其代表產品有:丹麥Hempel的 Hempasil77000系列，荷蘭 AkzoNobel旗下International Paint公 司 (簡 稱 IP 公 司)的Intersleek系列，日本Kansai的Cap-tain Biox，日本Chugoku的Seajet 2000、荷蘭Sigma的Sigmaglide，挪威Jotun的 SeaLion等。其中最為著名的是 IP公司的Intersleek 700，獲得了2007年度荷蘭女王創(chuàng)新獎。Intersleek系列產品是目前已報道的唯一被實際應用的低表面能防污涂料［7］。

我國在該領域的研究開始于20世紀80年代，與國際先進水平相比還存在著較大的差距。研究機構主要為政府所屬的研究單位，分別為中船重工七二五所廈門分部、中國科學院蘭州化學物理研究所和山東海洋化工研究院［5］。

依據上述文獻資料，低表面能自清潔涂料總體上來說還處于產業(yè)發(fā)展的初期，各國都在投入人力物力進行開發(fā)研究，其中一部分是用于提高軍艦航速和防結冰等軍事用途。也有民用，例如，2001年日本建成的世界上第一座浮體式可動橋——夢舞大橋，其拱形部分就采用了自清潔氟碳涂料，橋梁外觀至今光亮如新［12］。

4 在高速列車保潔中的應用分析

由于高速行駛，在列車頭部有大量昆蟲、小鳥等小動物撞擊血跡和殘體的附著;在車體外壁靠近地面的部分有大量鐵銹色干性灰塵的附著。這些污染物嚴重影響高速列車的美觀，需要耗費大量人工清洗。

另外，普通列車車廂兩端外壁下部有大量糞便排泄物粘附，至今未能很好解決，列車入庫清洗(在北方冬季還會結凍)困難。這不僅與干凈整潔的車站環(huán)境不協(xié)調，與中國百姓日益提高的物質生活水平也不和諧。

無論是昆蟲等小動物撞擊后的血跡和殘體，還是人體排泄物，均屬于水可分散性污染物。從上述低表面能自潔機理可以看出，這些污染物都不容易與涂料表面粘連而容易被水洗脫下來，再通過嚴格控制膜層厚度和光滑度，低表面能自清潔涂料應該能夠在這些地方發(fā)揮保潔作用。對于干性鐵銹色灰塵，可能會因靜電力、范德華力或毛細力等作用力附著上去，但這些作用力不屬于化學鍵力，強度弱，而且大多屬于水可浸潤、分散的物質，所以這些干性微粒很容易被水洗脫。對于車廂內部，低表面能涂料可以防止胡亂涂鴉和粘貼，使保潔變得容易，從而可以提高保潔標準且減少人工。

保潔技術是指用經過處理后使污染微粒不沾附，或很少沾附，或即便是沾附也容易從固體表面清洗下來的技術。清洗技術就是指將沾附于固體表面微粒清洗下來的技術。這兩方面的研究涉及分子粘附力學、分子動力學、熱力學和表面物理化學等多個學科［13－14］。據文獻報道，技術研究的發(fā)展已經由上世紀90年代注重清洗技術轉向目前的注重保潔技術［16］，而目前我國高鐵保潔主要以清洗技術為主，忽視了保潔技術的應用，用工量大，成本高，且反復的擦洗損傷漆面。

因此，在高鐵保潔服務中引進、使用保潔技術，必將大大提升我國高鐵保潔服務的水平。

5 應用中可能存在的問題及應對

低表面能涂料不存在安全問題，但因高鐵和動車底部泥漿飛濺附著和車頭撞擊昆蟲殘體附著，以及普通客運列車排泄物飛濺附著有其特殊性，在低表面能涂料的選擇上筆者認為必須考慮以下5個因素:

(1)接觸角:直接關系到防止飛濺污物附著的效果，接觸角越大，防污效果越好。

(2)耐受性:主要是指耐受長期光照、低溫、高溫、干燥、潮濕和水浸等不良環(huán)境而不失效的能力，它關系到保潔成本問題，因為低表面能涂料一般成本比較高，如果耐受性低，則需要多次涂刷，會大大增加成本。

(3)簡易施工和可重復性:要選擇只需要簡單處理就能夠進行噴涂或刷涂且可反復覆蓋的種類。

(4)機械強度:對于高鐵、動車底部的泥漿飛濺問題，低表面能涂料薄膜要能夠抵抗泥漿的沖擊。

(5)抗油污性:對于空氣中正常含有的少量有機物具有一定的抗污染能力，即便是被污染也能被簡單地用安全的有機溶劑洗脫。

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