低表面能防污涂料專利技術(shù)綜述

張璐

摘要：低表面能防污涂料是通過降低涂層的表面能而使海洋污損生物難以附著或容易脫落，其具有環(huán)境友好性和良好的防污性能。本文綜述了有機(jī)硅、有機(jī)氟、氟硅系列低表面能防污涂料的專利技術(shù)發(fā)展路線。

關(guān)鍵詞：低表面能；防污涂料；有機(jī)硅；有機(jī)氟；氟硅

1、低表面能防污涂料概述

海洋生物污損是由于各種海洋生物，如藤壺、藻類等在船舶外殼、海洋建筑物等表面上附著沉積引起的現(xiàn)象。該現(xiàn)象會增加船舶航行阻力、加速海洋設(shè)施腐蝕，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，涂裝防污涂料是解決以上問題最常用且有效的方法。防污涂料是為阻止海洋生物污損，保持船底、海洋設(shè)施結(jié)構(gòu)件表面光潔的一種專用涂料。防污涂料的發(fā)展從整體上可分為以下階段：傳統(tǒng)含防污劑涂料、有機(jī)錫共聚物自拋光防污涂料、無錫自拋光防污涂料和低表面能防污涂料。

低表面能防污涂料是利用涂料表面具有低表面能的物理性能，使海洋生物難以附著或者附著不牢，在船舶航行時利用水的剪切力作用或?qū)ｉT的清理設(shè)備很容易清除附著生物的一種防污涂料，主要分為有機(jī)硅系列、有機(jī)氟系列和氟硅系列。

2、低表面能防污涂料相關(guān)專利技術(shù)發(fā)展路線

2.1有機(jī)硅系列低表面能防污涂料的發(fā)展

1970年，申請?zhí)枮閁SD3702778的專利首次提出以硅橡膠為基料，配以其他助劑制得低表面能防污涂料，但其防污效果沒有傳統(tǒng)防污涂料好。之后又出現(xiàn)了采用室溫硫化硅橡膠作為基料的相關(guān)專利，但由于早期的這類防污涂料的防污效果不甚理想，所以往往同時添加三丁基氟化錫等防污劑。

隨后則逐漸向不含有毒防污劑方向發(fā)展，申請?zhí)枮镴P11007681的專利中公開了在硅橡膠的基礎(chǔ)上添加液態(tài)石蠟和礦油制得無毒低表面能防污涂料。單純的硅基涂層雖然有一定的防污性能，但施工性差、固化時間長、重涂性差、與船體的粘結(jié)力弱，使得其實(shí)際應(yīng)用受到限制，同時由于這一時期開發(fā)的有機(jī)錫自拋光涂料顯示出更優(yōu)秀的防污性能，使得有機(jī)硅低表面能防污涂料在七十年代到八十年代間發(fā)展緩慢，相關(guān)專利申請較少。直至1986年，日本油脂株式會社在申請?zhí)枮镴P13286186A 的專利中提出以不飽和聚硅氧烷、不飽和硅氧烷以及可聚合的不飽和乙烯基單體合成的聚合物作為基料制備低表面能防污涂料，為有機(jī)硅樹脂低表面能防污涂料指出了新的改進(jìn)發(fā)展方向，有機(jī)硅低表面能防污涂料在此后得到了快速發(fā)展。純有機(jī)硅基涂料力學(xué)性能差，易受破壞，1989年，英國的國際油漆有限公司提出申請?zhí)枮镋P89301373的專利申請，公開了一種以聚氨酯改性有機(jī)硅為基料的低表面能防污涂料，由聚氨酯或聚脲和交聯(lián)的聚硅氧烷網(wǎng)絡(luò)相互穿插形成，由于聚氨酯或聚脲的加固作用使具有防污性能的聚硅氧烷彈性體具有改進(jìn)的機(jī)械性能。純有機(jī)硅涂料附著力差，日本油漆株式會社于1990年提出申請?zhí)枮镴P5960990的專利申請，公開了主要包含有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂，并以氨基烷氧基硅烷作為固化劑得到附著性良好的低表面能防污涂料。

隨著對環(huán)保要求的不斷提高，出現(xiàn)了水性和無溶劑有機(jī)硅防污涂料，日本油漆株式會社在申請?zhí)枮镴P2427194的專利申請中制備了含有機(jī)硅復(fù)合乳液的水性防污涂料組合物。申請?zhí)枮镋P98302040，申請人為美國通用電氣公司的專利申請公開了一種防污涂料用的無溶劑可噴涂型室溫固化硅橡膠組合物。

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所于2009年提出的申請?zhí)枮镃N2009010018937的申請公開了一種通過直接成膜形成球形突起微結(jié)構(gòu)的表面防污材料的制備方法，先利用含氫硅油與（甲基）丙烯酸烯丙酯硅氫加成，合成含可聚合雙鍵的有機(jī)硅組分，再與丙烯腈、丙烯酸酯類單體進(jìn)行自由基共聚，形成鉸鏈有有機(jī)硅凝膠微粒的丙烯酸酯樹脂混合液再與樹脂混合后涂膜即得防污材料。2014年，申請人為大連海事大學(xué)的專利申請CN201410545977提出一種納米抗菌低表面能有機(jī)硅發(fā)光防污涂料，該涂料具有低表面能的同時具有長余輝發(fā)光性能，結(jié)合熒光效果，防污性能優(yōu)良。

2.2 有機(jī)氟系列低表面能防污涂料的發(fā)展

有機(jī)氟聚合物具有非極性、疏水表面以及低表面能的特點(diǎn)。1971年，申請?zhí)枮镕R7137197的專利申請首次提出采用有機(jī)氟聚合物如全氟聚醚或氟化乙烯丙烯共聚物作為船舶低表面能防污涂層。全氟聚醚雖然具有低表面能，但其表面形貌不規(guī)則，污損生物容易附著于表面突起形成機(jī)械鉚合，此后轉(zhuǎn)向開發(fā)防污性能更好的含氟聚合物涂層，主要集中在制備氟丙烯酸酯聚合物，這類聚合物具有比全氟聚醚更好的溶解性。1996年，旭硝子株式會社在申請?zhí)枮镴P3691896的專利申請中以含全氟烷基的（甲基）丙烯酸酯制得的聚合物和不含異氰酸酯基的聚氨酯化合物分散于水介質(zhì)中構(gòu)成防污涂料組合物。傳統(tǒng)的含氟涂料存在成膜溫度高的缺陷，2002年，申請人為湖北大學(xué)的專利申請CN02138736采用半連續(xù)自由基乳液聚合的方法以甲基丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸全氟烷基酯等為原料分步合成核殼型含氟乳液，再配以顏填料和其他助劑制備乳液型低表面能防污涂料，實(shí)現(xiàn)了常溫固化。2015年，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所提出申請?zhí)枮镃N201510830114的專利申請，提出一種雙組分的含氟烷基改性的丙烯酸酯低表面能減阻防污涂料，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的靜/動態(tài)防污。

2.3 氟硅系列低表面能防污涂料的發(fā)展

1977年，申請?zhí)枮镚B4908677的專利申請?zhí)岢鲆环N包括氟碳聚合物、溶劑和防污劑的防污涂料，還可以進(jìn)一步包括有機(jī)硅氧烷化合物，雖然其具有低表面能特性，但仍需加入防污劑以達(dá)到需求的防污性。1993年，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所在申請?zhí)枮镃N93108558的專利申請中提出一種無毒海洋防污涂料，基料選用聚二甲基硅氧烷及環(huán)氧樹脂，功能填料為聚四氟乙烯和石蠟油，通過將有機(jī)硅與有機(jī)氟物理混合來改善防污性能。物理共混雖然可以簡便地將氟碳樹脂和硅樹脂結(jié)合起來，但其性能不及以化學(xué)聚合方式的氟硅樹脂為基料的涂料。1993年，日本信越公司在申請?zhí)枮镴P10663093的專利申請中提出一種主要成分為丙烯酸樹脂、聚丁烯和含氧化亞烷基和全氟烷基的硅氧烷的防污涂料，防污性能良好。此后，出現(xiàn)了很多以具有反應(yīng)性活性基團(tuán)的氟碳樹脂與硅化合物反應(yīng)或者將氟單體與硅氧烷單體共聚制備氟硅樹脂，進(jìn)而將其用于低表面能防污涂料的專利申請。2005年，廣州市化學(xué)工業(yè)研究所在申請?zhí)枮镃N200510101356的專利申請中提出一種超耐候、抗污涂料用的氟硅改性丙烯酸酯乳液，合成產(chǎn)品具有超低的表面能且附著力好。2007年，申請?zhí)枮閁S20070896734的專利申請中制備了一種納米級船舶用防污涂料，將少量氟代烷基硅烷改性的納米粒子加入涂料中得到納米結(jié)構(gòu)和低表面能效果，從而使污損生物難以附著在船舶上或易于去除。中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所于2015年提出的申請?zhí)枮镃N201410783436的專利申請中提出了一種氟硅丙烯酸自拋光防污樹脂，將低表面能與自拋光效果相結(jié)合，增加防污效果。

3、低表面能防污涂料的發(fā)展趨勢

隨著公眾環(huán)保意識的增強(qiáng)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的出臺，環(huán)境友好型低表面防污涂料仍是今后發(fā)展的重要方向，無溶劑化、水性化等方向?qū)⑹俏磥淼陌l(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)。endprint