[發明專利]一種有機無機復合的機械耐久的防污涂層及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202310054661.1
• 申請日: 2023-02-03
• 公開（公告）號: CN116285435A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 田佳佳;畢帥強
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: C09D1/00
• 分類號: C09D1/00;B05D7/24;B05D5/00;B05D3/00;B05D3/12;C09D5/16;C09D7/65
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張真真

本發明屬于材料工程技術領域，涉及一種有機無機復合的機械耐久的防污涂層及其制備方法和應用。將陶瓷粉末和抗污損相粉末的機械混合粉作為噴涂原料，采用噴涂法在基體表面制備多孔結構無機基相涂層；采用低表面能污損脫附型有機高分子材料作為浸滲填孔物質，真空下對多孔結構無機基相涂層孔隙進行浸滲，隨后進行低表面能有機浸滲物質固化，得到有機無機復合的機械耐久的防污涂層。該涂層無機基相比例為60~90%，有機浸滲相比例為10%~40%，其中，無機基相由陶瓷主相及抗污損相組成，陶瓷組分占無機基相95%~99%，抗污損相占無機基相1%~5%，該涂層兼具了優異機械耐久性、強粘附強度、長效防污性能及環境友好特征。

技術領域

本發明屬于材料工程技術領域，涉及一種有機無機復合的機械耐久的防污涂層及其制備方法和應用。

背景技術

海洋生物污損是指海洋動物、植物或微生物在船舶、潛艇、設備、儀器儀表等浸入海水中的人造物體表面附著聚集的現象。海洋生物污損顯著威脅船舶及裝備的服役性能、可靠性及安全耐久性，其主要危害包括：（1）顯著增大船舶航行阻力、增加油耗。據統計，在沒有防護措施的情況下，半年之內每平米船體上附著的污損生物量可達150kg之多。即使輕微的黏泥附著，也會導致船舶航速及功率分別損失9%及3%，而當發生嚴重污損附著時，上述兩數據將飆升至28%及84%；（2）堵塞管路、散熱器，破壞螺旋槳流體線型結構，損壞聲吶、導流罩等儀器設備，更嚴重地，會引發管路穿孔、造成設備停機；（3）引發微生物腐蝕，加速金屬腐蝕速率。因此，研發能夠顯著提升材料抗生物污損能力的防污技術至關重要。

當前防污市場最主流的防污技術為涂覆含有氧化亞銅防污劑的無錫自拋光防污涂層。該涂層中的氧化亞銅防污劑在遇到海水后會逐漸釋放銅離子，銅離子具有廣譜高效的殺滅污損生物的作用，即抗污損功能，通過阻礙污損生物的新陳代謝將其殺滅而有效防污。然而，這種基于銅離子釋放的自拋光防污涂層存在銅離子快速釋放問題。為了保障防污涂層的防污期效及防污效果，往往需要在涂料中加入遠高于所需量（40%~50%）的氧化亞銅防污劑，造成大部分銅離子未起到防污作用便流失到海水中，從而導致嚴重的海洋重金屬污染。許多國家已相繼頒布法律限制防污涂層中防污劑的釋放速率。且該類型防污涂層服役后期因防污劑釋放困難而導致防污期效較短。因此，開發低毒或無毒的長效防污方法具有重要意義。

為了解決上述問題，許多研究致力于研發不含防污劑或使用天然防污劑的防污方法，例如，污損脫附型防污涂層、仿生型防污涂層、表面微織構防污涂層等。其中，污損脫附型防污涂層由于不含防污劑、環境友好且防污效果顯著而受到廣泛關注和研究。污損脫附型防污涂層依靠材料的低表面能特征使得污損生物在其表面難以附著或附著不牢，而在海水沖刷下實現輕易脫附、有效防污。然而，該低表面能污損脫附型防污涂層存在以下問題：（1）僅適合于船速大于15節的高航速船只，而由于不含抗污損成分在低航速或靜態條件下防污效果較差、抗污損性能差；（2）涂層與基體粘附強度較弱，通常小于1MPa，且其力學性能差，因此在外界機械載荷作用下易失效或剝落；（3）低表面能材料反而有利于硅藻的附著，即對硅藻防污效果差。如專利CN108468013A制備的是雙層結構，即底層致密的金屬/陶瓷涂層，上層噴涂低表面能聚四氟乙烯的結構，但在該專利中其低表面能疏水物質聚四氟乙烯存在如前文所述的靜態防污效果差、力學性能差及與基體粘附強度弱的問題，且該層低表面能疏水物質聚四氟乙烯僅存在于涂層表面極薄一層，一旦該層疏水物質遭到磨損破壞或脫落，下層涂層將不再具備低表面能性能，即涂層機械耐久性差。

針對上述問題，通常采用兩種方法提升低表面能污損脫附涂層的性能：其一為通過混入納米增強相（如納米陶瓷粒子、石墨烯、碳納米管等）的物理改性或接枝官能團（聚脲、聚氨酯、環氧樹脂等）的化學改性方法以提升低表面能污損脫附型材料的粘附強度或力學性能；另一種方法為在低表面能基相材料中引入具有抗生物污損功能的防污成分（如辣椒素、季銨鹽等）。然而，上述方法往往僅能帶來低表面能材料某一方面性能的提升，而難以使得其綜合性能協同提升，且親水性基團的引入往往導致其污損脫附性能顯著減弱。因此，如何在保留低表面能材料優異污損脫附性能的基礎上獲得優異機械耐久性、粘附強度及抗污損性能是制備環保、長效、高性能防污涂層的關鍵問題。

發明內容