船舶是溫室氣體排放的重要污染源，隨著國際海事組織將溫室氣體排放納入國際防止船舶造成污染公約，航運(yùn)業(yè)面臨節(jié)能減排的壓力。開發(fā)和應(yīng)用具有減阻功能的長效防污涂料替代現(xiàn)用防污涂料，對(duì)于降低船舶航行阻力，降低燃油消耗和減少“碳排放”具有重要作用。

 

　　文| 葉章基 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

 

　　船舶是溫室氣體排放的重要污染源，隨著國際海事組織將溫室氣體排放納入國際防止船舶造成污染公約，航運(yùn)業(yè)面臨節(jié)能減排的壓力。開發(fā)和應(yīng)用具有減阻功能的長效防污涂料替代現(xiàn)用防污涂料，對(duì)于降低船舶航行阻力，降低燃油消耗和減少“碳排放”具有重要作用。

 

　　文| 葉章基 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

 

　　海洋環(huán)境是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，生長著大量的海洋生物， 其中有一些喜歡附著在船舶和海洋構(gòu)筑物表面的海洋生物，稱之為污損生物。海洋污損生物附著在船體表面，不僅導(dǎo)致重量增加， 而且增加了船體表面粗糙度，改變了船體表面平滑的流線型結(jié)構(gòu)， 從而導(dǎo)致航速下降和燃油消耗大幅增加；海洋污損生物還容易附著在舵板、海底閥、通海管道、螺旋槳和聲納表面，嚴(yán)重影響船舶機(jī)動(dòng)性能，導(dǎo)致儀器儀表失靈、干擾聲納等。此外，污損生物破壞船體表面的防腐蝕涂層而促進(jìn)船體腐蝕。腐蝕降低船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是造成海難事故原因之一。因此一旦發(fā)生污損，則需花費(fèi)巨額費(fèi)用用于清除污損生物，修復(fù)腐蝕破壞的設(shè)備，降低在航率， 縮短了船舶的服役壽命。目前防止海洋生物污損的方法有很多， 涂裝防污涂料是船舶最為常用的方法。因此性能優(yōu)異的防污涂料對(duì)于防止海洋生物污損，防止船體表面粗糙度增加，避免燃油消耗增加有十分重要的作用。

 

　　近年來，世界各國圍繞“碳排放”進(jìn)行一場(chǎng)經(jīng)濟(jì)博弈，各行各業(yè)不可避免地加入這場(chǎng)持久的降低“碳排放”的戰(zhàn)爭中。據(jù)了解，船舶也是溫室氣體排放的重要污染源之一，世界上船舶所排放的二氧化碳已經(jīng)達(dá)到11.2 億噸，約占全球主要溫室氣體排放量的4.5%.由于全球航運(yùn)業(yè)的迅猛發(fā)展，到2020 年為止，由于燃油消耗增加所導(dǎo)致的大氣排放量將飆升38% 至72% 左右。如果船舶不使用防污涂料，船舶的燃油消耗將會(huì)增加40%--從現(xiàn)有的年耗燃油3 億噸增加至4.2 億噸。據(jù)估計(jì)，防污涂料的使用為全球航運(yùn)業(yè)每年節(jié)省燃油開支約300 億美元，同時(shí)減少3.84 億噸二氧化碳和360 萬噸二氧化硫的排放。自2010 年以來，船舶二氧化碳等溫室氣體排放已逐步納入國際防止船舶造成污染公約（MARPOL），在此背景下，研發(fā)具有減阻功能的防污涂料替代現(xiàn)用防污涂料，對(duì)于降低船舶航行阻力，降低燃油消耗和減少“碳排放”具有重要作用。

 

　　減阻防污涂料降阻原理與性能

 

　　船舶阻力是船舶最重要的總體性能指標(biāo)之一，決定了船舶快速性能的優(yōu)劣，主要包括興波阻力、粘壓阻力和摩擦阻力。興波阻力和粘壓阻力主要和船型有關(guān)，通過選用優(yōu)良的船型，可最大限度地減少這兩種阻力。摩擦阻力則主要和濕表面積、物體表面粗糙度、流體介質(zhì)及介質(zhì)的湍流分布特性有關(guān)。摩擦阻力在船舶等運(yùn)輸工具所受的總阻力中占有很大的比例，對(duì)于水面船舶，其表面摩擦阻力約占總阻力的50%.對(duì)于減阻技術(shù)的研究，早期的研究工作主要是減小表面粗糙度，即表面越光滑阻力越小。60 年代末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些天然樹脂、直鏈高聚物、有機(jī)皂等材料可以減少湍流摩擦阻力，對(duì)減阻的研究開始向多方面發(fā)展，一些新的減阻技術(shù)也相繼出現(xiàn)，如粘性減阻、仿生溝槽減阻、柔性壁減阻等，部分減阻技術(shù)已得到應(yīng)用。但對(duì)于船舶而言，由于體型巨大，目前一些減阻技術(shù)如仿生溝槽減阻技術(shù)尚難以大面積應(yīng)用；此外在減阻的同時(shí)， 還需保證有長期的防污能力，因此如何將防污技術(shù)與減阻技術(shù)在同一種涂層產(chǎn)品中應(yīng)用是富有挑戰(zhàn)性的工作。目前實(shí)用化防污涂料有兩種類型，一類是在漆膜中添加具有防污作用的防污劑，通過防污劑滲出到海水中起到防止海生物附著的作用。另一類是形成特殊表面的漆膜，使漆膜表面不易于附著污損生物，或生物附著不牢， 在航行水流沖刷下污損生物易于脫落。兩種類型中第一種是主流技術(shù)，在各類運(yùn)營船舶中占據(jù)了90% 以上。第七二五研究所在第一類涂料研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用粘性減阻理論，通過高分子改性技術(shù)， 在涂料樹脂主鏈上引入疏水性基團(tuán)，形成側(cè)鏈?zhǔn)杷曰鶊F(tuán)排列，提高漆膜光滑性，同時(shí)減低漆膜水解后的粗糙度，另外通過接枝合適碳鏈長度和特定結(jié)構(gòu)的有機(jī)酸調(diào)節(jié)樹脂主鏈的柔韌性和水解性能， 避免側(cè)基增多引發(fā)漆膜過脆，并通過樹脂合成工藝的進(jìn)一步優(yōu)化， 提高樹脂的均勻性。在研發(fā)的新型具有降阻性能的樹脂基礎(chǔ)上，添加氧化亞銅、高效防污劑等，通過配方篩選，研發(fā)了具有減阻功能的B40-SF 自拋光防污涂料。采用三維視頻儀測(cè)定新型自拋光防污涂料水解前后表面粗糙度，測(cè)試結(jié)果表明新型自拋光防污涂料在海水中水解之后可顯著降低涂層的表面粗糙度（如圖1）。與現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的磨蝕型839 防污涂料相比，采用平板模型測(cè)定，高流速下減阻性能可達(dá)5% 以上，顯示出良好的減阻性能（如圖2）。

 

　　除了具有良好的減阻性能之外，B40-SF 自拋光防污漆不含有機(jī)錫、DDT 等國際海事組織禁止使用的有害物質(zhì)，同時(shí)具有良好的防污性能，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示：