海洋附着生物对船舶和海洋设施的污损及防治

海洋附着生物对船舶和海洋设施的污损及防治

天津新技术产业园区中核防水材料有限公司研究发展部

（中国天津，邮编300180）

摘要：海洋附着生物对船舶和海工混凝土结构的污损成为人类海上活动的巨大障碍；尽管各种防污涂料相继问世，但寻求高效、持久、无毒、环境友好的防污涂料仍迫在眉睫。中核防水材料

有限公司生产的CB2000B和CN2000C&D防水、防腐涂料属于非释放型的低表面能、高pH

值的涂料，目前已获得优异的防污效果。

关键词：附着生物藤壶污损表面能pH值非释放型CB2000B CN2000C&D

图2美国佛罗里达州SR-A1A桥近景

图3船底受海洋生物污损情况

藤壶分布甚广，数量繁多，密集成堆，几乎任何海域的潮间带至潮下带浅水区，都可以发现其踪迹；附着在桥墩、船体上，任凭风吹浪打也冲刷不掉。这是因为，藤壶分泌出的一种粘性胶含有

多种生化成份并具有极强的粘合力，若想用手把它从附着物上拨下几乎不可能，必须藉助凿子类的硬金属才能将它敲下来。

据统计，万吨以上的远洋轮，船底污损5%，燃油消耗将增加10%，每年的经济损失超过100万美元[1]；有资料称，藤壶附着在舰船的底部，会大大降低航速，全世界每年燃料消耗要增加26％以上，甚至达40％，全世界每年需花大量人力清除藤壶，进行频繁的周期性维护，耗资巨大，每年达上百亿美元；有时甚至决定战争的胜负，1905年，日本海军在对马海战中之所以使号称世界王牌的沙俄波罗的海舰队全军覆没，其中一个重要原因是沙俄舰队在一年多的航行中，船底附着了藤壶等附着生物，使其航速降低之故。Home曾威胁说：“自古以来，海洋生物的污损比起腐蚀来是个更为麻烦的问题，污损生物生命力之坚韧，将使污损问题成为人类征服海洋的一个难以逾超的障碍。”[2]生物污损又和生物腐蚀联系在一起，海洋附着生物达2000种以上，它们通过分泌粘液附着在基体上，它们在新陈代谢活动中，会产生各种化学物质，其中，所产生的酸类物质对金属和混凝土有很大的腐蚀性，致使船舶和混凝土建筑物的使用寿命降低。

人类与海洋附着生物的战斗已有四千年的历史，而防止附着生物的污损研究至今也有300多年。自1626年出现防污涂料至以后相当长的一段时间，人们以毒料毒杀附着生物为依据，并建立了漆膜的毒物渗出理论，在漆膜中使用铜、汞、镉、砷、铅的无机化合物或有机锡，中取得了一定的防污效果。但这种含毒料防污漆严重污染海水，破坏生态环境，影响水产养殖，而且价格高，生产实际上无法使用[3]。近年来，随着环保呼声的日益高涨，各沿海国家纷纷立法限制有毒防污涂料的使用。1994年，联合国发表了“21世纪宣言”；我国也于1995年发表了“21世纪海洋发展宣言”，明确提出发展无公害的海洋防腐和防污技术。至今,已经有43个国家先后发布限制使用含三丁基锡防污涂料的禁令。国际海事组织（IMO）所属的海洋环境保护委员会（MEPC）也颁布了相应的法规，2008年1月1日之后将彻底禁止使用含有机锡的防污漆。针对这种情况,开发高效、无毒、水性的环境友好型防污涂料就成为21世纪海洋涂料的发展方向[4]。

1附着生物的生存条件

1.1水域的温度、pH值和盐度

影响海洋生物附着和生存的主要条件是温度、酸碱度和盐度等。以藤壶为例，藤壶的附着盛期为夏季，其适宜生长的海水温度在18℃以上，海水pH为7.5~8.5，盐度范围约为25‰~30‰。这些海水的理化因子或高或低都不利于藤壶的生长繁殖。研究发现，新浇铸的混凝土表面的水下结构在相当时间内无生物附着。其原因，正是由于此时的混凝土表面呈强碱性的缘故。

1.2基材的表面能

研究表明，海洋生物对舰船和混凝土表面的附着是通过分泌粘液润湿被附着表面，以化学键合、静电吸附、渗透扩散等方式来实现的；而污损物从基材表面脱落则是以剥离、剪切等方式进行。其中，剥离脱落所需要的能量较小。因此，生物污损与表面能有很大的关系，基材表面自由能越低，粘液对表面的浸润性差，固体表面液体的接触角也就越大，海洋生物就难以附着或附着不牢，利用自重、航行水流的冲击或者辅助设备的清理就可以轻易除去。

因此，附着物表面的粗糙程度往往会影响藤壶等海洋生物的附着，海洋生物喜欢吸附在粗糙的表面即自由能较大的表面上，具有“向触性”[5][6]。

为保护海洋环境、增殖海洋渔业资源，有关部门开展了“人工鱼礁”的有研究。人工鱼礁所用材料的生物附着量直接影响到人工鱼礁集鱼功能的效果。人工鱼礁礁体试验材料有钢筋混凝土板、各种金属板、塑料板、木板和轮胎等共14种；其中钢筋混凝土板共有8种表面和不同花纹的试验材料，

结果证实，钢筋混凝土板附着的总生物量幅度为5010~19560g/m2；以表面较粗糙、有粗砂突起的混凝土板为最多，达到19560g/m2，其次是有凹凸条带纹的混凝土板，总生物量为15982g/m2，可见钢筋混凝土结构有较好的生物附着性，而表面粗糙的混凝土板要比表面光滑的更有利于生物的附着[7]。

1.3细菌生物膜的影响

细菌生物膜(Bioslime film)起着重要作用：(1)为附着生物的浮游幼虫提供一个立足点；(2)使发亮的表面变暗并改变表面原来的颜色，从而有利于附着；(3)可充当藤壶、贻贝及其他浮游生物幼虫或成虫的饵料；(4)促进定居生物的石灰质沉淀；(5)分解有机质,从而增加藻类植物生长所需的CO2及氨浓度，而藻类植物又为附着动物提供食物来源。研究表明，海水中生存着种类繁多的细菌，当细菌

面的接触角大，也即表面能很低，因而附着生物的分泌物不能浸润其表面；CN2000B涂层的扫描电镜微观形貌证实[11]，其表面密实，即使分泌物长期浸泡，也无法通过毛细管空、孔渗透或扩散其内。

b高碱度、低盐度。CN2000B的pH值＞10，涂层内没有任何盐分，因此附着生物及其幼虫在其表面无法生存。

c耐腐蚀，长寿命。CN2000B耐氯离子的侵蚀。此特性目前已为加拿大国家研究委员会建筑研究院依据ASTM相关标准，经9个月的研究测试证实[12]。

3.3.2CN2000C&D

CN2000C&D是柔性防水材料，为刚性粉料和乳液双组分。其特性如下：

a防水、耐腐蚀。在特定酸度的稀盐酸溶液中经过60天的浸泡试验证实，对pH值≥2的酸性环境下长期使用是安全的。

b表面能低

c pH值～10

d乳液为纯丙烯酸树脂聚合物，耐腐蚀、抗老化，刚性、柔性兼具，干燥快、易涂敷。

3.3.3《中核2000》防水涂料在相关领域的应用案例

，而

，图4“夹克”在拆除中图6“夹克”已拆除（侧面）

图5“夹克”已拆除（正面

然而，在拆除“夹克”之后仅周，暴露于海水中的桥墩即可清晰观察到海洋附着生物的广泛生长，见图7和图8：

图7完全拆除“夹克”图8部分拆除“夹克”

经与本公司在美国的代理进行技术交流和沟通后，美方代理决定采用《中核2000》对暴露的桥墩进行处理，见图9~14。中核2000》后至今已有5个月。由下图可以明显看到，涂层表面没有任何海洋生物的附《中核2000》涂层保护的桥墩则有大量的附着生物集聚。见图15、16。

《中核2000》涂料优异的防污性能已初露端倪。

图14

图9图12

图13图15图16

图10

图11图14

4讨论和结论

人类探寻高效、长寿命、价格低廉、操作简易而又无毒、环境友好型防污涂料的努力正在不断取得进展。单纯的低表面能防污涂料往往只能使海生物附着不牢，需定期清理。附着生物一旦长大将很难除去，清理过程中会破坏涂膜，因而目前其应用范围有很大的局限性；仿生防污涂料、生物化学涂料、导电防污涂料等提出了不同于传统涂料的全新的防污理念，但研发难度大，投入使用尚需时日；而水性涂料，包括无机涂料如碱金属硅酸盐涂料、有机涂料如丙烯酸涂料等，其综合性能较好，技术上相对成熟，正广泛引起业内人士的注意。但这两类涂料又有各自的不足之处：前者仍属于“释放型”，即通过溶解或离子交换，使周围水域的pH值增加。因而其功能的持久性受到限制，经过一段时间后需要重新涂布；后者除去成膜条件相对复杂以外，与混凝土面的粘接强度和寿命尚值得商榷。因此已经有研究人员试图将以上两者结合起来，提出：以无毒硅酸盐水泥（内含碱土金属硅酸盐）为主要防污剂，丙烯酸树脂为基料，并对颜色、组成、溶剂体系等因素的影响进行研究。实际上，CN2000B和CN2000C&D正是这一研究思路的成果，而且已经有效果明显的应用案例。

与碱金属硅酸盐等涂料不同，此两种材料的防污机制不是以释放涂层中的物质来改变自身的表面状态（如“有机锡类自抛光防污涂料”是靠其水解出现新表层，实现自抛光）或者改变周围水域的酸碱度，而是靠涂膜本身的特性即低表面能和高pH值而使得海洋生物不能附着、栖息和生存。因此从理论上讲，其持久性应当高于“释放型”涂料；其次，两种材料的施工性极佳，操作简易，省时省力。美国佛罗里达州圣约翰郡的SR-A1A桥桥墩涂敷《中核2000》即是在落潮和涨潮之间的数小时内迅速完成的。

可以预见，《中核2000》在抵御淡水、污水、海水的微生物腐蚀或船舶、海工混凝土建筑的海洋生物的附着性污损方面将会发挥重要作用。

参考文献

[1]建设部建筑涂料工程研究中心《涂料行业报告之防污涂料》2003

[2]孙萍，孙咏红海洋污损生物防技术研究[J]大连铁道学院学报2000.12

[3]任清光，范宝德污着生物对莱州湾海湾扇贝养殖的危害及防除研究[J]实验与技术2000.

[4]黄晓冬，张占平水性聚氨酯防污涂料的海洋细菌附着实验[J]大连海事大学学报2007.2

[5]李昕无毒防污涂料的研究进展[J]涂料工业2005.4

[6]史航，王鲁民海洋污损生物藤壶的附着机理及防除[J]广东农业科学2006.6

[7]黄梓荣，梁小芸人工鱼礁材料生物附着效果的初步研究[J]南方水产2006.2

[8]黄英，柯才焕国外对藤壶幼体附着的研究进展[J]海洋科学2001.3

[9]张涛，杨德斌海洋防污涂料发展现状及对我军舰船防污问题的建议[J]军民两用技术与产2004．1

[10]中核防水材料有限公司研究发展部混凝土排污管道的腐蚀与防治内部资料

[11]徐明根水泥基渗透结晶型防水材料渗透深度与扫描电镜和能谱分析[J].铁道科学与工程学报2005.3

[12]加拿大国家研究委员会委托报告B-5331.1最终报告CN2000B涂层对氯离子在混凝土中的渗透性影响——实验室评价2008中核防

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