低表面能涂料及其应用技术
低表面能防污涂料的进展
综 述文章编号:100321545(2001)0120033203低表面能防污涂料的进展郑群锁(洛阳船舶材料研究所 洛阳471039)摘 要 介绍了低表面能防污涂料的作用机理、特点及发展现状,重点介绍了有机硅系列和氟化物系列低表面能防污涂料的研制和应用情况。
关键词 低表面能 防污涂料 氟化物 有机硅中图分类号:U672.7+ 文献标识码:A Progress in Low Surface Energy Antifouling CoatingsZheng Q unsuo(Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang471039,China)Abstract This paper reviewed the function mechanism,characteristics and development of low surface energy an2 tifouling coatings,and focused on the development and application of low surface energy antifouling coatings of organosilicon system and fluoride system.K eyw ords Low surface energy Antifouling coatings Organosilicon Fluoride 海生物附着不仅会使船舶的航速下降、燃油消耗量增加,而且还会使船舶及水下设施的腐蚀破坏加剧、使用寿命显著缩短。
在这些结构物表面涂刷防污涂料是解决上述问题的重要途径。
传统的防污涂料是利用涂料中释放出的铜、锡、汞、铅等毒料来杀死海生物的,这虽然能减少或消除海生物的污损,但有害物质的释放给生态环境和人类健康也造成了严重危害,这个问题已受到世界各国的高度重视,许多国家都相继制定了限制或禁止使用毒性防污涂料的法规或条例。
低表面能涂料简介
低表面能涂料分类
涂层减阻
如法国“海鳝”鱼雷外表面涂装具有低摩擦阻力的涂 层后，明显提高了鱼雷的航速；NASA开发出的微绉褶涂层 技术，除了可应用于飞行器或船舶表面，以降低能源损耗 外，此类技术并应用于运动竞赛方面，譬如泳帆船表面， 结果显示高分子涂层可减阻60%。
低表面能涂料的应用
憎水
减阻降噪
特点：不是不附 着，而是附着不牢固， 一旦大流速可自动除 去，即可称为：自洁
净涂层
低表面能涂料分类
❖低表面能减阻涂料
低表面能 减阻涂料
疏水减阻
涂层减阻
低表面能涂料分类
疏水减阻
用低表面能物质来实现疏水和减阻的是由于疏水涂层推 迟了平板表面流体层流边界层向湍流边界层的捩转。或疏水 表面的减阻归结于液-固界面间产生了滑移（滑移20μm），从 而实现减阻。
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
CSS-Fe超疏水涂层在船舶上的应用
哈尔滨工程大学的专家及国外的研究学者证实，“低表 面 能 超 疏 水 涂 层 的 减 阻 在 接 触 角 ＞ 150 ℃ 时 ， 可 减 阻 18%30%，当接触角＞174℃，流速较大时，减阻最高可达50%， 同时可减小水下自噪声10Bb”。可见CSS-Fe超疏水铁基涂层 在舰艇上的使用对进一步提高舰艇这个海上平台的快速反应 能力与作战能力有着非常重要的意义。
低表面能涂料分类
低表面处理涂料
低表面处理涂料钢结构涂层的维修系统，最好使用低表面处理涂料。
维修用低表面处理涂料，首先要与带锈涂料区别开来。
带锈涂料的主要作用是涂覆于残留锈蚀的钢铁表面，而本文介绍的低表面处理涂料，不仅可以带锈涂刷，还可以涂覆于其它种类的旧涂层上面。
由于这一类涂料的特殊性，如果对于文字有所曲解，就会带来不良后果。
比如以前的带锈涂料，很多人就以为对于锈蚀产物可以不加处理地用涂料涂刷，或者就是对于锈蚀的处理程度有着不同的认识。
低表面处理涂料，必须理解到底可以容忍的底材表面是处于什么状态，这是最为重要的。
比如说，底材表面可能覆盖有氧化皮、锈蚀、各种成分的旧涂层、水分、盐分或者油污等。
这类涂料还可能要求在施工中能够容忍高温、低温、相对湿度以及表面潮气等。
在使用低表面处理涂料前，对于这些因素都要作认真细致的考虑。
在实际的涂装施工中，有很多情况下不可能对钢材进行完全彻底的喷砂处理，除了钢结构本身的特别情况外，还有日益严格的环保法规和卫生安全条例等。
比如桥梁的维修涂装，如果进行喷砂就会影响公众环境，污染水源等。
低表面处理涂料的使用，主要针对在不可能完全达到喷砂级别Sa2.5，又要达到高级别的防腐蚀保护要求的情况下。
另外一个要求就是低表面处理涂料要能够涂覆在不同种类的旧涂层上面而不会产生相容性问题。
因此，在这种情况下的讨论，低表面处理涂料只要是指那些可以涂覆在手工或动力工具打磨的表面（St2/St3），旧涂层表面和高压喷射除锈表面的涂料产品。
由于低表面处理涂料主要是应用于涂装维修方面，所以这类涂料产品还必须比其它类的涂料产品更能适应多种气候和施工环境。
那些标准的车间内施工要求并不适合于低表面处理涂料。
高湿度、低温、风力、灰尘以及底材和涂层上的露水微凝等，都可能是钢结构现场施工时会遇到的问题。
高压水喷射除锈在涂装维修时已经越来越多地受到了关注，因为它不会像喷砂那样产生大量灰尘而引起环保问题，也无须搭建严格的围护结构。
在船舶维修方面，高压水喷射除锈有着很多的应用，并且取得了极大的成功。
低表面能之自洁涂料的发展
Shibuichi, S.; Onda, T.; Satoh, N.; Tsujii, K. J. Phys. Chem. B 1996, 105, 19512 Otten, A,; Herminghaus, S. Langmuir 2004,20,2405. Jeong, H. J.; Kim, D. K.; Lee, S. B.; Kwon, S. H.; Kadono, K. J. Colloid Interface Sci. 2001, 235, 130. Nakajima, A.; Hashimoto, K.; Watanabe, T. Langmuir 2000,16,7044. Takeda, K.; Sasaki, M.; Kieda, N.; Katayama, K.; Kako, T.; Hashimoto, K.; Watanabe, T. Nakajima, A. J. Mater. Sci Lett. 2001, 20, 2131. Kawai, A.; Nagata, H.J. Appl. Phys. 1993, 33, 1283. Morra, M.; Occhiello, E.; Garbassi, F. Langmuir 1989, 5, 872. Gomberta, A.; Glaubittb, W.; Roseb, K.; Dreibholzc, J.; Blasia, B.; Heinzela, A.; Spornb, D.; Dollc, W.; Wittwera, V. Thin Solid Films 1999, 351, 73.
如圖五所示，隨著粒徑的增加，接觸角亦 隨之增加，且接觸角最高可維持在140∘左 右。
在表面結構方面，薄膜之粒子粒徑在 120~200nm時，由AFM分析(圖六)，其表 面粗糙度Ra=46.5nm(<100nm)。
中科院兰州化物所科技成果——低表面能涂层
中科院兰州化物所科技成果——低表面能涂层
成果简介由于碳-氟键键能高，化学稳定性好，因此氟碳树脂多用于苛刻环境中，如高温环境，高酸碱盐度环境等，但大多数氟碳树脂为固体粉末，难溶难融，与多数常用树脂（丙烯酸，环氧，聚氨酯）配伍性差。
因此，我们通过分子设计制备含氟单体，通过自由基聚合制备一系列氟碳树脂，且氟含量可调，且易溶于多数有机溶剂，可与常用树脂任意互配。
由于树脂链中富含氟烷基链，其固化后表面能低，纯树脂表面水接触角大于110°，滑动角小于20°，而复合一定量的无机填料，接触角可达到150°以上，滑动角小于5°。
目前该产品已在工厂中试放大，生产工艺成熟，产品质量稳定。
技术指标氟含量可调；低表面能，疏水，树脂表面水接触角大于110°，滑动角小于20°；疏油，表面不沾油；耐沾污，油性笔书写困难；机械性能优异；室温固化，施工工艺简单。
应用领域涂装最外层防护涂层
成熟程度小批量生产
合作方式技术开发。
低表面处理涂料的应用与发展
（ ． ｒ ｅＣ ｅ ｃ ｌ ｅｅ ｒｈＩｓｉ ｔ， ｈ ｎ ｏ ｇ Ｑｉ ｄ ｏ ６ ０ １ ｈｎ ；２Ｑｉ ｄ ｏＵ ｉｅｓｔ ｏ ｃｅｃ ｎ １ Ｍａ ｉ ｈ ｍｉ ｓａｃ ｔｕｅ Ｓ ａ ｄ ｎ ｎ ａ ，２ ６ ７ ，Ｃ ｉａ ． ｎ ａ ｎｖｒｉ ｎ ａＲ ｎ ｔ ｇ ｇ ｙ ｆＳ ｉ ｅａ ｄ ｎ
缩 短 涂装 时间 ， 少涂 装 费用 。 减
的 高性 能 涂 料 ， 样不 仅 减 轻 了表 面处 理 的压 力 ， 这 避 免 表 面处 理 对 环境 造 成 的 污染 ， 而且 节 约维 修 费用 。
目前 ，国内外 各 涂料 公 司 已开 发 了不 少 能适 应 低 表 面
处理 的重 防腐 涂料 ， 示 出强 大 的生 命 力 ， ２ ０ 年 显 从 ０８ 起， 初步 形成 了市场 ， 而且 正在 逐 步扩 大 之 中 。
Ｋ ｅ ｏｒ ｙＷ ｄｓ： ｈ ｌ ｉ ｔ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｔ ｔ ； ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｒ ｎｄ ｕｌ ｐａ ｎ ； ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｓａ ｕｓ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔｔｅ
上海涂料
第４ ９卷
表 １ 环氧类低表面处理涂料
摘
要 ：介 绍 了低 表 面 处理 涂料 的施 工特 性 、涂料 类型 和应 用 案例 ， 对其 发展 方 向作 了展 望 。 并 文献 标识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ — ６ ６ ２ １ ） ３ ０ ３ — ３ ０ ９ １９ （ ０ ０ — ０ ３ ０ １
关 键词 ：低表 面处 理涂 料 ；环保 性 能 ；应 用 与发 展
Ｔｃ ｎ ｌｇ ， ６ ０ １ Ｃ ｉａ） ｅｈ ｏｏ ｙ ２ ６ ４ ， ｈｎ
低表面能有机硅及其改性防污涂料的研究进展
低表面能有机硅及其改性防污涂料的研究进展2014-07-14涂料工业摘要：概述了低表面能防污涂料的发展现状，有机硅低表面能防污涂料的影响因素及其防污机理、低表面能防污涂料的分类、有机硅改性低表面能防污涂料的研究状况。
重点介绍了有机硅低表面能微结构构筑技术，提出了表面微结构构筑正在成为未来防污领域发展的重点，总结了低表面能防污涂料的不足，并展望了其发展趋势。
关键词：低表面能；有机硅；防污涂料；微结构海洋生物污损主要来自藤壶、水螅、贻贝、海鞘、石灰虫等海洋生物的附着生长，这些生物常依附于船体或水下设施上，如：石油钻井平台、跨海大桥、海底输油管道等，对舰船来说附着污损不仅造成船舶的航速下降、能耗增加，且附着生长的海生物对船体会造成一定程度的侵蚀，甚至使其不能正常航海作业，因此海洋污损附着生长造成的经济损失不容忽视。
为了消除或降低污损生物附着生长，采用防污涂料是既高效又便捷的方法。
防污涂料大致经历了由二战后的Hg、As类剧毒类毒料，到20世纪70年代初的三丁基锡（TBT）类与Cu2O的复配防污涂料体系，这些防污涂料在很大程度上对生物附着生长起到抑制作用，但随着使用量的增加也导致海洋环境污染日益加剧。
法国科学家的研究发现，TBT会干扰牡蛎、螺类等的机体正常代谢活动，使贝壳畸形变厚、含肉下降；会导致雌性螺类产生性畸变，从而影响其种群发展；其他海洋生物也会受到TBT的不良影响。
目前TBT类防污涂料已禁用，其他有毒性的防污涂料也将逐步被淘汰。
基于环境保护的理念开发无毒或低毒的防污涂料成为发展的趋势，低表面能有机硅及其改性树脂涂料是不可或缺的一类。
1 低表面能防污涂料的发展现状防污涂料技术主要源自欧美和日本，已商业化的防污涂料主要分为两大类：一是含杀虫剂的防污涂料；二是不含杀虫剂的防污涂料（或称低表面能防污涂料、污损释放型防污涂料），其中后者更符合当今的环保理念，因此也更值得进行深入研究。
目前，低表面能防污涂料已从单一低表面能材料（如：有机硅树脂、硅油、氟碳树脂等）发展到低表面能树脂的改性复合材料（如：有机硅-聚氨酯类、有机硅-环氧树脂类、有机硅-丙烯酸类、有机硅聚醚类，有机硅-聚酰胺类等），低表面能复合材料的开发，拓展了有机硅材料的适用范围，对低表面能防污材料表面微结构构筑成为近年研究的新方向。
低表面能涂层技术发展现状
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２００５ 年第 ３ 期 ・ 第 ５ 卷 总第 ２２ 期
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# 抗玷污涂层
由氟烯烃聚合物或氟烯烃与 其他 单 体 为 主 要 成 膜 物 质 的 涂 料 被称为氟碳涂料 ! 已经有半个多世 纪的历史 $ 由于氟原子结构及其在 与碳原子组成共价键后的特点 ! 化 学性 能 上 表 现 出 突 出 的 高 度 热 稳 定性和化学惰性 ! 具有极佳的抗玷 污性能 $ 含氟聚氨酯涂料是一种可长温 固化的氟碳涂料! 含氟聚氨酯涂层 既具有聚氨酯涂层的高强度 ! 又具 有超低的表面能! 较之于含硅或特 富龙 ’=972,+( 的低表面能抗玷污涂 层产品 ! 它在性能和成本方面均具 有较大的优势$ 美国 >;.,+/? 公司研制的低表 面能 超 级 憎 水 含 氟 聚 氨 酯 涂 层 可 有效地减少雨水对飞机 " 舰船 " 地 面雷 达 和 微 波 通 信 系 统 的 信 号 影 响 !落在这种涂层上的雨滴被分散 成微小的球形液滴 ! 对微波吸收很 少 $ 地面移动和海军通信系统涂装
" 减摩涂层
利用含氟低表面能材料 ! 辅以 特殊设计的纹理结构 ! 可制备具有 减摩 " 降流阻和降低噪声的涂层 ! 在军事和民品上有广泛应用前景 $ 如法国 ) 海鳝 * 鱼 雷 外 表 面 涂 装 具 有低摩擦阻力的涂层后 ! 明显提高 了鱼雷的航速 % 澳大利亚的科学家 根据鲨鱼皮肤纹理减阻原理 ! 研制 成功能降低阻力 " 提高游泳选手运 动成绩的游泳衣 ! 在国际比赛中取 得了很好的效果 $
! 防海生物污染涂层
低表面能防海生物污染涂层 是一种借助于漆膜的低表面能 ! 使 海生 物 与 漆 膜 相 互 排 斥 的 涂 层 技 术 $ 若 涂 层 的 表 面 能 低 于 $ "!# %"
低表面能涂料及其应用技术
一４８—
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图７自聚集水性氟碳树脂防污涂料反应式
－’甘卜叶
ＰＮＦＨＭＳ
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ＣＦ３ＣＨ２ＱＨ２
．一．广叶
图８氟代聚硅氧烷结构式 开发低表面能有机硅防污涂料的关键问题是涂料对底材的附着力差，解决办法之一就是利 用三层涂料体系：以环氧聚酰胺防庭涂料作为底漆，中阃是苯乙烯丙烯酸丁酯与聚硅氧烷的互穿 网络粘结层，然后再涂有机硅防污面漆。附着力的问题有待于进一步研究。此外，有必要提高其 机械性能，如抗划伤、抗撕裂、抗刺穿性能等。 ３低表面能减阻涂料
最近有一种新型的低表面能防污涂料一一氟代聚硅氧烷就是基于上述新的设计理念开发来 的 代 表 产 品ＰＮＦ珊Ｓ（ｐ０１ｙｎｏｎａｆｌｕｏｒｏｈｅｘｙｌｍｅｔｈｙ卜ｓｉｌｏｘａｎｅ） 及ＰＴＦＰｂ］Ｓ （ｐｏｌｙ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌｍｅｔｈｙ卜ｓｉｌｏｘａｎｅ）），其结构式如图８所示。线型的聚硅氧烷骨架上带有 氟碳侧基，－－－ＣＦ，在涂膜中将取向表面，即吸取了线型聚硅氧烷的高弹性及高流动性，又吸取了氟
利用压差流阻测试装置，研究了各类管道内壁涂层如环氧涂层、环氧沥青涂层、丙烯酸涂 层、低表面能涂层的减阻效果，结果显示，低表面能涂层具有明显的减阻效果，相对于环氧沥 青涂层减阻率提高２１．７ｚ％。 ３．１流阻测试装置
一４９—
图９流阻测试装置工作原理示意图
低表面能涂料配方部分物质的功能
（1）F200：是以三氟氯乙烯共聚物为主体的溶剂可溶型FEVE氟树脂，具有优异的耐候耐久性、耐腐蚀耐化学品性、高装饰性，良好的相容性、饱满性，极佳的耐盐雾性，特别适合于制作耐久耐候的建筑及烘烤涂料也可用于工业涂料。
技术数据：项目技术指标外观无色或淡黄色透明液体，无机械杂质细度，µm≤10粘度（涂-4杯）S 53±5固含量，% ≥53氟含量，% ≥19羟基含量，%（固体） 1.2~1.8酸值 mgKOH/g 4~8密度(20℃ g/ml) 1.10~1.20产品特性：高装饰性、超耐候性、防腐蚀性、高光泽，良好的相容性、饱满性，极佳的耐盐雾性应用领域：高性能双组份溶剂型氟碳漆（建筑涂料、烘烤漆）（2）有机硅树脂：是高度交联的网状结构的聚有机硅氧烷，通常是用甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、苯基三氯硅烷、二苯基二氯硅烷或甲基苯基二氯硅烷的各种混合物，在有机溶剂如甲苯存在下，在较低温度下加水分解，得到酸性水解物。
水解的初始产物是环状的、线型的和交联聚合物的混合物，通常还含有相当多的羟基。
水解物经水洗除去酸，中性的初缩聚体于空气中热氧化或在催化剂存在下进一步缩聚，最后形成高度交联的立体网络结构。
成分结构：硅树脂的固化通常是通过硅醇缩合形成硅氧链节来实现的。
当缩合反应在进行时，由于硅醇浓度逐渐减少，增加了空间位阻，流动性差，致使反应速率下降。
因此,要使树脂完全固化,须经过加热和加入催化剂来加速反应进行。
硅树脂最终加工制品的性能取决于所含有机基团的数量（即R与Si的比值）。
一般有实用价值的硅树脂,其分子组成中R与Si的比值在1．2～1．6之间。
一般规律是，R：Si的值愈小,所得到的硅树脂就愈能在较低温度下固化；R：Si的值愈大，所得到的硅树脂要使它固化就需要在200材250℃的高温下长时间烘烤，所得的漆膜硬度差，但热弹性要比前者好得多。
此外，有机基团中甲基与苯基基团的比例对硅树脂性能也有很大的影响。
低表面能防污涂料专利技术综述
低表面能防污涂料专利技术综述作者：张璐来源：《科学与财富》2017年第23期摘要：低表面能防污涂料是通过降低涂层的表面能而使海洋污损生物难以附着或容易脱落，其具有环境友好性和良好的防污性能。
本文综述了有机硅、有机氟、氟硅系列低表面能防污涂料的专利技术发展路线。
关键词：低表面能；防污涂料；有机硅；有机氟；氟硅1、低表面能防污涂料概述海洋生物污损是由于各种海洋生物，如藤壶、藻类等在船舶外壳、海洋建筑物等表面上附着沉积引起的现象。
该现象会增加船舶航行阻力、加速海洋设施腐蚀，造成严重的经济损失，涂装防污涂料是解决以上问题最常用且有效的方法。
防污涂料是为阻止海洋生物污损，保持船底、海洋设施结构件表面光洁的一种专用涂料。
防污涂料的发展从整体上可分为以下阶段：传统含防污剂涂料、有机锡共聚物自抛光防污涂料、无锡自抛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，使海洋生物难以附着或者附着不牢，在船舶航行时利用水的剪切力作用或专门的清理设备很容易清除附着生物的一种防污涂料，主要分为有机硅系列、有机氟系列和氟硅系列。
2、低表面能防污涂料相关专利技术发展路线2.1有机硅系列低表面能防污涂料的发展1970年，申请号为USD3702778的专利首次提出以硅橡胶为基料，配以其他助剂制得低表面能防污涂料，但其防污效果没有传统防污涂料好。
之后又出现了采用室温硫化硅橡胶作为基料的相关专利，但由于早期的这类防污涂料的防污效果不甚理想，所以往往同时添加三丁基氟化锡等防污剂。
随后则逐渐向不含有毒防污剂方向发展，申请号为JP11007681的专利中公开了在硅橡胶的基础上添加液态石蜡和矿油制得无毒低表面能防污涂料。
单纯的硅基涂层虽然有一定的防污性能，但施工性差、固化时间长、重涂性差、与船体的粘结力弱，使得其实际应用受到限制，同时由于这一时期开发的有机锡自抛光涂料显示出更优秀的防污性能，使得有机硅低表面能防污涂料在七十年代到八十年代间发展缓慢，相关专利申请较少。
低表面能涂料简介
大，能确保覆盖住极性基团及偶极子。涂料交联密度高，取向
的含氟端严格固定，且表面非常光滑，既能抵抗黏附分子的渗 透，又可以抵抗黏附所诱导的分子重排。由于黏附分子渗透重 排受到限制，涂层和黏附物之间的黏附不牢，形成分明的易剥 离的界面。舰船航行速度较高，因此即使在舰船停泊时被海洋
生物附着污染，一旦航行达到一定速度，就可剥离掉附着物。
引入到聚合物链中，使其具有较低的表面能。主要原因有
： C:F 键键能比 C:H 键键能大，且 F 原子电子云对 C:C 键的
屏蔽比H原子强，此外，C:H键的电子云分布使得含C:H键 的物质能与油污发生作用，而 C:F 键中电子被紧紧束缚在 原子核周围，综合作用使得含氟化合物具低表面能。如氟 含量很高的聚四氟乙烯表面能约为20mN/m。
低表面能涂料防污机理
低表面能涂料的应用
船舶防污、减阻
CSS-Fe超疏水涂层在船舶上的应用
我国南海地处热带，海水常年温度较高，特别适合海洋 生物的快速繁殖和生长。任何船舶只要航行到南海，船底都 会符着大量的海洋生物。海洋生物的附着增大了船体表面的
粗糙度，增加了船舶在水中航行的阻力。经测定，当航速为
2-9节时，船体上附着的海洋生物会使航行阻力增加 3倍。海 洋生物附着在螺旋桨上，使螺旋桨的有效输出功率减小为原 来的80%，带有导流器的螺旋桨更易受到它的影响。因此有 效防控海洋生物在船底部附着有着非常重要的现实意义。
CSS-Fe超疏水涂层在船舶上的应用
CSS-Fe超疏水铁基涂料是一种高含氟树脂涂料，其氟化基团
超疏水系列涂料在船舶与海洋工程应用方面开展了产、学
、研项目合作，期待着能为我国的海洋事业作一点实事。
CSS-Fe超疏水铁基涂料是船底防污的自洁净涂料。
低表面能涂料简介知识讲解
石油抽油 管防蜡
集输油田管 道减阻、船 舶减阻、螺 旋桨降噪
降低海底 生物与船 底涂层间 的表面润 湿性
低表面能涂料的应用
❖集输油田管道减阻
天然气管道内表面超疏水分 子膜及其防腐性能
油田管道表面经超疏水改性前后腐蚀液滴的浸润形貌对比图
低表面能涂料的应用
❖船舶防污、减阻
低表面能涂料是依靠涂料表面的物理作用来达到防污 效果。海生物通过分泌黏液润湿船舶表面进行吸附，若使 用低表面能涂层，会降低污损生物与涂层之间的表面润湿 性，从而增加附着的难度。
低表面能涂料分类
❖低表面能防污涂料
船舶在航行过程中，由于海洋生物的附着，可使船舶 航速减慢，燃油增加，海水管道及养殖网具堵塞，水下设 施破坏等。
低表面能涂料由于其独特 的表面性能，污损物在其上附 着界面非常弱，利用自重、航 行中水流的冲击或辅助设备的 清理可以轻易除去，成为海洋 防污涂料的最有吸引力的选择。
CSS-Fe超疏水涂层在船舶上的应用
哈尔滨工程大学的专家及国外的研究学者证实，“低表 面 能 超 疏 水 涂 层 的 减 阻 在 接 触 角 ＞ 150 ℃ 时 ， 可 减 阻 18%30%，当接触角＞174℃，流速较大时，减阻最高可达50%， 同时可减小水下自噪声10Bb”。可见CSS-Fe超疏水铁基涂层 在舰艇上的使用对进一步提高舰艇这个海上平台的快速反应 能力与作战能力有着非常重要的意义。
主要内容
一、低表面能涂料分类 二、低表面能涂料的应用 三、CSS-Fe超疏水涂层在船舶上的应用
低表面能涂料分类
含氟类低表面能涂料
不粘性能， 容易清洗；
表面张力小， 具有优异的 自润滑性能 和低摩擦性 能
防污涂料
低表面能减阻涂料
低能耗涂料的制备与应用
低能耗涂料的制备与应用一、低能耗涂料的定义与特点低能耗涂料，顾名思义，是指在生产、施工和使用过程中能够显著降低能源消耗的涂料产品。
与传统涂料相比，低能耗涂料具有以下几个显著特点：1、优异的隔热性能能够有效地阻挡热量的传递，减少建筑物内部与外部环境之间的热交换，从而降低空调和采暖系统的负荷，实现节能的目的。
2、良好的耐候性能够经受住长期的日晒、雨淋、风吹等自然环境的考验，不易褪色、剥落和老化，延长了涂料的使用寿命，减少了维护和翻新的成本。
3、环保无污染通常采用低挥发性有机化合物（VOC）的配方，减少了对大气环境的污染，对人体健康也更加友好。
4、施工方便具有良好的流平性和附着力，能够在不同的基材表面上均匀涂布，提高施工效率，降低施工成本。
二、低能耗涂料的制备方法1、选择合适的原材料（1）隔热填料常用的隔热填料有空心玻璃微珠、陶瓷微珠、膨胀珍珠岩等。
这些填料具有良好的隔热性能，能够有效地降低涂料的导热系数。
（2）树脂基体树脂基体是涂料的主要成膜物质，常用的有丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂等。
选择具有良好耐候性和附着力的树脂基体，能够保证涂料的性能和使用寿命。
（3）助剂助剂包括分散剂、消泡剂、流平剂等，它们能够改善涂料的性能和施工性能。
2、优化配方设计通过大量的实验和研究，确定隔热填料、树脂基体和助剂的最佳配比，以达到最佳的隔热效果、耐候性和施工性能。
3、先进的制备工艺（1）高速分散将原材料在高速分散机中进行分散，使隔热填料均匀地分散在树脂基体中，避免团聚现象的发生。
（2）研磨对于细度要求较高的涂料，需要进行研磨处理，以提高涂料的平整度和光泽度。
（3）调配在分散和研磨完成后，加入适量的助剂进行调配，调整涂料的性能和施工性能。
三、低能耗涂料的应用领域1、建筑领域（1）外墙保温将低能耗涂料涂覆在建筑物的外墙上，能够有效地减少热量的散失，提高建筑物的保温性能，降低能源消耗。
（2）屋顶隔热在屋顶表面涂布低能耗涂料，能够降低屋顶的表面温度，减少室内空调的负荷，节约能源。
低表面能涂层在飞机防除冰领域的研究与应用
摘要：阐述了飞机防除冰的重要性及通常采用的防除冰方法，简要介绍了疏水型低表面能涂层在飞机防除冰领域的辅助作用及该类涂层的疏水机理和分类，评述了几类含氟低表面能树脂在疏水涂料领域的研究进展以及该类涂层在飞机蒙皮和防除冰领域的应用。
关键词：低表面能涂料；飞机防冰；疏水防除冰涂料1 引言当飞机以小于某一临界马赫数的亚音速在结冰气象条件下飞行时，某些部件的迎风表面就会因大气中的水滴撞击、积聚而结冰。
大量的事故和研究都表明，飞机关键部位的积冰，即使是少量的，也会导致飞机的升力下降，飞行阻力增大，从而引起飞机的操纵性和稳定性等气动品质的恶化。
尤其是航空发动机在地面和空中一定的温湿度下，进气口整流罩和支板易出现结冰。
由于结冰将会导致进气流场畸变，使发动机性能恶化；冰脱落还可能造成发动机叶片断裂，甚至导致机毁人亡的重大事故[1]。
尤其是大型飞机，如大型军事运输机具有大推力、大起飞总重、亚音速、强生存力（全天候飞行）等特点，这就决定了这一类飞机不可避免地存在飞行中的结冰问题[2]。
因此开展飞机结冰及其防护技术的研究是飞机、尤其是大型运输机研制不可忽视的重要方面，对飞行安全具有重要意义。
通常大型飞机的防/除冰部位主要包括：机翼和水平尾翼、垂直尾翼前缘、发动机进气道唇口、进气部件（导向叶片、支撑等）、螺旋桨桨叶、整流帽罩、风挡、舱盖等透明表面以及空速管、攻角、温度传感器等大气数据探测装置的表面（见图1）。
对于大型军用运输机及大型民航客机，安装在机头或机身腹部、侧部、上部以及机翼翼尖等位置处的各种天线罩也是需要重点进行结冰防护的部位[3]。
在这些部位都要采取必要的防/除冰措施。
图1 大型飞机易结冰部位示意图2 飞机防/除冰的常用方法针对飞机的不同部位，目前的防/除冰方法如下。
⑴发动机压气机引气的热气防冰系统：主要用于机翼、尾翼前缘和发动机进气道唇口和进气部件的防冰，通过热气的加热使防护表面的温度达到结冰条件下过冷水滴的蒸发温度，从而避免过冷水滴在结冰表面冻结结冰。
低表面能的富集作用
低表面能的富集作用低表面能的富集作用在清洁领域有着广泛的应用。
例如，在洗涤剂中添加了表面活性剂，可以降低水的表面能，使其更容易与脏污物质接触并吸附在液体中。
这样，洗涤剂就可以更好地清洁物体表面，将污垢去除。
此外，低表面能的富集作用还可以用于去除油污和污渍。
油脂是一种低表面能的物质，可以迅速地与油污结合，起到清洁的作用。
低表面能的富集作用在涂料和油墨中也有重要的应用。
涂料和油墨中的颜料和填料往往是固体颗粒，与液体介质接触时需要克服一定的表面能，才能有效地分散在液体中。
为了提高涂料和油墨的性能，可以添加一些低表面能的物质，如表面活性剂，来降低液体的表面能，使颜料和填料更好地分散在液体中，提高涂层的稳定性和均匀性。
低表面能的富集作用还可以应用于纳米颗粒的制备和涂层技术中。
纳米颗粒具有特殊的物理化学性质，可以应用于生物医学、电子器件、材料科学等领域。
然而，由于纳米颗粒具有较大的比表面积和高表面能，使得它们容易团聚和聚集在一起，降低了其应用效果。
通过使用低表面能的物质，可以有效地降低纳米颗粒的表面能，减少其团聚和聚集现象，提高纳米颗粒的分散性和稳定性。
低表面能的富集作用还可以应用于润滑剂和防水材料的制备中。
润滑剂是一种能够减少摩擦和磨损的物质，它们通常需要在摩擦表面形成一层保护膜，以降低摩擦系数。
低表面能的物质可以在表面形成一层薄膜，降低固体间的接触力，从而起到润滑的作用。
防水材料也可以利用低表面能的富集作用，通过形成一层密封的薄膜，阻止水分渗透到物体内部。
在生活中，我们还可以观察到低表面能的富集作用带来的一些有趣现象。
例如，当我们在水面上撒一些黑胶粉末，粉末会迅速富集在水面上形成一个团块，这是因为黑胶粉末是一种低表面能的物质，它们在水面上会聚集起来。
类似地，当我们在水中加入一些油滴，油滴会很快聚集在一起形成一片，这也是低表面能的富集作用的结果。
低表面能的富集作用在生活中有着广泛的应用。
它在清洁、涂料、油墨、纳米材料、润滑剂、防水材料等领域都发挥着重要的作用。
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图２未加八．ｃＲ基团的漆膜／空气界面ＸＰＳ图
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图３加入一ＣＦ３基团后漆膜／空气界面的ＸＰＳ图
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图４未加入－ｃＲ基团的漆膜与铁基体的ＸＰＳ图
图５加入一ＣＲ基团后漆膜与铁基体的ＸＰＳ图
表１低表面能涂层中不同界面处Ｆ、０、Ｃ含量
测量位置
Ｆ、０、Ｃ三种元素相对原子个数比
利用压差流阻测试装置，研究了各类管道内壁涂层如环氧涂层、环氧沥青涂层、丙烯酸涂 层、低表面能涂层的减阻效果，结果显示，低表面能涂层具有明显的减阻效果，相对于环氧沥 青涂层减阻率提高２１．７ｚ％。 ３．１流阻测试装置
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图９流阻测试装置工作原理示意图
卜过滤阀：２－吸水泵：３－节流阀；４一进１３稳流管；５一进口联接件：６～测试管路；７一计算机：８一压力传感器； ９一短管；１０一出口联接件；１卜出１：３稳流管；１２一节流阀：１３一水箱 ３．２减阻率的定义
运用流阻测试装置和Ｄｒａｇ—ｒｅｄｕｃｉｎｇ测试程序，在不同入口压强下，分别测定无涂层和有 涂层时测试管路进、出口测试面上的压强值，并计算出压差值△Ｐ（即流阻），根据压差值的变 化评价涂层对壁面的减阻效果（即减阻率）。 减阻率定义为：ＤＲ＝（△Ｐｉ＃目一△Ｐ女Ｂ）／△Ｐｉ瓣月×ｉ００％
式中：ＤＲ——减阻率，％； △Ｐ ｍ目——无涂层时．矩形管路进、出口测试面间的压差值，单位Ｐａ； △Ｐ＊＊——有涂层时，矩形管路进、出口测试面间的压差值，单位Ｐａ ３．３流阻试验方法 试验在环境温度１５。Ｃ条件下进行，流体介质为水，分别对入口压强为：５７５０Ｐａ、１５０００Ｐａ、 ４００００Ｐａ和６５０００Ｐａ时涂层的减阻性能进行了测试。试验后压差值的取值为计算机数据处理结果 中压强值稳定阶段的进、出测试面口间的压强差。 ３．４接触角的测定 接触角的测定是涂层表面在日本协和株式社产的ｃＡ—Ａ型接触仪上用内切法测定其与水的接 触角。具体方法是将吸有蒸馏水的针管用微型注射器滴水到待测试样的表面，测定水在空气中 与固体试样的接触角，每种涂层各做五次实验，每次实验测五次，结果取平均值。 ４实验结果与讨论 ４．１环氧涂层的减阻性能测试及分析
一４７—
附着界面非常弱，利用自重、航行中水流的冲击或辅助设备的清理可以轻易除去。海洋生物在涂 膜表面通过图６三种方式进行脱落。剥离脱落比剪切脱落需要的能量更小。
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类型ｌ 剥离
类型２
类型３
平面剪切
非平面剪切
图６污损物从涂料表面脱落的机理
无毒防污涂料的兴起始于上世纪５０年代，科学家们为了弄清聚四氟乙烯的非沾污机理，开 展了大量的研究，查明了生物的附着与物体的表面自由能有关，并且得到当物体表面自由能在 ２２～２４ｄｙｎｅｓ／ｃ舻时生物跗着强度最小的结论，在此理论指导的基础上，基于有机硅防污涂料和 氟碳树脂防污涂料方面的报道屡见于各类报道．但经过多年努力，达到实际应用水平的低表面 能涂料还鲜为人知，其应用目前仅限于中小船只上。其原因是海洋生物的附着机理极其复杂的， 防污涂料的防污效果受到诸多因素的制约。美国海军研究室近年来开发出了一些新型低表面能 涂料，显示出良好的应用前景。
美国道化学公司的Ｓｃｈｍｉｄｔ及其合作者开发出一种有效的氟碳树脂防污涂料，系采用聚［（２一 异丙烯基一２一口恶瞠啉）］交联聚全氟代表面活性剂而得，如图７所示，这是一种水性涂料。含氟表 面活性剂在水介质中气一液界面上自动聚集，在失去溶剂及或加热的条件下，表面活性剂聚合形 成共价交联，从而失去离子电荷，一ｃＦ。端基在表面紧密排列并取向。由于涂料交联密度高，取向的 含氟端基严格固定，既可以抵抗粘附分子的渗透，又可以抵抗粘附所诱导的分子重排。粘附分子 渗透及重排受到限制．同时由于低表面能的优点，涂层与粘附物之问的粘附不牢形成分明的、易 脱离的界面。资料表明。该涂料防止海洋生物附着比目前的其他氟涂料更为有效。
一５１—
常常处于有速度和压力脉动的湍流状态．低表面能涂层的存在使层流边界层延迟转披．并使湍 流边界层的厚度增加．低表面能涂层的减阻主要来自于湍流边界层的减阻，湍流边界层前层流 边界层的转披点后移造成了阻力的减小。本试验涂层的减阻机理可能是通过降低表面能导致湍 流边界层转捩点后移量增大和适当的表面粗糙度相结合抑止湍流。
最近有一种新型的低表面能防污涂料一一氟代聚硅氧烷就是基于上述新的设计理念开发来 的 代 表 产 品ＰＮＦ珊Ｓ（ｐ０１ｙｎｏｎａｆｌｕｏｒｏｈｅｘｙｌｍｅｔｈｙ卜ｓｉｌｏｘａｎｅ） 及ＰＴＦＰｂ］Ｓ （ｐｏｌｙ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌｍｅｔｈｙ卜ｓｉｌｏｘａｎｅ）），其结构式如图８所示。线型的聚硅氧烷骨架上带有 氟碳侧基，－－－ＣＦ，在涂膜中将取向表面，即吸取了线型聚硅氧烷的高弹性及高流动性，又吸取了氟
１含氟类低表面能涂料
山氟烯烃聚合物或氟烯烃与其它单体为主要成膜物质的涂料被称为氟碳涂料。１９３８年。美国新 泽西杜邦研究室Ｒ．ｐｌｕｎｋｅｔｔ博士发明了聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）后，杜邦公司１９４６年率先开发了商品 名为“ＴＥＦＬＯＮ”的氟树脂。１９６１年阿托一菲纳公司推出了ＦＶＤＦ（偏二氟乙烯树脂），１９６５年商品化， 商品名为“Ｋｙｎａｒ５００”。随后，该公司生产的。Ｋｙｎａｒ ＡＤＳ”耐溶剂性较差的ＶＤＦ－ＴＦＥ－ＨＦＰ热弹性 三元共聚物（偏二氟乙烯一四氟乙烯一六氟乙烯）问世。１９８２年，日本旭硝子公司推出了商品名为 “Ｌｕｍｉｆｌｏｎ”的氟烯烃与烷基乙烯基醚的交替共聚物（ＦＥＶＥ）为基料的溶剂可溶性涂料，扩大了氟 涂料的应用范围，得到了广泛使用。Ａｕｓｉｍｏｎｔ ＳＰＡ公司也开发了与Ｌｕｍｉｆｌｏｎ类似的端羟基全氟聚醚 树脂，配制姻涂料有自清洁功能。
碳基团的超低表面能特性：—ＣＨ２－ｃ｝Ｉｒ是必须的，它可以增加分子对水及热的稳定性；其中的 对防污不利的因素—ｃＨｒＣＦ卜偶极子被限制在表面之下，而正好对增加附着力有利。
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在防止海洋生物附着生长的方法中，以使用防污涂料最为广泛，但大部分防污涂料有毒，逐 步被限制使用。于是人们大力开展无毒防污涂料的研制工作，其中低表面能防污涂料成为研究 热门之一。低表面能防污涂料也称为无毒污损物脱落型（ｎｏｎ－ｔｏｘｉｆｏｕｌｉｎｇ－ｒｅｌｅａｓｅ）防污涂料， 主要是指基于氟碳树脂及有机硅化合物的低表面能防污涂料。其共同的特点是不古毒料，表面 能都非常低。从保护环境的角度出发，无毒污损物脱落型防污涂料无疑足防污涂料的最有吸引力 的选择。之所以称之为污损物脱落型防污涂料是因为：由于其独特的表面性能，污损物在其上的
Ｆ
Ｏ
Ｃ
末加入—ｃＦ，基团漆膜与空气界面 未加入－ｃＦａ基团漆膜与基体界面
２５．９ ２．４
９．０ １９．１
６５．１ ７８，５
加入一ＣＦｓ基团漆膜与空气界面
４０．１
５．８
５４，１
加入一ＣＦ３基团漆膜与基体界面
４．４
１８．１
７７．５
２低表面能防污涂料
海洋船舶在航行过程中，由于海洋生物的附着。可使船舶航速减慢。燃油增加。海水管道及养 殖网具堵塞，水下设施破坏等因此海洋防污问题是海洋工程的重要课题。
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图１１不同入口压强Ｆ环氧沥青涂层的减阻率直方图
由图ｌＩ可知，测试管路内壁表面涂敷环氧沥青涂层后，入口压强由５７５０Ｐａ到６５０００Ｐａ范 围内，环氧沥青涂层都表现出良好的减阻性能，且减阻效果基本保持恒定。对比不同入口压强 下的减阻率可知，当入口压强为５７５０Ｐａ时，减阻率最小为１６．１５％；当入口压强为４００００Ｐａ时， 最大减阻率可达到１７．１８％。 ４．３低表面能涂层的减阻性能测试及分析
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图７自聚集水性氟碳树脂防污涂料反应式
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图８氟代聚硅氧烷结构式 开发低表面能有机硅防污涂料的关键问题是涂料对底材的附着力差，解决办法之一就是利 用三层涂料体系：以环氧聚酰胺防庭涂料作为底漆，中阃是苯乙烯丙烯酸丁酯与聚硅氧烷的互穿 网络粘结层，然后再涂有机硅防污面漆。附着力的问题有待于进一步研究。此外，有必要提高其 机械性能，如抗划伤、抗撕裂、抗刺穿性能等。 ３低表面能减阻涂料
一５０一
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图１０不同入口压强下环氧涂层的减阻率直方图
由图１０可知，测试管路内壁表面涂敷环氧色漆涂层后，入口压强由５７５０Ｐａ到６５０００Ｐａ范 围内，环氧色漆涂层都表现出良好的减阻性能，且减阻效果基本保持恒定。对比不同入口压强 下的减阻率可知，当入口压强为５７５０Ｐａ时，减阻率最小为１０．４５％：当入口压强为４００００Ｐａ时 最大减阻率可达到１１．２２％。涂有环氧色漆涂层的管路内壁表面的粗糙度（Ｒｚ）比无涂层管路内 壁表面的粗糙度（Ｒｚ）小。根据光滑减阻机理可知，当管路内壁表面无涂层时，因其内壁粗糙 峰的高度（粗糙度）大，在其后形成的涡流区也大，于是就产生了较大的阻力损失ｉ而管路内 壁涂有环氧色漆涂层后，由于涂层表面的光洁度较未涂涂层时要大得多，即其粗糙峰的高度（粗 糙度）较无涂层时耍小得多。因此，环氧色漆涂层比无涂层时流阻降低。 ４．２环氧沥青涂层的减阻性能测试殛分析
低表面能涂料及其应用技术
刘秀生．张迎平，刘兰轩，兰家勇 （武汉材料保护研究所，武汉４３００３０）
摘要：低表面能涂料也称不粘涂料，是近年来快速发展的一类潦料体系，通常由氟碳树脂、有机硅树脂，聚四氟乙 烯粉末．特种改性材料等组成．低表面能涂层是采用低表面能涂料制备的涤层，与底材的结合力良好，与纯水的接触 角＞１２０。．随着使用方便．抗大气老化等综合性能优异的常温固化氟碳树脂涂料的技术逐渐成熟，低表面能涂层新 的应用对象不断扩展，在海洋工程，国防军工、减摩抗阻，抗玷污．冰雪运动等等方面发挥着重要的作用． 关键词：涂料氟碳树脂低表面能 不粘涂料应用