防污涂料技術新進展

活躍于全球各地的商用船隊由散貨船、油輪、集裝箱船、貨船、客船和游輪等組成。海洋涂料系統可以在海洋或淡水兩種環境下用于船舶或近海作業結構涂裝，既可以防止結構受損，又可以保護船舶外觀。

海洋涂料具有特定的功能，可賦予涂裝表面優異的防腐性能，為浸沒在海水下的巨輪、船舶或游艇材料提供保護。海洋涂料還可以防止材料腐蝕和磨損。涂裝這些涂料的船舶不僅更耐用，而且整體性能更好。

由Markets and Markets最新出版的全球防污涂料調查報告預計，這一市場將從2015年的56.1億美元增長至2021年的92.2億美元，2016年至2021年期間的CAGR（復合年均增長率）為8.6%。報告稱，造船行業對防污涂料的需求高企將是近期推動這一市場增長的主要動力。

亞太地區是全球船只新建和修理的主要市場。中國正迅速成為全球最大的造船國家，并有可能于2017年上升至全球造船行業榜單的第一位。

據日本造船協會報告的全球2015年新造船只情況：日本占19.2%、韓國34.4%、中國37.2%、歐洲1.4%，世界其它地區7.7%。

可以看出，亞太地區對海洋涂料存在大量需求，而且由于中國逐漸成長為造船行業主要國家，該地區的海洋涂料需求不斷增長。

對于節省燃油和降低排放類涂料的需求，也是過去幾年推動海洋涂料增長的因素。印度、越南和菲律賓造船行業的成長有望在可預見的將來為海洋涂料行業內的企業帶來大量機會。

全球海洋涂料市場集中度非常高，80% 的市場份額由阿克蘇諾貝爾（International Paint）、中涂海洋涂料、海虹老人海洋涂料、佐敦和PPG這5家公司占據。

什么是防污涂料？

防污涂料是涂裝在船體上的特種涂料，用來延緩有損于船體性能和耐用性的水下海洋微生物生長。除了防止海洋微生物生長外，船體涂料還可以作為阻隔層，防止船體腐蝕，導致金屬材料被破壞和削弱，同時還可以改善流經漁船或高性能賽艇船體的水流。

防止海洋微生物生長（生物淤積）

防污涂料涂裝于船體水下部位，阻止或防止有機物質在船體上附著生長。配方中的自拋光樹脂和抗微生物劑，如氧化亞銅和輔助抗微生物劑，可防止會導致生物淤積的有機物生長。

自拋光共聚物（SPC）防污涂料會在其整個壽命期內以近乎穩定的速度釋放出抗微生物劑。主要是依靠涂料和海水之間的化學反應，使得抗微生物劑在船體表面得以釋放。防污涂料膜的自拋光機制能確保漆膜持續更新，并在表面釋放出可以防止生物淤積物沉降并附著于其上的抗微生物劑。

體系中的自拋光機制的發生在很大程度上取決于船舶的速度和活動。多項研究結果顯示，處于靜止狀態的船舶與以14節速度運行的船舶相比，防污涂料的自拋光速度幾乎可以降低一半。因此，停泊時的船舶，容易滋生微生物和生物淤積，原理如下。

海洋微生物生長機理（生物淤積）

海洋生物淤積可以定義為不受歡迎的有機微生物、植物及動物在浸沒于水下的船體上沉積或積聚。船體上的淤積物會導致船速下降、油耗增加、時間和金錢損失，以及不得不頻繁進入干船塢清理。

生物淤積過程通常如圖1所示。它說明了吸附性有機物的積聚、細菌的沉積和生長形成生物膜基質，以及微生物和生物淤積的最終形成。

圖1：生物淤積示意圖

生物淤積主要包括兩種構成：微生物淤積和生物淤積。微生物淤積指生物膜的形成并粘附于表面。生物淤積指藤壺、硅藻和海藻等有機物粘附于表面形成淤積群。不斷生長的細菌及其分泌的化學物質所形成的微生物淤積也被稱為“粘液”，僅需數小時內就會在水下浸沒物表面形成；原生動物和硅藻等單細胞真核生物在表面安營扎寨并形成生物淤積也僅需數日；而在數周之內，就會有包括浮游生物幼蟲和藻類孢子在內的多細胞真核生物淤積于表面。

新技術的成長

從腐蝕性和生物淤積的角度來看，海洋環境是較為惡劣的。生物淤積給造船行業造成了巨大的損失。船體污染程度大，顯著增加了船體阻力，降低了船舶的整體水動力性能，提高了油耗。因此，對船東而言，最好的方法是使用高性能涂料，防止船體腐蝕和淤積物質的生長。

減少燃油消耗的需求，以及日漸嚴苛的環境法規，推動了新型防污技術的發展。海洋涂料生產商對于新技術的應用一般都比較謹慎，但是，越來越嚴格的環境法規以及客戶對更生態友好型產品的喜好，推動了市場的創新。

降低燃油消耗、減少二氧化碳排放的需要，成為涂料企業為船體開發新型的技術先進型防污涂料以降低燃油消耗的主要動力。

能同時節省大量燃油的去污技術，對于油耗大的大型貨船尤其具有價值。

許多公司為開發低摩擦涂料、無金屬防污涂料等生態友好型產品投入了大量的時間和金錢。一些企業現在可以提供有機硅或氟化樹脂型去污產品。

法規驅動企業進行開發

對于大多數海洋涂料系統，其現在的工作原理是基于毒性物質緩釋（比如自拋光涂料）。盡管這些體系的防污性能優異，但每艘船釋放的毒性物質依然很可觀。這些毒性物質會對自然帶來有害影響。因此，從2001年起就開始嚴格禁止在船體上使用三丁基錫（TBT）等有機毒性物質。

盡管銅基涂料的使用尚未被禁止，但有可能在不久的將來禁止使用。比方說美國圣地亞哥和華盛頓的港口禁止娛樂性船只使用銅基涂料。這些背景推動了科學界和產業界開始對新型防污機制進行評估。

自拋光涂料的替代產品

通常下列體系會被推薦使用，也會當作自拋光涂料的替代品。親水性防污涂料可以防止或延緩海洋有機物在船體上的附著。（這些由海洋涂料生產商提供的最新解決方案以水凝膠技術為基礎來配制防污涂料。這種防污涂料含有先進聚合物鏈形成的網絡，可以吸收大量的水分，形成水樣邊界層。這種水樣邊界層會誘導污損有機物認為船體是液固界面，從而盡可能減少蛋白質和細菌附著于船體。）

◆ 低能量、疏水性去污涂料方便除去海洋有機物質

傳統的去污涂料含有有機硅彈性力（PDMS），它依靠低表面張力（疏水性）和低彈性模量，通常含有較強的初始去污性能。但隨著時間的推移，涂料的自清潔能力下降，會導致船體表面摩擦力上升。第三代去污涂料技術的背后是有機硅聚合物的獨特組合，可以保持更好的疏水性表面以及持久的去污性能。無污損時間越長，所需要的自清潔速度越低。這樣就能夠獲得隨時間推移船體表面摩擦力低、油耗下降的效果。

◆ 酶基涂料體系

當前船體防污技術是基于金屬如氧化亞銅和鋅羥基吡啶硫酮雙效殺菌劑。由于這些殺菌劑對環境的不利影響，酶基防污涂料被建議用做生物基、非積聚性替代產品?？茖W家測試了由己糖氧化酶、葡糖糖化酶、淀粉酶組成的過氧化氫生產系統，以檢驗其能成功用于海洋涂料的化學物理功能。在不同的溫度下評估酶在海水中的活性和穩定性，并通過測定用于原型涂料配方中的酶分布和活性，以評估涂料的相容性。科學家還使用了通過基于聚乙烯亞胺模板的二氧化硅共沉積對HOX 進行了仿生封裝。二氧化硅共沉積顯著改善了類似海洋環境下防污體系的穩定性和表現。

◆ 新的無抗菌劑、雙組分防污涂料

不沾型防污涂料采用了通過提供有機物難以附著的低摩擦、超光滑表面，從而防止污損有機物粘結的技術。該涂料不會阻止污損物質的沉淀，但當船體以一定的速度進行特定活動（一般是75%的時間內以15節的速度運行）時，可提供自清潔能力。去污涂料源于對無殺菌劑體系的需求，已經存在30年了。這類涂料并不能如傳統的防污涂料，阻止污損物質的駐留，但在實踐中，污損有機物和涂料表面的結合很弱，以至于會因有機物自重，或者因水壓、水流而破壞。

◆ 無銅抗污涂料

CuO（氧化銅）仍然是一種有效的抗菌劑，但使用較高濃度才能有效防止大多數海洋淤積物的產生。如果涂料所含的銅金屬較少，或使用功效較低的成分如硫氰酸亞銅，則通常會需要包含額外的殺蟲劑，如羥基吡啶硫酮鋅或有機除藻劑，以應對污泥和雜草的生長。不過，正是這些有機助劑目前引發爭議，因為一些人認為它們可能會導致與TBT類似的問題。

最新獲得授權的一種殺蟲劑是Selektope（總稱美托咪定），由制藥巨頭阿斯利康生產。它并非是將海洋生長物殺滅，而是通過暫時刺激軟體動物幼蟲中的章魚胺受體，把它們從船體上無害地逐出。各種研究已經明確證明，這種產品在任何涂料中的使用都只需極低濃度（3g/L），無需使用任何其它殺蟲劑即可保證船體無甲殼類動物附著。但不幸的是，它對海藻類不起作用，因此還需要在配置涂料時加入獲得許可的除藻劑以發揮效用。

◆ 自粘/ 去污涂料

“eSHaR”（具有去污和節油性能的生態友好型船體薄膜系統 ）項目旨在為市場帶來一種新的防污技術，它不僅能維持現有最先進的防污標準，同時還比現有涂料型解決方案更具生態友好性、易于涂裝、堅固，且有減低阻力的效果。所有這些都會帶來節油和減少GHG（溫室氣體）排放的功效。

這一系統融合了基于PPG 涂料的100%有機硅粘結劑技術及由MACtac為水下用途設計的去污系統，該去污系統由自粘型薄膜制，經過精密調整。作為“eSHaRk”項目的一部分，為大型商船貼膜的機器人應用技術由VertiDrive開發，它可以優化薄膜的表面形態，從而將減阻性能和節油、減排優勢提升到前所未有的高度。

◆ 納米去污涂料

雖然很多生產商推出了一些合理而有效的替代性涂料，但它們都未能完全解決問題。但有些很有意思的新產品目前正在試驗中，有望在未來10年中開花結果。

這其中包括特氟龍和有機硅基納米技術涂料，它采用了海洋凝膠涂料亮光漆中已經使用的技術。位于康沃爾的Nanotech Marine公司現在正專注于開發自清潔型納米抗污技術。最初三年的測試結果很樂觀。目前僅計劃用于機動船，但公司也在尋求通過同樣的原理用于帆船的途徑。

Nanotech Marine公司的去污產品是一種有機硅基產品，可以形成一種非?；槪ǚ肿铀剑┑谋砻?，使得藻類或軟體動物無法攀附于船體。

研究顯示該產品可真正發揮作用，但僅適用于常用的高速船只（速度在10節或以上），因為涂層依賴于船穿過水的運動來洗掉生物淤積物。但它不適合停泊或進入船塢數周的船只，因此，即便是快艇，也必須和其它產品如“超聲”生物遏制系統一起使用。

結論

很多企業都在投資研發更具去污效力的產品，而這反過來會推動終端用戶的需求。全球技術進步也是有望為全球去污涂料市場帶來更多增長的趨勢之一。

石油天然氣需求、人口的增長以及城市化的發展，推動了去污涂料市場的增長。它們同樣也被廣泛用于基礎設施和鉆探設備的防護。去污涂料市場面臨的一個最大挑戰是造船行業可預期的下降。這個市場同時也見證了客戶對生態友好產品越來越偏好，因為嚴苛的環境法規對市場增長構成了嚴峻的挑戰。