r 海洋防污涂料的现代方法外文翻译资料

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r 海洋防污涂料的现代方法

L.D. Chambers，⁎，K.R. Stokes，F.C.Walsh，R.J.K. Wood

工程科学学院表面工程与摩擦学与电化学工程组，南安普敦大学，南安普顿so17 1bj，英国

B物理科学系，Dstl 波顿镇，索尔兹伯里，0jq SP4，英国

2006年六月23日收到；2006八月21日接收并修订表格

翻译

摘要：

海洋机构如海洋平台，码头和船体受多样化和严重的生物污染。抑制有机和在潮湿衬底上的无机生长的方法是多种多样的，但大多数防污系统采取保护涂层的形式。生物污染可以通过增加所需的推进功率和燃料消耗来影响船体的流体力学造成负面影响。本文回顾了用于防止海洋生物污损的防污涂料的发展史。由于2001国际海事组织（IMO）禁止使用三丁基锡（TBT），更换防污涂料将必须是环境可接受的，以及保持较长的作用期限。无锡自抛光共聚物（SPC）和恶臭释放技术是目前应用较广泛的方法，但是已经提出很多替代方法。现在关于环境有效防污系统及其性能的方法和它们的表现十分突出。

关键词：防污；摩擦；海洋生物污损；天然产物

1. 介绍

工程结构，如船舶和海洋平台以及海上钻井平台和码头，正处于海洋环境不断的侵袭之下。在海洋环境要素如海水、生物袭击和温度波动的影响下，这些工程结构需要得到保护。除了在封闭系统注射杀虫剂以外，保护海洋机构的方法必须可以扩大和收缩下垫面，以抵抗海水的侵蚀和离子的扩散。有机保护涂层可以提供上述功能[1]，因此被大量用于航运业以增加系统的可靠性和工作寿命。船上油漆涂料用于广泛功能，如耐腐蚀性，易于维护，美观，防滑的表面装饰以及防止海洋生物污损船体。使用防污涂料在海洋环境中保护船体有着悠久的历史。

根据古今中外防污系统的方运用，本文介绍了对于大型船舶船体使用现代方法设计环境可接受的广谱防污系统。

在无生命基板上海洋生物的沉降与积累可以对船体结构造成很大的破坏。在换热器中，微生物会堵塞系统，在船体上，它将增加水动力阻力，降低船舶的操纵性和增加燃油消耗。这导致人力、燃料、物料以及干船坞时间的增加，相应的航运业的整体成本增加。

在文献中生物性污染通常是在快速增长阶段结群出现，包括吸附有机物完成初始积累、聚落和成长，首批细菌创建生物膜基质，接着其衍生物开始微型污染生物和大型污染生物的演替过程。（图一）一个成熟的污染生物菌落包括死亡率和物种迁移率，在图中并未显示。

由于更高级污损生物对基质生态位的利用导致污损生物的序列呈不可预测，生物膜的形成往往是大型污染生物污染的先兆。通过去除增加有限污染的初始藻层，实验测试了污损生物的演替[2]。生物膜的存在对一些藻类孢子[3]所产生的积极影响已经被记录，而Faimali等人[4]观察记录到老化的生物膜对藤壶生长有抑制作用。一般来说，生物污染有一个顺序，而第一个阶段则是生物膜的形成。当化学惰性基底沉浸在海水中，有机碳残基几乎立即积累并吸附到湿润表面，其构成取决于液态阶段的离子、糖蛋白，腐殖酸和黄腐酸的作用。促进吸附及表面的调节的力量包括静电相互作用和分子间作用力。首批微生物可以附着在表面形成生物膜。在微生物和表面之间的接触和繁殖由通过布朗运动的水分子运动促进沉淀和运输，虽然生物体也可以利用鞭毛推进寻找基底。细菌和其他殖民微生物分泌胞外多聚—

该物质（EPS）包络和锚定到从而改变本地表面化学刺激进一步增长，如大型生物的聚集和定居。

产生的生物膜是大量的微生物及其EPS创建凝胶矩阵（图1）提供酶互动，养分交换，在环境压力和抗杀菌剂增加的情况下提供保护。

生物膜也可以中断离子和水分子的流动，并作为基板表面的扩散屏障。通过创建差分曝气浓缩池在局部氧的阴极还原反应中生产电解液可以加速金属机体的腐蚀。

Vedela[6]给出了对微生物腐蚀的综述，而Beech和Sunner[9]等人注意到生物膜对金属腐蚀的影响。由于微生物的生命周期和他们产生分解产物的能力可以腐蚀环境，因此控制微生物污染是十分重要的。这类的腐蚀被称为微腐蚀，包括（MIC），举例来说从硫化物的硫酸盐还原菌的生产可引起钢表面的腐蚀。[10]MIC的控制是成功抑制污损生物附着涂料的一个关健结果。

污损生物粘附方式是多种多样的，经常可能是一两个组成部分暂时或永久黏连的过程。在临界幼虫发育—发展阶段的藤壶cyprid，称，临时胶粘剂是用来探索表面的地方定居永久坚持[ 11 ]。藤壶附着用疏水蛋白的半胱氨酸残基交联使用[ 12 ]。影响沉降的因素很多藤壶，关键属性是其他巴纳的存在—CLEs（同种的线索）通过对旧外骨骼遗骸或新落户的金星。以类似的方式，共同大型海藻石莼属，具有临时性和永久性连接—生命周期阶段。能动的游动孢子阶段TEM—porarily坚持在积极寻找合适的基质。当检测到最佳的基板，它转化为非活动，解决可以永久锚本身细胞相发芽产生新植物[ 13 ]。水胶阿尔瓦岛孢子粘结强度500百万米[ 13 ]贻贝使用足丝主要由胶原但有相反对藤壶，亲水性多酚类粘蛋白在氧化还原反应中–发生交联酶促催化剂的存在[ 13 ]。硅藻可以附着它可以封装产多糖黏液细胞成型垫，秸秆或管[ 14 ]。物种对底物的粘附是一个重要方面污损生物如果这个过程可以防止污染可以控制。附着和沉降也往往是关键在海洋生物生命周期阶段，所以进化在一个表面的压力是巨大的。驱动力附着力可以被认为是由贡献从界面张力之间的有机体和下层、生物体和液体与底层之间和液体。实验确定这些方法nterfacial能量通过建模进行了研究通过ISTA等人。[ 15 ]但他们报告说，更复杂的模型需要作为生物体附着的某些估计，如阿尔瓦岛的游动孢子，没有定量的模型。一个理由因为这是说，他们的模型不采取表面电荷考虑到静电相互作用可能会影响附着率。另一个促成因素是特定的衬底功能的殖民化发生，如粗糙的表面区域，以躲避剪切力和/或流动最大化营养和氧气浓度的系统。

1. 污垢的影响

防污系统所需的任何不必要的增长生物有机体发生。这往往是在大多数盐水水相环境，因此应用程序包括—淡水和海洋系统。海洋工程系统已被分为七个主要类型的淹没船体结构占船体总面积的24%对象犯规[ 16 ]。各种材料可用于船舶船体包括钢，铝和复合材料，如玻璃增强聚合物。船体的污损往往是多产的船只在不同的环境和始终保持在最富有成效的地区，光水柱区。虽然涂料用于船体保护，他们可能会失败，由于建立无机盐[ 17 ]，exopolymeric分泌物和碳酸钙骨架—形成污损生物的结构。

有多余的colonisa相关处罚—船体表面的海洋生物[ 18 ]，例如，流体力学负影响。船体是受两个形状阻力和摩擦阻力为船只导航通过水。生物污染的增加平均影响后者船体粗糙度和壁面切应力。防污效果涂料，如自抛光共聚物（SPC）和犯规释放涂料（FRCS），在流体边界层已证明没有influenceoneither厚度或形状因子，摩擦速度增加[ 19 ]。生物膜的粗糙度对阻力的负面影响是由舒尔茨和斯维因研究这一初始生物生长的重要性海洋船只的平均和湍流剖面突出。

生物利用的生态龛位上的船体，基因—级沉降密度。这会导致manoeuvr—在特定的能力处罚（例如，螺旋桨污染）和非—具体方式（例如，水线污染）。船的声音签名也受到影响，这退化的船舶的性能，为被动和主动声纳系统[ 21 ]。

1. 历史上的防污方法

有毒防污剂对船体的使用已成为历史。控制污染但杀菌剂如铅法，砷，汞及其有机衍生物已被禁止，由于他们所带来的环境风险。

革命性的自抛光共聚物技术—类似的重金属毒性作用，阻止海洋生物采用防污剂三丁基锡（TBT）[ 23 ]。Antifoul—不使用重金属的ING系统是犯规释放涂料[ 24 ]。有机锡化合物的使用最终被禁止由于重度贝类畸形与锡的生物蓄积性一些鸭子，海豹和鱼[会]，导致立法以三丁基锡的全球禁令（图2）；审查通过冠军[ 27 ]和特尔等人。[ 28 ]

热塑性不可转换表面有机涂层，其中干燥由于溶剂蒸发简单，今天容易可挥发性有机化合物（VOC）控制是有限的防污应用。目前，英国国防部挥发性有机化合物的目标水平，如在2005三月记录，是400克升无水涂料[ 29 ]，但这是审查的毒性现代锡防污防污系统。dev—防污系统的发展有着悠久的历史，但过去十年来看到了增加对环境的重点可接受的选择（表1）。

1. 现代防污方案

许多传统的防污系统是“油漆”，这是一个综合术语涵盖各种材料：搪瓷，油漆、清漆、面、底漆、填料，塞子等等。海洋是一个许多添加剂通常包含在面漆涂料海洋保护涂层系统。平均理论市售防污系统的普及率海军应用被认为是约6.2米升93mu;m干膜厚度，多数采用两层涂层应用[ 29 ]。大多数防污涂料是有机的包括底漆和面漆都可以包括防腐功能，然而，面漆通常是多孔的。生物防治技术和专利的公司有保护作用抑制有关比较值的信息流效率。由于最初逐步退出TBT防污行业已替代2001种[ 36,39,40 ]包括无杀菌剂的防污涂料[41,42]。

在表2中，可以看到替代品的成本增加一倍关系的TBT为基础的油漆，一个因素，这是增加替代技术并没有达到目前的生活45年。延长防污涂料的使用寿命使用制造涂料基质组合物的方法控制的防污剂的浸出。

4.1.重金属

2003的技术性贸易壁垒的禁令造成了市场和开始研究环境可接受的替代品（表1）作为在别处[ 28,36,37,40 ]。中期，其他金属种类，如铜和锌是目前使用的替代品是改良自抛光共交付—传递机制。自抛光共聚物（SPC）方法采用水解和侵蚀控制反污染的活动。海水侵蚀可水解的来自聚合物主链的防污化合物和涂料的溶解度表面抛光。这种控制涂层表面的溶解得到更长的使用寿命。

有两个可供选择的关键技术控制用涂料从防污涂料中释放防污化合物可溶性或不溶性基质（图3）。

防污化合物的控制溶解是困难的。和铜毒性是根据最近的审查[ 18 ]。Yebra等人。[47]研究了商业松香的释放速率。粘结剂作为控制这种溶解的有效方法。铜自然是在海洋环境中高浓度的发现—：人类虽然是相对良性的环境.精神保护局（EPA）饮用水法规规定1000mu;g/L的限制。相对而言，浓度低至5 - 25mu;g L可以致命的海洋无脊椎动物[ 48 ]。游离铜物种的生物放大作用通过营养水平，但是，可能有一个对食品工业的影响。重金属往往有毒海洋生物和人类由于分区的元—代谢功能。重金属的沉默控制由于TBT禁令和海洋环境污染增加毒性要求的立法正在被取代赞成替代方法。

4.2。催化剂生物杀灭剂的方法

铜使用的增加引起了怀疑，一个已增加的耐受性为选定的小组植物包括重点污染藻类肠—形态（现在的石莼）[ 49 ]。作为一个结果，助推器生物杀灭剂有被纳入增加的长度和功能铜基防污涂料体系。两个关键助推器生物杀灭剂（irgarol 1051和敌草隆）已调整由英国健康与安全执行[，]敌草隆禁止和限制应用程序对应用irgarol长度大于25米的船舶。陆地上的农药也适用于海洋防污系统，但越来越多的问题，他们的持久性和毒性52,53]。这种方法往往是物种特异性或逆向—过于宽泛，影响非靶标生物。有效—铜基镀层的性能受其性能的限制连续浸出的助推器生物杀灭剂涂料。这个在自由协会涂料释放杀菌剂的浓度无论是可溶性或不溶性）需要更好的控制[ 54 ]由于这些机制，他们在海洋沉积物中的持久性在降解的涂料微粒的需求不断—UED监测[ 55 ]。全球关键助推器的影响防污涂料中杀菌剂进行康斯坦蒂努Albanis [ 56 ]。的助推器生物杀灭剂的使用提供了一个中期解决办法[ 40 ]响应有效的要求替代TBT的防污策略。

4.3 污物排放方法

防污涂料（FRCS）由于低表面功能能量降低有机体产生一个与表面强烈的界面结合。光滑的在分子水平上的涂层允许生物体被释放—船舶一旦超出临界速度[ 44 ]，即通常10 - 20海里船速，取决于污损群落[ 37 ]。这些不粘表面帮助去除通过剪切和拉伸应力以及自身的污垢通过降低粘附的热力学工作重量[ 57 ]。临界表面自由能的组合（22 - 24 Mn）minus;1M）[ 34 ]和低弹性模量允许接口/接头生物粘合剂与涂层表面之间断裂与破坏[ 44 ]。海洋污损器官的粘附—ISM到湿润衬底创建两个表面，表面粘合界面和粘合水界面[ 58 ]。作为前面描述的是这些界面张力控制着生物粘附能力。

有两种主要的依据，即含氟聚合物和有机硅聚合物涂料。应用厚度与75mu;m相比，有机硅涂层一般为150mu;m含氟聚合物[ 59 ]。涂层的厚度允许涂层模量控制。较厚的涂层随着有机硅弹性体是更成功的，因为它需要较少断裂能量的污垢/涂层之间的粘结。重新附着生物的去除是通过剥离骨折—真实机制，而不是剪切相关的含氟聚合物涂层的更硬、更薄的涂层。

低生物污染硅藻一样特别顽强和难以清除从释放涂层[ 60 ]。这个意义这是硅藻泥去除从非粘涂料的船舶在运输时困难。使用低形式脱离模型，FRCs可以将删除4–6日龄石莼生物膜在操作相关船舶速度大于60%除去17.7节[ 61 ]记录的游动孢子。

信用评级提供了一个独特的方法，开发的环保可接受的替代杀菌剂的防污剂。它提供了一个广泛的防污剂不产生的问题生物降解，立法标准和必要的费用注册活性防污化合物。这是有效的接近海洋环境的被动手段。然而，生物膜的韧性增加临界速度需要把foulers。由于这种方法不解决污染，船舶停靠码头，允许生物群落建立和宏观。污染源可以易位导致在生物地理外来物种的运输环境问题。负外来物种对土著生物群落的影响包括生态位竞争消除愤怒—静脉的物种和当地的生物多样性问题的产生.水产养殖。也有与硅的毒性问题

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