隨著(zhu)高(gao)(gao)價值船舶(bo)的(de)快速發展(zhan)，各國海軍部門越來越關(guan)注艦(jian)(jian)(jian)艇的(de)經濟性，對(dui)(dui)降本(ben)增效的(de)要(yao)求(qiu)更加嚴格(ge)，而腐(fu)蝕和污(wu)損防(fang)護(hu)的(de)成(cheng)本(ben)在(zai)(zai)整個海軍維(wei)護(hu)成(cheng)本(ben)中(zhong)(zhong)占(zhan)近三分之一。因此(ci)，艦(jian)(jian)(jian)艇的(de)總體(ti)設計除滿(man)足戰術(shu)技(ji)術(shu)指標外，還(huan)需要(yao)把艦(jian)(jian)(jian)艇防(fang)腐(fu)防(fang)污(wu)要(yao)求(qiu)放在(zai)(zai)重要(yao)位置，以提(ti)高(gao)(gao)艦(jian)(jian)(jian)艇的(de)全(quan)壽(shou)期(qi)效費比(bi)。未來艦(jian)(jian)(jian)艇裝備的(de)發展(zhan)對(dui)(dui)高(gao)(gao)效防(fang)腐(fu)材料(liao)(liao)的(de)需求(qiu)極為(wei)迫切，如延長(chang)防(fang)護(hu)期(qi)效、簡化防(fang)護(hu)體(ti)系構成(cheng)、縮短涂(tu)裝工期(qi)、降低后期(qi)維(wei)護(hu)成(cheng)本(ben)等。美(mei)國海上系統(tong)司令部在(zai)(zai)《海軍腐(fu)蝕控制計劃(hua)》中(zhong)(zhong)對(dui)(dui)未來防(fang)腐(fu)技(ji)術(shu)提(ti)出了明確(que)要(yao)求(qiu)：揮發性有機化合物(wu)含量低于50克/升、可快速固化、更久的(de)耐用性、單涂(tu)層體(ti)系。近年來，超疏水材料(liao)(liao)、自(zi)修復防(fang)腐(fu)材料(liao)(liao)、石墨烯防(fang)腐(fu)涂(tu)料(liao)(liao)等相關(guan)研究(jiu)不斷取(qu)得新突破，將進一步推(tui)動(dong)高(gao)(gao)性能船用防(fang)腐(fu)材料(liao)(liao)的(de)發展(zhan)。
一(yi)、超疏水(shui)表面(mian)研(yan)究(jiu)持續升溫，不斷取得新突破
一般來說，接觸角大于(yu)150°且滾動角小于(yu)10°的(de)(de)(de)(de)固體(ti)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)被稱作(zuo)超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)。受植物葉(xie)子啟(qi)發的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)結(jie)構(gou)因在自(zi)清(qing)潔、防腐、油水(shui)分離、微(wei)反應(ying)器等諸多領域具有(you)廣泛(fan)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用潛力而日益受到關(guan)注，其特有(you)的(de)(de)(de)(de)疏(shu)水(shui)性能夠減少水(shui)等腐蝕(shi)性介質(zhi)對(dui)金屬材料表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)侵蝕(shi)，對(dui)腐蝕(shi)防護領域尤(you)為(wei)重要。經典(dian)的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)結(jie)構(gou)主(zhu)要有(you)兩種：一是(shi)具有(you)“荷(he)葉(xie)效(xiao)應(ying)”的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)結(jie)構(gou)；另一種是(shi)具有(you)“花瓣效(xiao)應(ying)”的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)結(jie)構(gou)，具有(you)類似于(yu)SalviniaMolesta葉(xie)片的(de)(de)(de)(de)獨特的(de)(de)(de)(de)打蛋器狀(zhuang)結(jie)構(gou)。其中(zhong)最典(dian)型(xing)的(de)(de)(de)(de)是(shi)荷(he)葉(xie)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，液(ye)滴在其上(shang)可隨(sui)意滾動并帶走(zou)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)臟物，這(zhe)種自(zi)清(qing)潔的(de)(de)(de)(de)特性通常被稱作(zuo)“荷(he)葉(xie)效(xiao)應(ying)”。研究發現，荷(he)葉(xie)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)微(wei)米級乳突上(shang)還有(you)很多像枝杈一樣(yang)的(de)(de)(de)(de)納(na)米結(jie)構(gou)，乳突和這(zhe)些(xie)納(na)米結(jie)構(gou)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)都布(bu)滿了低表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)能的(de)(de)(de)(de)蠟質(zhi)，這(zhe)種“二元協同作(zuo)用”是(shi)導致荷(he)葉(xie)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)超(chao)(chao)(chao)疏(shu)水(shui)的(de)(de)(de)(de)根(gen)本原因。
圖1 “荷葉效應”
美國(guo)(guo)國(guo)(guo)防(fang)部、海軍研究(jiu)(jiu)局等(deng)(deng)機(ji)構(gou)(gou)長期資(zi)助(zhu)美國(guo)(guo)橡(xiang)樹(shu)嶺(ling)國(guo)(guo)家(jia)(jia)實(shi)驗室、萊斯大(da)學(xue)(xue)等(deng)(deng)開展(zhan)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)材料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)關研究(jiu)(jiu)，澳大(da)利亞(ya)、德(de)國(guo)(guo)、新加坡等(deng)(deng)也在(zai)積極開展(zhan)相(xiang)(xiang)(xiang)關研究(jiu)(jiu)。其中(zhong)(zhong)，美國(guo)(guo)橡(xiang)樹(shu)嶺(ling)國(guo)(guo)家(jia)(jia)實(shi)驗室近(jin)十(shi)(shi)年來(lai)獲得了能源部和國(guo)(guo)防(fang)部的(de)(de)(de)(de)資(zi)助(zhu)，一(yi)直(zhi)致力(li)(li)(li)于(yu)基(ji)于(yu)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)自清(qing)潔納米涂層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)(jiu)，并(bing)已(yi)擁有(you)多項專利。構(gou)(gou)造(zao)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)式主要(yao)有(you)兩種：一(yi)是在(zai)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)材料(liao)(liao)(liao)上構(gou)(gou)建(jian)粗(cu)糙的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)微觀結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)；二是用低(di)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)能物質修(xiu)飾粗(cu)糙表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)。目(mu)前超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)制(zhi)備(bei)方(fang)(fang)法主要(yao)包括(kuo)等(deng)(deng)離子(zi)刻蝕(shi)法、化(hua)學(xue)(xue)氣相(xiang)(xiang)(xiang)沉(chen)積法、電(dian)化(hua)學(xue)(xue)沉(chen)積法、溶(rong)膠(jiao)凝膠(jiao)法、靜電(dian)紡(fang)絲法和自組裝法等(deng)(deng)。2016年，澳大(da)利亞(ya)國(guo)(guo)立大(da)學(xue)(xue)研發(fa)出(chu)(chu)一(yi)種多功(gong)能超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)材料(liao)(liao)(liao)，該材料(liao)(liao)(liao)由(you)聚氨酯-聚甲基(ji)丙烯酸(suan)甲酯和氟改性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)二氧(yang)化(hua)硅(gui)納米粒子(zi)組成，通過(guo)噴(pen)涂制(zhi)備(bei)成涂層(ceng)(ceng)，具有(you)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)、透明、耐(nai)(nai)磨(mo)損、防(fang)紫(zi)外(wai)(wai)線(xian)和耐(nai)(nai)化(hua)學(xue)(xue)腐蝕(shi)等(deng)(deng)多種優異特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，制(zhi)備(bei)工藝簡單且成本低(di)。該涂層(ceng)(ceng)能夠經受(shou)紫(zi)外(wai)(wai)線(xian)照射50小(xiao)時而(er)(er)(er)不老化(hua)，在(zai)油污和強酸(suan)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下(xia)仍能保持(chi)很好的(de)(de)(de)(de)微觀結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)。但是當前制(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)材料(liao)(liao)(liao)普遍存在(zai)難(nan)(nan)以(yi)(yi)完(wan)全復制(zhi)生(sheng)物界(jie)(jie)復雜(za)多層(ceng)(ceng)級微觀結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)、表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)機(ji)械穩定性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)較差和耐(nai)(nai)久性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)不足等(deng)(deng)問題(ti)。為此，學(xue)(xue)術(shu)界(jie)(jie)嘗試(shi)采(cai)用3D打印(yin)等(deng)(deng)先進制(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)、賦予其自修(xiu)復性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能、提(ti)高(gao)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)機(ji)械強度(du)等(deng)(deng)方(fang)(fang)式予以(yi)(yi)解決。2017年，德(de)國(guo)(guo)弗萊堡大(da)學(xue)(xue)開發(fa)出(chu)(chu)一(yi)種超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)涂層(ceng)(ceng)，能像蛇(she)褪去(qu)(qu)(qu)外(wai)(wai)皮那樣脫去(qu)(qu)(qu)受(shou)損表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)恢復超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能，從而(er)(er)(er)克(ke)服目(mu)前超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)材料(liao)(liao)(liao)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)微納米多級結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)在(zai)受(shou)到(dao)(dao)外(wai)(wai)力(li)(li)(li)摩擦(ca)時極易受(shou)損而(er)(er)(er)失去(qu)(qu)(qu)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)缺陷。美國(guo)(guo)密歇根大(da)學(xue)(xue)今年也研制(zhi)出(chu)(chu)一(yi)種超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)涂料(liao)(liao)(liao)（FPU/F-POSS），這種涂料(liao)(liao)(liao)由(you)85%“氟化(hua)聚氨酯高(gao)彈體(ti)”（FPU）粘合劑和15%“十(shi)(shi)七氟癸基(ji)多面(mian)(mian)(mian)體(ti)低(di)聚倍半硅(gui)氧(yang)烷(wan)”（F-POSS）互溶(rong)后制(zhi)成，在(zai)塔伯耐(nai)(nai)磨(mo)耗試(shi)驗機(ji)上經受(shou)240目(mu)玻(bo)璃砂紙(zhi)100克(ke)壓力(li)(li)(li)條件(jian)下(xia)1000米磨(mo)耗后，液(ye)滴滾(gun)動角(jiao)依然小(xiao)于(yu)5°，而(er)(er)(er)相(xiang)(xiang)(xiang)同試(shi)驗條件(jian)下(xia)，現有(you)耐(nai)(nai)磨(mo)超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)涂料(liao)(liao)(liao)只能經受(shou)8米磨(mo)耗，耐(nai)(nai)久性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)。2018年3月，南(nan)加州(zhou)大(da)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)(jiu)人(ren)員采(cai)用“沉(chen)浸表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)累(lei)積3d打印(yin)”（ISC-3D）技(ji)術(shu)，制(zhi)造(zao)出(chu)(chu)仿(fang)水(shui)(shui)(shui)生(sheng)蕨(jue)類植物葉(xie)片的(de)(de)(de)(de)打蛋器狀超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，突破了傳統制(zhi)備(bei)技(ji)術(shu)難(nan)(nan)以(yi)(yi)復制(zhi)生(sheng)物界(jie)(jie)復雜(za)多層(ceng)(ceng)級微觀結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)難(nan)(nan)題(ti)。研究(jiu)(jiu)人(ren)員以(yi)(yi)親(qin)水(shui)(shui)(shui)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)光(guang)固(gu)化(hua)樹(shu)脂E-glass為原料(liao)(liao)(liao)，并(bing)將多壁(bi)碳納米管添(tian)加到(dao)(dao)光(guang)固(gu)化(hua)樹(shu)脂中(zhong)(zhong)以(yi)(yi)增強微結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)和機(ji)械強度(du)；然后采(cai)用ISA-3D打印(yin)技(ji)術(shu)在(zai)宏(hong)觀物體(ti)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)固(gu)化(hua)樹(shu)脂以(yi)(yi)構(gou)(gou)建(jian)打蛋器狀超(chao)(chao)疏(shu)(shu)水(shui)(shui)(shui)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)。
圖2 超疏水表面上的(de)水珠
二、自修復防腐概念(nian)迅速發展，尚處于實驗(yan)室制備(bei)和應(ying)用探索階段
自(zi)(zi)修(xiu)復(fu)(fu)(fu)防腐(fu)材(cai)(cai)料在(zai)受(shou)損后(hou)可實現自(zi)(zi)我修(xiu)復(fu)(fu)(fu)，因(yin)而(er)顯(xian)著提升防腐(fu)材(cai)(cai)料的耐用(yong)(yong)(yong)性，最(zui)常(chang)用(yong)(yong)(yong)的制備方法是微(wei)膠(jiao)(jiao)囊(nang)技(ji)術(shu)，即用(yong)(yong)(yong)成膜物質把分散(san)的材(cai)(cai)料包(bao)覆而(er)生(sheng)成一種微(wei)小(xiao)粒子（微(wei)膠(jiao)(jiao)囊(nang)）的技(ji)術(shu)。當材(cai)(cai)料受(shou)外界應(ying)力作用(yong)(yong)(yong)產生(sheng)裂(lie)紋(wen)時，微(wei)膠(jiao)(jiao)囊(nang)破裂(lie)釋放出微(wei)膠(jiao)(jiao)囊(nang)包(bao)覆的修(xiu)復(fu)(fu)(fu)劑，通過毛細(xi)管(guan)作用(yong)(yong)(yong)將修(xiu)復(fu)(fu)(fu)劑釋放至受(shou)損區(qu)域(yu)，然后(hou)與預先埋置于(yu)基(ji)體(ti)中的催化劑引發聚(ju)合反(fan)應(ying)，使(shi)裂(lie)紋(wen)得到愈合達到修(xiu)復(fu)(fu)(fu)目的，從而(er)提高防腐(fu)效(xiao)能延長使(shi)用(yong)(yong)(yong)期效(xiao)。2012年，NanoSonic公司(si)在(zai)美國海(hai)軍小(xiao)企業創新研究(jiu)計(ji)劃的資助下，開發并驗證(zheng)了(le)一種自(zi)(zi)修(xiu)復(fu)(fu)(fu)防腐(fu)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)HybridSil，該涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)在(zai)破損后(hou)能快速自(zi)(zi)我修(xiu)復(fu)(fu)(fu)。該防腐(fu)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)是一種單組(zu)分的環(huan)保涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)，在(zai)經(jing)受(shou)5個多月(yue)的鹽霧環(huan)境(jing)而(er)不發生(sheng)任何腐(fu)蝕(shi)跡象，可用(yong)(yong)(yong)于(yu)金屬、復(fu)(fu)(fu)材(cai)(cai)、混凝(ning)土、玻(bo)璃等多種表(biao)面，在(zai)海(hai)洋(yang)環(huan)境(jing)下使(shi)用(yong)(yong)(yong)期效(xiao)超(chao)過12個月(yue)。截至2014年，這種自(zi)(zi)修(xiu)復(fu)(fu)(fu)防腐(fu)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)(ceng)技(ji)術(shu)成熟度達到4，且通過了(le)腐(fu)蝕(shi)認證(zheng)（ASTMG44，GM9540P，ASTMB117），并進行了(le)海(hai)上試驗。
圖3 微膠囊技術
除微膠囊(nang)技術(shu)外，近年來國外學術(shu)界還探索了其他自(zi)修復(fu)機理(li)。2017年，在美(mei)國海軍(jun)研(yan)究局資(zi)助下，美(mei)國普林斯頓大學研(yan)究人員(yuan)受豬籠(long)草啟發，采用溶劑交換(huan)法(fa)用油(you)填(tian)充(chong)陽(yang)極(ji)(ji)氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)層(ceng)(ceng)的(de)(de)高(gao)深寬比納米(mi)孔，得到高(gao)度疏(shu)水的(de)(de)表(biao)面(mian)以阻止腐蝕(shi)介質滲透到陽(yang)極(ji)(ji)氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)(zhong)，提(ti)高(gao)了鋁(lv)(lv)合金的(de)(de)防腐性能(neng)(neng)。研(yan)究人員(yuan)先用兩步陽(yang)極(ji)(ji)氧(yang)化(hua)法(fa)在鋁(lv)(lv)箔表(biao)面(mian)得到具(ju)有直徑70納米(mi)、孔深500納米(mi)的(de)(de)高(gao)度有序納米(mi)孔隙結構的(de)(de)均(jun)勻(yun)陽(yang)極(ji)(ji)氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)層(ceng)(ceng)，隨后在其上(shang)旋涂一(yi)層(ceng)(ceng)疏(shu)水的(de)(de)聚四(si)氟(fu)乙(yi)烯，然后采用溶劑交換(huan)法(fa)使全(quan)氟(fu)聚醚油(you)完全(quan)填(tian)充(chong)陽(yang)極(ji)(ji)氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)孔隙。研(yan)究表(biao)明：油(you)浸漬的(de)(de)涂覆聚四(si)氟(fu)乙(yi)烯的(de)(de)陽(yang)極(ji)(ji)氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)表(biao)面(mian)與(yu)水的(de)(de)接觸(chu)角為(wei)106°，滾動接觸(chu)角小于3°，具(ju)有良好(hao)的(de)(de)疏(shu)水性；這種新型陽(yang)極(ji)(ji)氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)油(you)可(ke)流(liu)動到損(sun)(sun)傷的(de)(de)區域并覆蓋來提(ti)供(gong)對腐蝕(shi)介質的(de)(de)防護(hu)(hu)，因此腐蝕(shi)防護(hu)(hu)性能(neng)(neng)較(jiao)為(wei)穩定；孔隙中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)油(you)還可(ke)填(tian)充(chong)裂(lie)紋，抵抗一(yi)定的(de)(de)外部損(sun)(sun)傷和表(biao)面(mian)缺陷。
文章內容來自網絡，如有侵(qin)權請(qing)聯系管理員(yuan)
標簽：
官網微信
