海洋船舶在航行过程中需克服巨大的阻力，而海洋生物对船舶的污损则进一步加大了阻力，增加了能源消耗，同时对航行安全与舰船寿命也构成了威胁。使用防污减阻涂料是目前减少船舶污损最为经济高效的方法之一，而随着各界对海洋经济绿色发展的重视，含铜、含锡的传统防污涂料已逐步淘汰，代之以更为环保、经济、高效的新型防污减阻涂料。
一、低表面能防污减阻涂料
研究表明，污损释放型涂料具备超疏水、柔性等表面性能，有助于实现船舶防污减阻。污损释放型涂料也被称为低表面能防污涂料，能通过物理而非化学作用来防止污垢生物附着。由于涂料的表面自由能和弹性模量低，污垢生物不能牢固地附着在涂料表面，在水流的剪切力作用下容易被解离。更重要的是，该过程不需要释放防污剂，亦不会杀死污垢生物。此外，污损释放型涂料具有固体含量高、表面光滑等优点，有助于降低水流阻力。鉴于污损释放型涂料相比于无锡自抛光防污涂料等传统涂料更具绿色发展性，科研人员对污损释放型涂料开展广泛的研究，旨在将污损释放型涂料发展成为传统杀菌涂料的主要市场替代品。目前低表面能涂料的研究主要集中于有机硅和有机氟材料。
1. 有机硅低表面能涂料
有机硅具有价格优势，且具备良好的物化性能，基于硅基的涂料设计在低表面能涂料研究中最为广泛。有机硅弹性体，尤其是聚二甲基硅氧烷（PDMS），是污损释放型涂料中最常用的聚合物。PDMS的主链由交替的硅原子和氧原子组成，Si−O链结构具有优异的柔韧性，侧链的甲基具有很强的非极性，由于与极性水分子的排斥作用，表现出很强的疏水性，进而获得低表面能、低弹性模量和低表面粗糙度等优点，赋予涂料良好的脱附性能。然而，PDMS的柔顺主链和分子链之间的相互作用较弱，致使涂料的机械强度和附着力较弱。PDMS防污涂料对解除细菌和硅藻组成的黏液吸附的能力较差，在静态条件下这些黏液往往能够黏附在疏水表面，不容易通过流体动力学剪切释放。这类黏附的黏液在水中移动的船体上产生流体动力阻力，同样增加燃料成本。为有效提高涂料在静态条件下的附着力、力学性能和防污能力，聚合物改性、仿生复合改性等手段成为目前有机硅防污涂料的研究重点。
有机硅污损释放型涂料易于从基材（通常是环氧底漆）表面脱落，为增强有机硅污损释放型涂料与基材之间的黏合强度，研发人员开发了引入极性相互作用、添加中间连接层、使用偶联剂（例如双(γ-三甲氧基硅基丙基)胺、γ-缩水甘油氧基丙基甲基二乙氧基硅烷等）等方法来调整界面力学性能。然而这些方法仍然存在成本高、工艺复杂、附着力和力学性能差等问题，对此研发人员往往尝试采用掺入纳米填料、聚氨酯和环氧树脂改性等策略，来改善有机硅污损释放型涂料的附着力和力学性能。
2. 有机氟低表面能涂料
氟原子的电负性最高，在有机物内形成结构紧密稳定的C−F键，因此含氟单体的碳链较短，且含氟聚合物材料具有强疏水性及化学惰性，以含氟聚合物制备树脂已成为低表面能涂料的一大研究方向。两亲性系统中的氟化链段由于其低表面能特性被用于提升涂料的污损释放性能，几种具有氟烷基侧链的表面活性嵌段共聚物、两亲性半氟化嵌段共聚物和两亲性全氟聚醚/聚乙二醇网络已被探索研究并用于研制防污涂料。这些涂料既能抵抗沉降，又能增强对海洋微生物的释放能力。
相比于有机硅低表面能防污涂料，氟聚物低表面能涂料的研究难题主要在于氟树脂的固化温度高、价格昂贵、附着力不足等。目前研究较多的聚四氟乙烯也面临着树脂致密性不足、微孔处污损生物集中、工艺复杂等问题，制约了其在防污减阻应用中的普及。针对有机硅和有机氟两类材料的优缺点，研究人员更多考虑将含氟基团或含氟聚合物引入有机硅基体获得更为优异的防污性能，既保持了大分子的高弹性，又引入含氟基团进一步降低表面能。合理配比有机硅与有机氟涂料，可以更好地发挥低表面能材料的优势。
二、仿生防污减阻涂料
仿生防污策略受自然界植物和动物的天然表面启发而发展，被认为是一种很有前途的环保海洋防污方法。仿生防污涂料的研究主要分为两大类，一方面是从生物体内提取具有防污活性的物质，另一方面是模仿动植物表面构造，制备特殊表面结构材料。
1. 天然防污剂仿生涂料
传统的防污涂料对环境有负面影响并且释放速率难以控制，迫切需要开发新型环保耐用的防污剂。考虑到许多生物在进化过程中已经获得防污能力，研究人员探索了来自各种生物体的天然防污剂及其衍生物，其在对抗生物污垢方面显示出潜力，且新开发的天然防污剂数量每年都在增加。这些天然防污剂的化学成分和结构为新型海洋生物防污涂料和医用防污涂料的开发提供探索方向。
辣椒素及其衍生物是一种具备独特理化性质的天然植物碱，已被公认为最有前途的防污剂之一，将辣椒素衍生物的共聚物与水凝胶交联获得防污涂层，其防污和抗菌效果都显著提升。姜黄素则是由姜黄中提取的天然多酚化合物，能够通过干扰有丝分裂蛋白来实现对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的强力抗菌作用，制得的防污涂料兼具抗菌活性和亲水性，抗蛋白和血小板吸附能力也较为优异。天然防污剂（包括有机酸、萜类、酚类、吲哚类等）现阶段被认为是传统防污剂的有效替代，但提取过程复杂、提取速率低、成本高、耐久性差等问题需要进一步解决。
2. 仿生结构涂料
自然界中的水生生物在静止或低速水中都有自己独特的防污方法，在防污物理结构的设计上，很少有人工设计方案能比在水生生物上经过数千年进化而来的巧妙结构更好。与化学方法相比，物理方法因为不会释放有毒物质到海洋系统中而被认为更环保。鲨鱼表皮、海胆针状结构、贻贝外壳等海洋生物中的天然结构激发了科研人员的灵感，由此研制出的仿生微纳米结构防污涂层取得了一定的进展。然而，技术复杂、低效和昂贵成本等问题同样存在。在恶劣的环境下，材料表面的微纳米结构可能会受到破坏，降低性能与缩短寿命，因此，开发力学性能稳定的仿生结构表面也是急需的研究方向。
随着海洋经济绿色发展的推进，未来船舶对绿色环保涂料的更新换代需求将大大增加。在防污减阻涂料板块，针对有机硅、有机氟、天然防污剂、仿生结构涂料，国内外均取得了较大的研究进展。同时，围绕防污减阻涂料的一些问题，需要进一步推进涂料防污性能与力学性能的平衡研究、深挖表面性能的深层机理并持续改进，并不断提升涂料成品的合成工艺、高效性、广谱性、耐久性、施工便捷性、环保性等，还要同步建设统一有效的加速评价方法，促进涂料应用多元化发展。
参考文献：船舶防污减阻涂料研究进展[J]. 材料导报, 2024, 38(S1): 552-555.
