海洋防污涂料性能评价技术的研究进展

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海洋防污涂料广泛应用于船舶和海洋固定设施表面。船舶防污涂料的实际使用寿命通常为3~5 a或更长；而对于深远海养殖设施等体型庞大、难以离岸维护的海洋固定设施，则要求防污涂料具备与其设计寿命相匹配的长期防护性能。较长的服役周期，持续的海水侵蚀以及生物污损环境，使得海洋防污涂料的开发面临重大挑战。

在海洋防污涂料的开发过程中，性能评价是关键环节。其性能指标主要分为常规物理化学性能（如黏度、抗流挂性等）和关联最终应用的功能性指标（如防污性能、降阻性能等）。其中，功能性评价是主要难点，其原因在于防污机理的复杂性与环境适应性的差异。防污涂料根据作用机理主要分为含生物杀伤剂型（如磨蚀型、自抛光型，主要依赖氧化亚铜等生物杀伤剂渗出抑制污损生物附着）与不含生物杀伤剂型（如低表面能污损释放型，主要通过表面特性实现防污）。不同防污涂料作用机理和环境响应（如盐度、温度、航速）存在区别，单一的性能测试难以全面反映实际服役效果，尤其当海洋生物群落、船舶工况等变量叠加时，评价体系需覆盖从实验室的模拟试验到实船验证试验的多尺度场景。本文旨在综述海洋防污涂料性能评价技术的发展概况，系统分析包括模拟试验与实船试验在内的现有评价方法及其局限性，为发展高效、可靠且能预测防污期效的评价技术体系提供参考。

1 评价技术的发展与相关标准

表1　现行防污涂料的标准化评价方法

Table 1　Current standard evaluation methods of antifouling coatings

注：依据GB/T 6822—2024分类：Ⅰ型—含有生物杀伤剂的自抛光型或磨蚀型防污涂料；Ⅱ型—含生物杀伤剂的非自抛光型或非磨蚀型防污涂料；Ⅲ型—含有生物杀伤剂的污损脱附型防污涂料；Ⅳ型—不含生物杀伤剂的污损脱附型防污涂料；Ⅴ型—不含生物杀伤剂的自抛光型、磨蚀型或其他类型（污损脱附型除外）防污涂料。

2 模拟试验评价方法

2. 1 防污性能

防污性能是防污涂料的核心功能属性，直接决定其抑制生物附着，保障海洋装备长效服役的能力。在现行评价体系中，浅海浸泡试验（GB/T 5370—2007，ASTM D3623—2020）和动态模拟试验（GB/T 7789—2007，ASTM D4939—2020）是两类常用的防污性能评价手段。浅海浸泡试验通过将涂覆样板长期暴露于自然海域，利用实际生物污损群落与海水环境参数表征涂料在静态或低流速工况（如停泊船舶、固定设施）的防污性能，具备环境真实性。动态试验则借助旋转装置模拟船舶航行流体力学环境，使样板以恒定线速度[（18±2） kn]在天然海水中运转（等效航行4 000 n mile），后续转入静态浮筏浸泡，结合生物附着旺季评估附着情况，可有效弥补浅海浸泡试验对水流冲刷效应模拟的不足。尽管这2种方法被广泛采用，但其局限性依然存在：（1）试验周期较长，浅海浸泡试验通常需1~3 a才能获得可靠数据，动态试验需结合航行模拟与浅海浸泡，周期同样较长，难以满足研发快速迭代的需求；（2）不同地域的气候环境差异（如青岛、厦门、三亚），以及污损生物群落的季节性生长波动和年际气候变异均会影响数据的复现性和可比性。为获取可靠数据，需采集的数据量较大；（3）样板长期维护、监测和数据采集成本高。

防污性能驱动因子是指通过物理或化学机制直接影响涂层表面生物附着行为的关键参数，如生物杀伤剂释放速率、磨蚀率、表面自由能和弹性模量等。这些因子的量化数据可用于预测涂层防污性能。相较于成本高且周期长的实海试验，驱动因子测试可缩短评价周期，为防污涂料研发提供数据支持。

生物杀伤剂释放速率测定是将涂覆防污涂料的样板浸入人工海水，并设定pH、温度、盐度及海水流速，采用原子吸收光谱、高效液相色谱、离子色谱、气相色谱等技术定量分析浸泡液中目标生物杀伤剂（见表1）的浓度变化，结合浸泡时间、样板面积和浸泡液体积计算单位时间单位面积的平均释放速率[单位：μg/（cm²·d）或mg/（cm²·d）]。与其他标准不同，ISO 10890：2010基于质量平衡原理和Fick扩散定律，通过测定涂层初始生物杀伤剂浓度、干膜厚度、密度及环境参数（如温度、盐度），构建理论模型推测服役周期内生物杀伤剂的平均释放速率及累积释放量，该方法支持计算服役初期14 d内的累积释放量以评估急性毒性风险。需注意的是该方法依赖实验室参数且未设定释放速率限值，实际应用需结合实海数据修正模型以降低模拟环境与真实海洋的差异。

磨蚀率是评估磨蚀型或自抛光型防污涂料（Ⅰ/Ⅴ型）防污性能和服役寿命的重要参数。其测定是采用动态模拟装置模拟船舶航行或海流冲刷作用，通过在设定转速下对防污涂层进行磨蚀试验，周期性测量涂层厚度变化，并根据磨蚀时间计算磨蚀率（单位：μm/月）。磨蚀率测试的动态模拟装置主要包括圆盘和转鼓。其中转鼓模拟单一航速下的船舶状态，而圆盘可同步模拟船舶多种航速以研究防污涂层在不同水流速度条件下的磨蚀行为（图1），提升了测试效率。GB/T 31411—2015采用激光测距技术测量涂层磨蚀厚度，精度较高，但线扫描模式易引入随机误差，且单次扫描仅获取单条线数据，需多次测量，操作繁琐。此外，其圆盘定位依赖螺丝固定和手动对线，易产生误差。为了提高磨蚀率测试的准确性和效率，笔者发明了一种精准测试涂层磨蚀厚度的测量方法及测量装置（图2），该方法采用3D扫描显微镜扫描涂层，利用3D图像自动拼接技术实现面扫描，克服了点或线扫描的随机误差；同时，借助旋转台和位置调节机构实现样板盘的自动旋转和精准定位，消除手动定位误差，最终可实现涂层磨蚀厚度的全自动化、高效、精准测量。

污损脱附型防污涂料（Ⅲ/Ⅴ型）的防污机制在于其涂层表面与污损生物之间形成的低界面黏附强度，基于此，船舶航行时产生的水流剪切力或机械作用即可有效剥离附着的污损生物。此类涂层的污损脱附能力源于其低表面能和低弹性模量的协同作用。Brady等发现，污损物与材料间的相对黏附力近似正比于材料表面自由能与弹性模量乘积的 1/2 次方。具体而言，当涂层表面自由能处于22~24 mJ/m² 范围时，污损生物附着显著减少。同时，低弹性模量通过降低污损物脱附过程中基底的机械形变能耗，减少了脱附所需功。因此，通过表征涂层的表面自由能与弹性模量可有效预测其防污性能。表面自由能可通过测试接触角获得，其值越低，表明涂层的疏水性或疏油性越强。弹性模量则可通过动态力学分析获取样品的储能模量或者通过原子力显微镜获得涂层表面弹性模量。由于储能模量反映了材料模量的弹性部分贡献，可视为材料本体的弹性模量。而原子力显微镜是利用探针在涂层表面的力-压痕曲线，通过赫兹模型拟合得到涂层表面几微米深度区域的弹性模量。

尽管防污性能驱动因子与防污性能密切相关，但是实验室测试条件与实海环境存在系统性偏差，这在一定程度上制约了基于驱动因子模型的防污性能预测能力。例如，实海中涂层表面形成的黏膜会阻碍防污剂渗出，显著抑制其释放速率；实验室装置难以复现真实船舶航行中的复杂湍流条件，导致磨蚀率预测失准；此外，接触角虽可表征表面自由能，但污损生物分泌黏附蛋白对界面的影响难以量化。这些因素共同影响了模型对防污性能的预测效果。

2. 2 降阻性能

除了防污性能，降阻性能是防污涂料的另一个重要指标。降阻性能包含两层含义，一是防污性能赋予的降阻，即通过抑制生物污损附着维持船体表面“光顺”，避免因污损导致阻力剧增；二是涂层固有的本征降阻特性，指涂层材料或结构（如低表面能、低粗糙度或特殊微结构）直接降低摩擦阻力的能力。防污性能构成降阻性能的基础，一旦涂层防污失效导致污损附着，涂层不再与海水直接接触，其本征降阻特性即完全丧失。研究表明，船体表面形成生物黏膜会导致船舶的阻力增加，而硬壳生物污损附着严重后，在巡航速度下所需轴功率将比光滑船体增加86%。

GB/T 7791—2014通过测量涂覆防污涂料的垂直圆筒试样在湍流海水中旋转的扭矩，结合航行模拟试验（动态海水冲刷），对比冲刷前后相同转速下的阻力变化以计算降阻率。该标准可用于评估防污涂层降低船舶燃油消耗的潜力。但是，该方法侧重于涂层本征降阻特性（如表面光滑度）的短期评估，无法量化防污失效后生物污损引发的“阻力剧增”效应。

2. 3 新兴评价技术

随着海洋经济的快速发展与环保法规的持续趋严，传统防污涂料评价体系亟需完善与补充，以更好地适配新型防污技术的迭代进程与多元化应用需求。在此背景下，实验室生物评价、耐淡水浸泡性能、耐清洗性能、服役寿命评估等新兴评价技术的重要性正日益凸显。

实验室生物评价方法是通过精确控制目标生物的环境参数以消除外部干扰，从而实现对生物附着过程的可控研究。与实海试验（浅海浸泡试验与动态试验）相比，该方法具备条件可控性强、数据可比性高及评价周期短等优势。评价所选的目标生物通常为易于实验室培养或从海洋环境中采集的常见污损生物，主要包括微观生物（如细菌、硅藻、真菌）和宏观生物（如藤壶、贻贝幼虫）。对于含有生物杀伤剂的防污涂料，主要是评价生物杀伤剂对目标生物的抑制效果：对于微观生物，细菌可通过圆盘扩散法、最小抑菌浓度法及多孔盘测试法评估；硅藻可采用数量增长变化测定及毒性测试（半数致死浓度LC₅₀/半数有效浓度EC₅₀）进行评估；真菌则适用圆盘扩散法与最小抑制浓度法。对于宏观生物，主要通过毒性测试计算防污剂的LC₅₀/EC₅₀数据，并结合附着抑制实验来综合评价防污性能。对于污损脱附型防污涂料，评价侧重于物理表面特性（如表面自由能、弹性模量）对目标生物附着强度的影响。对于微观生物，可通过定量测量细菌附着量及收缩力，或计算硅藻附着面积分数来表征；也可利用自旋喷射水装置或水流冲刷动态评估硅藻的附着力。对于宏观生物，通常依据标准ASTM D5618—2020直接测量藤壶的附着力，结合扫描获得的附着面积计算剪切附着强度，或应用普德尔方程（附着力/附着面积²）来量化生物从涂层表面剥离的难易程度。

实验室生物评价方法是通过精确控制目标生物的环境参数以消除外部干扰，从而实现对生物附着过程的可控研究。与实海试验（浅海浸泡试验与动态试验）相比，该方法具备条件可控性强、数据可比性高及评价周期短等优势。评价所选的目标生物通常为易于实验室培养或从海洋环境中采集的常见污损生物，主要包括微观生物（如细菌、硅藻、真菌）和宏观生物（如藤壶、贻贝幼虫）。对于含有生物杀伤剂的防污涂料，主要是评价生物杀伤剂对目标生物的抑制效果：对于微观生物，细菌可通过圆盘扩散法、最小抑菌浓度法及多孔盘测试法评估；硅藻可采用数量增长变化测定及毒性测试（半数致死浓度LC₅0/半数有效浓度EC₅₀）进行评估；真菌则适用圆盘扩散法与最小抑制浓度法。对于宏观生物，主要通过毒性测试计算防污剂的LC₅₀/EC₅₀数据，并结合附着抑制实验来综合评价防污性能。对于污损脱附型防污涂料，评价侧重于物理表面特性（如表面自由能、弹性模量）对目标生物附着强度的影响。对于微观生物，可通过定量测量细菌附着量及收缩力，或计算硅藻附着面积分数来表征；也可利用自旋喷射水装置或水流冲刷动态评估硅藻的附着力。对于宏观生物，通常依据标准ASTM D5618—2020直接测量藤壶的附着力，结合扫描获得的附着面积计算剪切附着强度，或应用普德尔方程（附着力/附着面积²）来量化生物从涂层表面剥离的难易程度。

我国多数船厂位于江河入海口，船舶舾装需长期浸泡于淡水/淡海水中。相较于海水，淡水/淡海水的低盐度导致渗透压更高，易引发涂层过度吸水膨胀；船舶上排后涂层失水收缩产生应力，叠加严苛大气环境，易造成涂层起泡、开裂甚至脱落。现有标准评价体系缺乏针对防污涂层在淡水环境中的长期浸泡性能评价依据，导致实验室结果与实际应用存在偏差。针对此问题，笔者发明了防污涂层体系耐淡海水/淡水浸泡性能的评价方法，该方法首先测试涂层初始附着力；随后进行分阶段去离子水浸泡实验以加速水分渗透，定期监测附着力变化以评估力学性能衰减趋势；对通过去离子水浸泡实验的涂层，分别进行浸泡后曝晒和冻融实验，模拟船舶上排后可能遭遇的高温曝晒与低温冷冻等严苛自然环境；最终综合3项实验结果，对涂层体系的耐浸泡性能进行多方位有效性评定。该方法的评价结果与实船应用结果相关性良好，为防污涂层体系耐淡水浸泡性能的评价提供了可靠依据。

水下清洗机器人凭借高效清除生物污损和规避进坞损失的优势，正驱动其与防污涂层协同防污技术的发展。然而，机器人的清洗加剧了涂层机械损伤风险，亟需建立匹配技术发展需求的涂层耐清洗性能评价方法。当前最具可靠性的实船试验方法成本高昂且周期冗长，无法满足研发需求；而现有标准（如GB/T 6822—2024）尚未纳入耐清洗性检测项目，实验室方法多采用台式磨损机在空气中以砂轮摩擦测试失质量，因砂轮材质与水下清洗机器人的刷盘材质不同，且未考虑海水浸泡对涂层的影响，其测试条件与实际工况差别较大。因此，亟需开发一种能在实验室模拟真实水下清洗工况，并综合评估涂层机械损伤和防污性能保持能力的评价方法。为此，笔者发明了一种海洋防污涂层耐清洗性能的测试装置及评价方法，该装置主要由支架、可升降模块、内置传感器的电机、传动杆、刷盘、试验水槽、涂层样板和控制系统构成。评价方法是通过人工海水浸泡实验、水下清洗实验、涂层检测和涂层损耗等级评定，综合评估防污涂层的耐清洗性能。该发明的主要优势在于充分考虑了实际环境条件，能够在实验室内高效、可靠地评定防污涂层的耐清洗性能。

服役寿命评估旨在较短时间内预测防污涂料的防污期效，为涂料的研制提供科学依据，从而有效缩短研发与应用周期。中国专利CN201210245221.6通过测定特定航速下的平均月磨蚀速率，结合船舶的航停比和航行周期，将其换算为平均年磨蚀速率，并利用模型公式计算防污寿命。该方法适用于自抛光型防污涂料防污期效的评定。邓亮等通过青岛、厦门、三亚海域的浅海挂板试验，分析污损释放型防污涂层性能演变规律，构建其服役寿命模型并确定关键参数（表面能、粗糙度、硬度、Si—CH3/Si—O—Si比值）的失效临界值。在此基础上，利用硫酸浸泡与含沙海水旋转冲刷试验设计室内加速老化试验，发现加速老化1 h等效于实海浸泡876 h（一年按365 d计），两者数据具有较好相关性。涂层失效机制主要为Si—O—Si主链降解及C—H侧链氧化，生成亲水性基团及无机硅氧化物。

3 实船试验评价方法

实船试验是在船舶特定区域（如船体、舵叶）涂装待测涂料，让其在实际航行与停泊的海洋环境中长期服役，进而系统评估涂料关键性能的方法。评估内容包括定期监测水下生物附着情况、量化污损减少带来的节能效果（如航速维持或燃油效率提升），以及评估涂层耐久性与防护效果。典型应用如第七二五研究所在“瑞鹭”试验船上涂装多种防污涂料，通过长期航行观测生物附着并结合性能数据评估防污性能。

实船试验评价方法主要应用于防污涂料开发的后期验证阶段，通常是在配方经过初期实验室模拟试验（如磨蚀率/生物杀伤剂释放速率测试）及中期实海模拟试验（如浅海浸泡试验、动态模拟试验）筛选之后实施。其目的是在真实海洋环境中验证涂层的长效防污性能、节能效益及耐久性，起到衔接模拟数据与工程应用的作用。实船试验方法存在周期漫长、单船样本量有限的问题，再加上船舶运行参数波动、海域生物群落差异及环境干扰等因素，目前该方法不适合用于前期筛选，而是作为工程转化前的决策依据。对于未来实船试验评价技术的发展，可通过实船搭载试验，建立模拟试验与实船试验的映射关联，推动加速评价方法的标准化，为防污涂料的工程转化与长效服役提供科学依据。

4 结 语

当前海洋防污涂料性能评价技术仍面临挑战。首先，新型防污技术（如基于酶解、生物信号干扰、仿生材料等的技术）不断涌现，其作用机理与常规方法存在差异，而现有的模拟试验评价方法往往未能及时更新或适配这些新机制，导致评价结果难以准确反映新技术的实际防污性能。其次，模拟试验评价方法与实船试验结果之间的关联性尚不清晰，缺乏明确的定量或定性转化关系，使得模拟测试获得的数据在实际船舶应用中的指导价值有所降低。此外，基于现有模拟和实船试验数据构建的防污涂料服役寿命预测模型仍不完善，导致其无法准确预测防污涂层在真实服役条件下的使用寿命。

为突破上述瓶颈，未来研究可聚焦以下方向：（1）发展原位监测技术，借助机器人技术动态追踪生物附着强度、涂层物化性能变化以及局部环境参数；（2）建立多尺度评价体系，整合模拟试验、实海试验及原位监测数据，揭示其内在关联，为防污涂料开发提供更全面的评价依据；（3）融合人工智能技术开发智能预测模型，实现对生物附着行为的预测以及涂层防污效能与寿命的智能评估。通过跨学科协作与技术创新，推动评价体系向高精度、智能化与生态化演进，为新一代防污涂料的研发提供坚实的科学基础。