CN110157258A - 一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料及其制备方法，防污涂层材料包括在水溶性或亲水性高分子材料中添加水和助剂混合成的涂料组分，以及外加的交联剂组分和催化剂组分，在所述的涂料组分中还分散有能够在压力作用下基于压电效应产生电场的压电粉末、分布于压电粉末之间的导电粉末，以及能够在所产生的电场引起的磁场作用下运动的磁性粉末。将压电效应和电磁效应两种作用耦合，利用海水波浪压差使材料体系中的压电粒子产生交变电场，进而形成交变磁场来驱动体系中的磁性粉末在凝胶体系内振动，促使磁性水凝胶表面发生微形貌的动态变化，抑制污损生物附着，起到防污作用。

Description

一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种船舶和海洋设施的防污涂料，具体地说是压电/电磁混合驱动防污涂层材料及其制备方法。
背景技术
在人类开发利用海洋的过程中，海洋生物污损会给船舶带来极大的危害，如增加船舶航行阻力、增加船体重量、增加燃油消耗、加速船体腐蚀、增加进坞维修次数等，目前，解决污损生物附着最经济、有效、普遍的方法是在海洋设施表面涂刷防污涂料。目前市场上使用最广泛的防污涂料主要是无锡自抛光防污涂料，其树脂基料主要分为三大类：丙烯酸锌树脂、丙烯酸铜树脂、硅烷化丙烯酸树脂。主防污剂为氧化亚铜，复配辅助防污剂，涂层表面树脂在海水作用下水解而发生自抛光，通过防污剂不断渗出达到防污作用，此类自抛光防污涂料对海水流速敏感，在冲刷条件下防污效果较好，但是静态条件下防污效果差，且防污剂大多为氧化亚铜等含重金属化合物，在海水中难以分解，易造成生物富集，破坏生态环境，随着世界各国对于海洋生态环境保护意识的加强，开发低毒或无毒防污涂料已成为未来防污涂料发展的趋势。
生物界可以通过非常“友好”的方法有效的阻止污损生物附着，仿生防污材料的开发是未来绿色环保防污涂料的发展方向。大量研究表明，海洋生物体的表皮结构不是一种固定模式的表面微结构，而是一种动态变化的微结构，其表皮结构会随生物体组织结构运动而运动，因此一般的孢子或藻类很难在其表面附着，大幅度减少了其他大型污损生物寄居附着的概率。
在防污领域的研究上，我所前期研究开发了一种电磁驱动型水凝胶防污涂层材料，专利申请号为201810580639.X。该防污涂层材料可结合外加磁场的作用，使防污涂层的形貌产生动态变化，起到减少污损生物附着的效果。但是，该涂层需要外加磁场才能起到防污作用，而外加磁场需要较为复杂的辅助机构设置，目前较难实际应用于船舶及海洋设施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够随海水波浪变化而自动产生电场和磁场，并使表面微形貌动态变化的压电/电磁混合驱动防污涂层材料及其制备方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料，包括在水溶性或亲水性高分子材料中添加水和助剂混合成的涂料组分，以及外加的交联剂组分和催化剂组分，在所述的涂料组分中还分散有能够在压力作用下基于压电效应产生电场的压电粉末、分布于压电粉末之间的导电粉末，以及能够在所产生的电场引起的磁场作用下运动的磁性粉末。
所述涂料组分中，各成分的重量份数为：水溶性或亲水性高分子材料5~10份、水50~90份、压电粉末5-15份、导电粉末5-15份、磁性粉末5~30份、助剂1.5~3份；交联剂组分的用量为涂料组分重量的3%—8%，催化剂组分的用量为涂料组分重量的6%—15%。
所述的压电粉末是钛酸钡、聚苯胺、聚吡咯中的一种。
所述的磁性粉末是磁性四氧化三铁、镍粉、镍锌铁氧体、锌铬铁氧体、镍铜铁氧体、铁钴镍合金中的一种或几种。
所述的水溶性或亲水性高分子材料为聚乙烯醇树脂。
所述的导电粉末是石墨粉。
所述的助剂为触变剂和消泡剂。
所述的交联剂组分为二元醛与去离子水混合成的浓度0.5%~2%的醛溶液，催化剂组分为质子酸与去离子水配制成的浓度5%~10%的酸溶液。
一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料的制备方法为：
（1）、在分散机中加入聚乙烯醇树脂、去离子水和消泡剂，搅拌分散，待聚乙烯醇完全溶解在去离子水中后再继续添加导电粉末、压电粉末、磁性粉末和触变剂，制成涂料组分；
（2）、将二元醛和去离子水加入到分散机中，分散均匀后得到交联剂组分；
（3）、将质子酸和去离子水加入到分散机中，分散均匀后得到催化剂组分；
（4）、使用时，将涂料组分、交联剂组分和催化剂组分搅拌混合成涂料。
在所述步骤（1）中，加入导电粉末、压电粉末、磁性粉末和触变剂后，砂磨将混合料细度降至80μm以下，过滤得到涂料组分。
本发明的有益效果是：在水溶性或亲水性高分子材料制备水凝胶的基础上，同时添加磁性粉末和压电粉末，将压电效应和电磁效应两种作用耦合，利用海水波浪压差使材料体系中的压电粒子产生交变电场，进而形成交变磁场来驱动体系中的磁性粉末在凝胶体系内振动，促使磁性水凝胶表面发生微形貌的动态变化。从而有效解决电磁驱动型水凝胶防污材料的磁场驱动源的问题，实现原位驱动材料表面产生动态变化，模拟海洋生物的动态表皮特性，抑制污损生物附着，起到防污作用。室内舟型藻的生物抑制附着和脱附试验表明，该压电/电磁混合驱动水凝胶涂层具有良好的污损生物抑制附着性能。
附图说明
图1是本发明防污涂料在海浪作用下防污涂料的防污实验显微图像。
图2是本发明防污涂料在静态海水池环境下的防污实验显微图像。
图3是3个实施例防污涂料在静态海水及实海环境中对藻类抑制附着的影响对比。
具体实施方式
以下结合实施例具体说明本发明的实施方式。
本发明的压电/电磁混合驱动防污涂层材料以水凝胶为基体，通过添加磁性粉末和压电粉末将压电效应和电磁效应相结合。其包括在水溶性或亲水性高分子材料中添加水和助剂混合成的涂料组分，以及外加的交联剂组分和催化剂组分。水溶性或亲水性高分子材料选用能够形成水凝胶的高分子材料，优选聚乙烯醇树脂。也可选用如壳聚糖、丙烯酸等。本发明以聚乙烯醇树脂为例，助剂采用触变剂和消泡剂，所用的交联剂组分为二元醛与去离子水混合成的浓度0.5%~2%的醛溶液，催化剂组分为质子酸与去离子水配制成的浓度5%~10%的酸溶液。采用其它高分子材料所用的助剂、交联剂、催化剂，以及制备方法参照现有公开文献，不再详细说明。
在所述的涂料组分中分散有压电粉末、磁性粉末和导电粉末。压电粉末能够在海水波浪的压力作用下基于压电效应产生交变电场。导电粉末分布于压电粉末之间，起到导电的作用，以增强材料内部因压电效应而产生的电流，以及由此产生的磁场。压电粉末能够在所产生的电场引起的磁场作用下在凝胶体系内以振动的方式运动，从而促使磁性水凝胶表面发生微形貌产生动态变化，模拟海洋生物的动态表皮特性。
所述压电粉末可选用钛酸钡、聚苯胺、聚吡咯中的一种。磁性粉末可选用磁性四氧化三铁、镍粉、镍锌铁氧体、锌铬铁氧体、镍铜铁氧体、铁钴镍合金等磁性物质中的一种或几种。所述导电粉末主要起到导电作用，基于船舶及海洋设施防腐性能的需要，导电粉末不易选择金属材料，可选择非金属导电材料，如石墨粉、氮化钛或者硼化物等，优选石墨粉。
所述涂料组分中，各成分的重量份数为：水溶性或亲水性高分子材料5~10份、水50~90份、压电粉末5-15份、导电粉末5-15份、磁性粉末5~30份、助剂1.5~3份。
交联剂组分的用量为涂料组分重量的3%—8%，催化剂组分的用量为涂料组分重量的6%—15%。
本发明压电/电磁混合驱动防污涂层材料的制备方法为：
（1）、按质量份数计，在分散机中加入5~10份聚乙烯醇树脂、50~90份去离子水和0.5~1份消泡剂，高速分散10min，待聚乙烯醇完全溶解在去离子水中后再继续添加5-15份导电粉末、5-15份压电粉末、5~30份磁性粉末和1~2份触变剂；之后加入30~40份的玻璃珠作为磨料进行砂磨，待涂料细度降至80μm以下时，用100目滤网过滤出料，得到涂料组分。
（2）、将0.5~2份二元醛和80~100份去离子水加入到分散机中，在500~1000rpm条件下高速分散2min，待二元醛与去离子水分散均匀后即可出料，二元醛的浓度控制在0.5%~2%，得到交联剂组分。
（3）、将5~10份质子酸和80~100份去离子水加入到分散机中，在500~1000rpm条件下高速分散2min，待质子酸与去离子水分散均匀后即可出料，质子酸的浓度控制在5%~10%，得到催化剂组分。
（4）、使用时，将涂料组分、交联剂组分和催化剂组分按比例勾兑，如按照质量比20:1:2的比例搅拌混合。搅拌均匀后即可进行施工，该电磁驱动型磁性水凝胶防污涂料可采用刷涂、辊涂、高压无气喷涂、空气喷涂等施工工艺进行施工，涂料中不含任何有机溶剂，绿色环保。
其中，聚乙烯醇树脂为牌号1788、1799、2088、2099、2399、2488、2499、2598、2699中的一种或几种。
所述的触变剂为亲水性气相二氧化硅、亲水性膨润土、硅酸镁锂中的一种或几种。
所述的消泡剂为水性有机硅消泡剂、水性聚醚类消泡剂、聚醚改性硅消泡剂中的一种或几种。
所述的二元醛为戊二醛、邻苯二甲醛、丙二醛、丁二醛、己二醛中的一种或几种。
所述质子酸为甲酸、乙酸、硫酸、盐酸、硝酸、酒石酸、高氯酸中的一种或几种。
按照下表所示的成分比例配料，并按照上述方法制成防污涂层材料。
将实施例1—3制成的防污涂层材料分别涂覆于试样表面，固化后得到试样。每个实施例均分为两组，每个实施例其中一组试样放置于静态海水池作为对比例试样，而另一组试样则放置于具有海水波浪冲击的实海中作为实施例试样，利用含有天然藻类作为污损生物来开展污损试验，采用扫描电镜分析两种环境下试样表面污损情况。
防污实验结果如图3所示，具有海水波浪压差的实海环境中，试样表面天然藻类无损生物数量相对于静态海水中明显减少。
实验表明，本发明的防污涂层材料可利用海水波浪压差使材料体系中产生交变电磁场来驱动体系中的磁性粉末在凝胶体系内振动，促使磁性水凝胶表面发生微形貌的动态变化，具有良好的污损生物抑制附着性能。

Claims (10)

1.一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料，包括在水溶性或亲水性高分子材料中添加水和助剂混合成的涂料组分，以及外加的交联剂组分和催化剂组分，其特征在于：在所述的涂料组分中还分散有能够在压力作用下基于压电效应产生电场的压电粉末、分布于压电粉末之间的导电粉末，以及能够在所产生的电场引起的磁场作用下运动的磁性粉末。
2.如权利要求1所述的一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料，其特征在于：所述涂料组分中，各成分的重量份数为：水溶性或亲水性高分子材料5~10份、水50~90份、压电粉末5-15份、导电粉末5-15份、磁性粉末5~30份、助剂1.5~3份；交联剂组分的用量为涂料组分重量的3%—8%，催化剂组分的用量为涂料组分重量的6%—15%。
3.如权利要求1或2所述的一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料，其特征在于：所述的压电粉末是钛酸钡、聚苯胺、聚吡咯中的一种。
4.如权利要求1或2所述的一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料，其特征在于：所述的磁性粉末是磁性四氧化三铁、镍粉、镍锌铁氧体、锌铬铁氧体、镍铜铁氧体、铁钴镍合金中的一种或几种。
5.如权利要求1或2所述的一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料，其特征在于：所述的水溶性或亲水性高分子材料为聚乙烯醇树脂。
6.如权利要求1或2所述的一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料，其特征在于：所述的导电粉末是石墨粉。
7.如权利要求1或2所述的一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料，其特征在于：所述的助剂为触变剂和消泡剂。
8.如权利要求1所述的一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料，其特征在于：所述的交联剂组分为二元醛与去离子水混合成的浓度0.5%~2%的醛溶液，催化剂组分为质子酸与去离子水配制成的浓度5%~10%的酸溶液。
9.如权利要求1—8任一项所述的一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料的制备方法，其特征在于：（1）、在分散机中加入聚乙烯醇树脂、去离子水和消泡剂，搅拌分散，待聚乙烯醇完全溶解在去离子水中后再继续添加导电粉末、压电粉末、磁性粉末和触变剂，制成涂料组分；
（2）、将二元醛和去离子水加入到分散机中，分散均匀后得到交联剂组分；
（3）、将质子酸和去离子水加入到分散机中，分散均匀后得到催化剂组分；
（4）、使用时，将涂料组分、交联剂组分和催化剂组分搅拌混合成涂料。
10.如权利要求9所述的一种压电/电磁混合驱动防污涂层材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，加入导电粉末、压电粉末、磁性粉末和触变剂后，砂磨将混合料细度降至80μm以下，过滤得到涂料组分。
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