海洋生物污損( marine fouling)是指海洋中的動(dòng)物、植物或微生物在海洋結(jié)構(gòu)物表面附著、定殖、生長、腐蝕的過程，該過程會(huì)造成船舶、海洋監(jiān)測儀器、海底管道、海上及濱海構(gòu)筑物的腐蝕。

海洋生物污損主要由微生物腐蝕和生物附著造成，污損不僅會(huì)增加船體的質(zhì)量和表面粗糙度，增加摩擦力帶來額外的燃料消耗；還會(huì)減小跨海大橋、海底管道及海上構(gòu)筑物的強(qiáng)度，甚至降低海洋監(jiān)測設(shè)備的精度，導(dǎo)致海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的失真。

此外，由于船舶具有遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，附著微生物會(huì)隨著船只的航行遷移至其他地方，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡構(gòu)成沖擊，引發(fā)外來物種入侵的風(fēng)險(xiǎn)。

研究表明，每年由于海洋污損造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)4400 億美元，因此海洋污損事件是政府、公眾和學(xué)界共同關(guān)心的議題。




圖“瓦良格”號(hào)污損清理前后圖

近年來，人們從微觀和宏觀兩個(gè)角度對(duì)污損問題進(jìn)行了大量研究。

從微觀角度看 一部分微生物在材料表面附著的過程中會(huì)產(chǎn)生胞外分泌物（EPS）與微生物一起形成微生物膜（biofilm）。膜內(nèi)的pH值、溶解氧、氧化還原電位、溫度、鹽度等理化條件與周圍環(huán)境有很大的差別，為微生物的生長繁殖提供了良好的環(huán)境［11］，吸引海洋藻類、孢子、幼蟲等積聚在條件膜表面進(jìn)一步生長、發(fā)育與富集，并促進(jìn)大型海洋生物藤壺、貽貝等定殖于結(jié)構(gòu)物上，從而形成牢固的堆積狀結(jié)構(gòu)。

從宏觀角度看 海洋中廣泛存在的殼類（藤壺、貽貝、苔蘚蟲類）、軟體類（細(xì)菌、藻類、被囊類）污損生物，在船舶下水后很短時(shí)間內(nèi)就憑借各種各樣的方法向船體表面附著。

藤壺類通常是先分泌出一種疏水蛋白質(zhì)，通過半胱氨酸鍵附著到船體表面；貽貝類往往是通過觸角分泌足絲粘附在船體表面，這些足絲大部分是膠原蛋白構(gòu)成，同時(shí)還具備一些親水的多酚類粘附蛋白；硅藻會(huì)通過分泌中性或酸性的多糖黏液實(shí)現(xiàn)附著。




圖部分污損生物尺寸分布及主要附著機(jī)制

美國伍茲霍爾海洋研究所根據(jù)鹽度、透明度、溫度和微量營養(yǎng)素上不同，將世界海洋劃分為十二個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域的污損生物的分布都有很大的差異，所以單一的疏水/親水基防污涂層無法實(shí)現(xiàn)全面防護(hù)。




世界海洋中的12個(gè)污損區(qū)域（伍茲霍爾）。1=北冰洋；2=北太平洋；3=北大西洋和北海；4=波羅的海；5=南太平洋；6=下加利福尼亞，包括加利福尼亞灣；7=墨西哥灣和加勒比海；8=大西洋中部；9=地中海；10=南大西洋；11=印度洋；12=南極洲。

海洋生物通過分泌各種粘液，浸潤船體表面的涂層，隨后吸附并擴(kuò)散進(jìn)入涂層內(nèi)部，從而形成粘附。

粘附主要通過化學(xué)鍵合、機(jī)械鎖合、靜電作用、擴(kuò)散機(jī)制這四種機(jī)制中的一種或多種實(shí)現(xiàn)牢固粘附，要想使污損生物脫附，就要破壞這些結(jié)合機(jī)制。從斷裂力學(xué)的角度來看,要將生物層和涂層剝離，臨界的剝離力Pc與涂層的一些性質(zhì)有關(guān)（Kendall (1971)）：




其中，t為膜厚，r為接觸半徑，K為彈性模量，Gc為格里菲斯斷裂能（與涂層的表面能正相關(guān)）。

從公式中可以看出，生物層與涂層的剝離力與涂層的表面能和彈性模量呈現(xiàn)正相關(guān)，與涂層厚度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，越小的表面能、越小的彈性模量和越厚的涂層，所需要的剝離力就越低，越容易從涂層上脫落。

上述公式中描述的參數(shù)是在防污涂層設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的影響因素，在實(shí)際去除污損的時(shí)候，會(huì)在涂層中加入一些有毒物質(zhì)，或是降低涂層表面能（低表面能涂層），或是連帶著污損生物一起脫落（自拋光涂層）。除涂層外，也會(huì)采取一些輔助方法去除污損生物，常用的有電解防污和動(dòng)力工具去除的方式。

電解防污 電解防污是通過電解產(chǎn)生一定濃度的殺滅污損生物物質(zhì)（次氯酸根、銅離子等），需要在封閉或半封閉的場景中應(yīng)用。

動(dòng)力工具去除 以往的動(dòng)力工具由人員攜帶下水清理，現(xiàn)在以發(fā)展出水下機(jī)器人替代人工作業(yè)。水下機(jī)器人通過電動(dòng)刷或高壓水的方式，主要在船舶靠港時(shí)候進(jìn)行清理作業(yè)，但水下機(jī)器人需要在一定可視范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，在黃海、東海部分海域海水渾濁，水下能見度很差，就很難進(jìn)行機(jī)器人清理作業(yè)。此外，對(duì)于已經(jīng)牢固附著的污損情況，清理時(shí)會(huì)將面漆也一同破壞，需要后續(xù)的面漆修補(bǔ)操作。

上海船舶工藝研究所一直秉持?jǐn)?shù)字化、綠色化的發(fā)展理念，堅(jiān)持高長效防腐防污技術(shù)在極深極遠(yuǎn)極熱極寒等嚴(yán)酷海洋環(huán)境下發(fā)展方向，長期致力于數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、苛刻海洋環(huán)境工程材料蝕損機(jī)制研究及檢驗(yàn)遴選、長效防腐防污關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)及規(guī)?；瘧?yīng)用?，F(xiàn)已開發(fā)“揭帖式防污衣”、“石墨烯系高效防污涂層”、“船用電解防污設(shè)備”等防污技術(shù)與裝備。




圖為水下清理機(jī)器人 

目前，尚未發(fā)現(xiàn)與海洋生物完全不結(jié)合的表面。數(shù)萬年的進(jìn)化給這些生物配備了粘合器官、物質(zhì)和技術(shù)，使它們能夠生活在任何它們遇到的表面上。我們只能通過最大限度地減少界面粘接能，并促進(jìn)和加速污損粘著的失效來實(shí)現(xiàn)防污。

在通過涂層進(jìn)行防污應(yīng)用時(shí)，涂層的彈性模量和厚度對(duì)界面的強(qiáng)度有著決定性的影響，根據(jù)污垢與涂層界面斷裂力學(xué)分析，具有低彈性模量和低表面能的厚涂層能夠使表面的污損更易去除。