藤壶剪切强度试验及探讨

许春生; 王天立; 姚敬华; 陶乃旺; 任润桃

doi:10.12020/j.issn.0253-4312.2018.1.59

涂料工业 >

2018 , Vol. 48 >Issue 1: 59 - 63

DOI: https://doi.org/10.12020/j.issn.0253-4312.2018.1.59

标准及检测

藤壶剪切强度试验及探讨

许春生 ¹ ,
王天立 ¹ ,
姚敬华 ¹^,² ,
陶乃旺 ¹ ,
任润桃 ¹^,²

展开

1. 中国船舶重工集团公司第七二五研究所厦门分部,福建厦门 361006
2. 海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室,福建厦门 361006

收稿日期: 2017-11-17

网络出版日期: 2018-05-03

版权

收起

Research on Measurement of Barnacle Adhesion Strength in Shear

Chunsheng Xu ¹ ,
Tianli Wang ¹ ,
Jinghua Yao ¹^,² ,
Naiwang Tao ¹ ,
Runtao Ren ¹^,²

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1. Xiamen Branch of Luoyang Ship Material Research Institute, Xiamen, Fujian 361101, China
2. State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, Xiamen, Fujian 361101, China

Received date: 2017-11-17

Online published: 2018-05-03

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摘要

简便有效的测试评价方法可以缩短防污漆的开发周期,为其实际应用提供可靠依据。评价低表面能防污漆的测试方法主要有动态模拟试验、藤壶剪切强度试验、涂层降阻试验等。本文以ASTM D5618—1994(2011)为参照进行低表面能防污漆和自抛光防污漆的浅海浸泡对比试验,测算藤壶剪切强度,通过对比试验探讨其防污性能等;通过推演的公式可用于估算剥离藤壶的水流剪切相对速率及航速,完善试验方法,使其更具实际应用意义和参考价值。

关键词： 低表面能防污漆; 藤壶剪切强度; 航速

本文引用格式

许春生 , 王天立 , 姚敬华 , 陶乃旺 , 任润桃 . 藤壶剪切强度试验及探讨[J]. 涂料工业, 2018 , 48(1) : 59 -63 . DOI: 10.12020/j.issn.0253-4312.2018.1.59

Abstract

Simple and effective test evaluation methods can shorten the development cycle of antifouling paints and provide reliable basis for its practical application. The main testing methods of evaluating low surface energy coatings include dynamic test method, measurement of barnacle adhesion strength in shear and coatings frictional resistance test, etc. Based on the test standard ASTM D5618—1994 (2011) as a reference, contrast tests for low surface energy coatings and self-polishing antifouling coatings immersed in sea have been carry out. Then the force required to remove the barnacle is measured. The barnacle adhesion strength in shear is calculated, and the antifouling performance is discussed. With the help of deductive formulas, the minimum requirements of seawater relative velocity in shear and navigational speed to remove the barnacle can be determined, and the test methods can be modified for more practical and referential.

Key words： low surface energy coatings; barnacle adhesion strength in shear; navigational speed

低表面能防污漆是当前防污漆研发的热点之一,其低表面能特性(表面能低于25 mJ/m²,即涂层表面与液体的接触角大于98°^[1])可以阻止污损生物在涂层表面润湿铺张、附着,该类涂料主要分为有机硅系列、有机氟系列、氟硅系列和具有超疏水表面(接触角大于150°)的低表面能防污漆。低表面能防污漆的防污机理是利用涂层的疏水结构和低表面能等物理特性使污损生物不易在涂层表面附着,或者附着不牢固,即使附着亦容易在外力作用下脱附,从而达到防污效果,因此也称为污损释放型防污漆。多家知名涂料公司已有成熟的低表面能防污漆能达到浅海浸泡(厦门海域)2 a或3 a以上的防污效果。低表面能防污漆同时具有良好的减阻性能,为航运节能减排,产生经济和环保效益。

由于低表面能防污漆的防污机理有别于依靠释放防污剂杀死或驱散污损生物为目的的常规防污漆,因而其测试评价方法也不尽相同,当前评价低表面能防污漆的试验方法主要有动态模拟试验、藤壶剪切强度试验、涂层降阻试验等。依照GB/T 6822—2014《船体防污防锈漆体系》分类,低表面能防污漆属于Ⅲ类防污漆(FRC),防污性能型式检验方法为动态模拟试验,先浅海浸泡后加速模拟试验,合格判定放宽至硬壳污损生物覆盖面积不大于25%,有别于GB/T 7789—2007《船舶防污漆防污性能动态试验方法》的判定条款。目前藤壶剪切强度试验国内尚无试验标准,国外有试验标准ASTM D5618—1994(2011),通过测量附着在试验涂层表面藤壶的剪切力,并计算剪切强度,以考察污损生物附着的强弱,从而评价试验涂层的防污性能等。涂层降阻试验可参照GB/T 7791—2014《防污漆降阻性能试验方法》,由于海洋污损生物的附着会提高涂层表面的粗糙度,增加船舶航行摩擦阻力及能耗^[2,3,4],大大削弱低表面能防污漆的降阻效能,因而对于低表面能防污漆而言要提升涂料的降阻性能首先应具备良好的防污性能。

藤壶属于节肢动物门甲壳纲,蔓足亚纲,藤壶亚目,其家族成员有500多种,在我国约有 110多种^[5],分布广泛,是世界沿海港口和海湾的主要污损生物^[6],也是防污涂层上常见的污损生物优势种及最初附着生长物种之一,并可成为附着点次生其他污损生物,它通过分泌粘性极强、可在水下交联聚合的藤壶胶牢固地粘附在船舶和各种海工设施表面,业已成为污损生物防除的重点对象。本文主要参照ASTM D5618—1994(2011)的试验方法,通过防污漆试样在厦门海域的浅海浸泡试验,测算附着藤壶的剪切强度,并加以探讨。

1 试验部分

浅海浸泡:选取3种低表面能防污漆(代号A、B、C)和2种自抛光防污漆(代号D、E)作为试验样品。依照GB/T 5370—2007《防污漆样板浅海浸泡试验方法》中的试验规范及防污漆产品的涂装工艺要求进行样板制备,每个样品制备3个平行样,样板制好后及时投入海水中进行浅海浸泡试验,定期检查记录。

检测仪器:推拉力计(精度±0.5 N,测试范围0~200 N,可显示测量峰值);游标卡尺。

藤壶剪切强度测试:参照ASTM D5618—1994(2011)的试验规范,分别在浸泡试验1 a、2 a、3 a时筛选符合条件的藤壶,采用推拉力计进行剪切力F_s测试,采用游标卡尺测量藤壶附着底面直径d等,按照式(1)、式(2)计算附着底面积A、藤壶剪切强度τ_s:

式(1)

A = 14 π d 2

式(2) τ_s=F_s/A

2 结果与分析

表1列出了A、B、C、D、E 5种防污漆在3 a浅海浸泡试验过程中所测得藤壶剪切强度试验数据,除了产品E 3年期有个别藤壶附着底面剥离面积大于95%外,其余均是100%剥离,符合ASTM D5618—1994(2011)中剥离面积不得低于90%的技术要求。

表1 5种防污涂层试验测算结果

Table 1 Test results of five antifouling coatings by measuring and computing

项目		样品
项目		A			B			C			D			E
浸泡时间/a		1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3
涂层表面附着生长藤壶	藤壶数量/个	0	19	8	3	9	11	0	0	0	0	5	2	0	2	7
	直径跨度/mm	0	10.0~17.0	12.2~17.6	10.2~12.0	8.1~14.1	12.2~22.1	0	0	0	0	12.0~16.9	6.4~18.4	0	8.9~10.9	12.8~17.8
	剪切力跨度/N	0	1.6~9.2	4.5~15.3	3.4~5.2	3.8~15.0	2.1~21.5	0	0	0	0	21.7~59.2	8.7~115.7	0	9.6~48.8	27.1~93.9
	剪切强度跨度及平均值 10^-2 MPa	0	1.3~4.0 (2.6)	1.8~9.7 (5.0)	3.2~6.4 (4.5)	4.0~12.4 (8.3)	1.3~6.5 (4.2)	0	0	0	0	19.2~38.4 (31.2)	27.0~43.5 (35.2)	0	15.1~51.3 (33.2)	21.1~41.3 (31.6)
涂层破坏附着生长藤壶	藤壶数量/个	1	1	3	0	0	2	0	1	4	0	0	0	0	0	0
	直径跨度/mm	15	17	13.8~20.6	0	0	13.0~17.2	0	10	14.3~20.2	0	0	0	0	0	0
	剪切力跨度/N	8	10	24.4~61.1	0	0	15.6~47.1	0	14	13.3~49.9	0	0	0	0	0	0
	剪切强度跨度及平均值/ 10^-2 MPa	4	5	13.1~24.0 (17.8)	0	0	11.8~20.3 (16.0)	0	18	4.2~22.5 (13.6)	0	0	0	0	0	0

由表1可见,3种低表面能防污漆的藤壶剪切强度要低于2种自抛光防污漆数倍,符合其设计理念。其中A表面的藤壶剪切强度随浸泡试验时间延长略有增长,B表面的藤壶剪切强度先上升后降低恢复,A和B这种差异化表现可能与其经过长时间的海水浸泡及生化作用改变其涂层表面性能程度有关。

图1为低表面能防污漆A、B、C浅海浸泡阶段涂层表面状况。

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图1 低表面能防污漆A、B、C浅海浸泡阶段结果

Fig.1 The staged result of low surface energy coatings A,B,C immersed in sea

从图1可以看出,B涂层经过3 a浸泡未附着海生物,依然能保持整洁的外观,保持良好的低表面能状态,而A涂层则不能,这与其藤壶剪切强度的变化特点相符。C涂层表面的藤壶以涂层内附着生长为主,随着藤壶长大,涂层遭破坏的面积增大,从浸泡试验结果来看,C涂层表面光滑整洁,防污性能很好,表明其涂层表面具有较好的疏水结构和低表面能等特点,保证其防污延续性;在光滑表面不易被附着的情况下,个别孔隙便是其防污薄弱点,成为藤壶等污损生物附着生长的突破口,因而其上附着藤壶主要以涂层内附着生长便合乎情理。

从藤壶剪切强度平均值来看,自抛光防污漆D和E两者相近,且随时间变化幅度不大,也表明自抛光防污漆具有相对稳定的涂层表面。另外,试验结果表明藤壶剪切力与藤壶附着底面积并不存在明确的增长关系,这可能与附着面的粗糙度、表面能、弹性模量、藤壶的胶着状态等有关。

涂层破坏附着生长藤壶主要有3种情况(见图2):涂层内生长、划痕处生长、涂层剥离生长。实验结果表明,此类藤壶的剪切强度明显要高于表面附着的藤壶的剪切强度;由于低表面能涂层覆涂性差、不易修复,并且这种破坏可能会在污损生物新陈代谢过程中带来恶性循环,造成更多破坏,这就要求低表面能防污漆不仅要有好的疏水结构和低表面能,也要有坚韧而光滑的涂层表面,抗击外力破坏,以维持其长效防污。

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图2 试验涂层上藤壶附着生长及剪切状态

Fig.2 Adhesion condition and sheared feature of barnacles on testing coatings

3 水流剪切相对速率及航速的估算

3.1 公式推演

当藤壶附着涂层面与水流方向平行时,水流经过藤壶受阻时产生的阻力与藤壶所受剪切力相等,根据流体阻力公式可得:

式(3)

F = 12 C D ρS v s 2

其中,F—藤壶所受剪切力,N;C_D—阻力系数;ρ—海水密度,kg/m³;S—藤壶受水流冲击横截面积,m²;v_s—水流剪切相对速率,m/s。

设藤壶顶面直径为d₁,底面直径为d₂,体高为h₁,则横截面积:

式(4)

S = 12 (d 1 + d 2) h 1

由式(3)、式(4)得:

式(5)

v s = 4 F (d 1 + d 2) C D ρ h 1

根据力平衡关系:

式(6)

F = F s + f

其中,F_s—将试验样板提出水面所测得的藤壶剪切力,N;f—藤壶所受水压产生的最大静摩擦力,N。

藤壶在水中所受水压产生的最大静摩擦力f:

式(7)

f = μρg h 2 A

其中,μ—附着面静摩擦系数;h₂—藤壶附着面所处水深度,m;A—藤壶附着底面积,m²。

由式(1)可知:

A = 14 π d 22

,则:

式(8)

f = 14 π d 22 μρg h 2

由式(5)、式(6)、式(8)可得:

式(9)

v s = 4 F S + π d 22 μρg h 2 (d 1 + d 2) C D ρ h 1

从而得到能使藤壶从行船上脱附的航速v:

式(10)

v = v s ± v w

其中,v_w—船行方向海水平均流速,m/s。

顺流航行取正值,逆流航行取负值。

3.2 应用意义

通过藤壶剪切强度试验,一方面可以考察低表面能防污漆浸泡在天然海水中(低流速,通常在2 m/s以下)的防污能力,可与动态模拟试验[模拟速度(9±1)m/s]结果形成对照;另一方面只要测量获取相关参数,便可通过式(9)、式(10)算出使藤壶从附着涂层面脱附所需航速,对于低表面能防污漆的开发和实际运用具有指导意义。

例如,防污漆B涂层表面一附着藤壶的试验数据为:F_S=2.1 N,d₁=6.1×10^-3m,d₂=14.4×10^-3m,h₁=8.8×10^-3m,h₂=0.6 m,ρ=1.025×10³ kg/m³,μ=0.65,C_D=0.5 (C_D=0.4~0.65^[7],这里取0.5),v_w=0.5 m/s,根据式(9)、式(10)可算出使该附着藤壶脱附的水流剪切相对速率v_s=10.9 m/s,航速v=(10.9±0.5)m/s。

4 结语

(1) 藤壶剪切强度对比试验,表明文中选用的3种低表面能涂层比2种自抛光涂层在使附着污损生物脱附能力方面具有明显优势,同时也表明低表面能防污漆若想获得长效防污,不仅要有好的疏水结构和低表面能,也要有坚韧而光滑的涂层表面。

(2) 藤壶剪切强度试验是对浅海浸泡试验的扩容,不仅考察了防污漆在浅海浸泡期间的防污能力,并且测试了常见污损生物——藤壶的脱附剪切力,通过计算获得藤壶剪切强度,反映污损生物释放清除难易程度,为检验低表面能防污涂层表面防污性能这一关键技术提供可靠依据。

(3) 依据藤壶剪切强度试验数据及公式计算,可估算使附着藤壶脱附所需航速,可为低表面能防污漆的开发和实际运用提供重要参考。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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