船舶在低速运行或停航状态下,螺旋桨铜合金基材表面易形成黑色的氧化膜[1],为污损海生物(藤壶、石灰虫、海鞘等)的附着提供了基础,导致螺旋桨表面粗糙度显著增大,厚度增加。尤其在南海等高温海域,污损海生物生长旺盛,短时间内就会造成螺旋桨表面严重污损[2,3]。由此导致螺旋桨推进效率显著下降,同时,污损海生物代谢所产生的酸性物质会加速螺旋桨基材的腐蚀[3,4,5]。在高速航行状态下,由于螺旋桨的几何形状设计难以满足流体力学的理想要求,并且受制于加工条件,导致桨叶表面局部区域形成涡流,在低压区引起溶解气体的析出或者介质的汽化形成气泡,进入高压区时气泡瞬间溃灭形成强烈的冲击波。气泡不断形成并不断溃灭,从而对基材表面产生循环磨损,引起空泡腐蚀,空泡腐蚀现象会显著缩短螺旋桨等机械构件的服役寿命[6,7,8]。目前对螺旋桨耐空泡腐蚀方法的研究主要集中在材料本身的性能上[9,10,11],而对涂层防护技术的研究较少。
目前国外在船舶螺旋桨耐空泡腐蚀防污涂层技术方面已开展了深入的研究工作,并已取得大量成功应用案例,而国内在此方面的研究尚处于起步阶段。本文采用国际上成熟的弹性体污损释放型防污涂层技术,同时结合船舶螺旋桨的实际服役工况,设计了高附着力底漆/弹性缓冲漆/耐空蚀防污连接漆/耐空蚀有机硅防污面漆的复合体系,研制出一种兼具耐空泡腐蚀功能和防污功能的涂料配套体系。高附着力底漆能够将耐空蚀防污涂料体系牢固粘结在高电位铜合金基材表面;弹性缓冲漆负责三次缓冲空泡溃灭时产生的冲击能;耐空蚀防污连接漆为面漆提供优异的粘结作用,同时二次缓冲空泡溃灭时产生的冲击能;耐空蚀有机硅防污面漆能够一次缓冲空泡溃灭时产生的冲击能,同时使得污损海生物难以附着[12,13]。
1 实验部分
1.1 主要原料
主要原料如表1所示。
表1 主要原料Table 1 Main raw material |
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注:以上原料均为工业级。 |
1.2 实验方法
高附着力环氧底漆、缓冲弹性环氧漆、弹性有机硅连接漆和耐空蚀有机硅面漆均为自制。试验方法如下:
(1)接触角及表面张力的测定:取纯净的2 μL去离子水,采用SL200B型接触角测量仪(上海梭伦信息科技有限公司),测定经过洁净处理的本实验制备的涂层的接触角、表面能。
(2)弹性模量:制备所得涂料的标准样条,采用万能试验机(上海华龙产电子厂)测定弹性模量。
(3)耐空蚀试验:参照ASTM G32—2010和GB/T 6383—2009,采用XOQS-2500超声波空蚀试验机(南京先欧仪器制造有限公司)测定耐空蚀性能,试验频率为20 kHz,振幅为25 μm,温度25 ℃,对冲间距2 mm,记录涂装复合体系涂层样柱质量变化。
(4)静态实海挂板试验[14]:参照GB/T 5370—2007,在青岛中港海洋化工研究院有限公司海上试验站进行配套涂层的静态实海挂板试验,并定期进行查板、记录。
(5)划水试验:在600 L圆桶内装入海水,并加入砂粒。在直径300 mm螺旋桨表面涂覆配套涂层体系,以500 r/min转速旋转,记录配套涂层表面状态。
(7)水筒试验:在中国船舶工业舰船总体性能试验检测中心进行水筒试验,考察螺旋桨模型涂覆配套涂层前后的水动力性能变化。
(8)实船应用试验:在实船螺旋桨表面涂覆耐空泡腐蚀防污涂料配套体系,并及时跟踪记录试验结果。
2 结果与讨论
2.1 基体树脂体系的改善
从图1可以看到,以不同黏度端羟基有机硅树脂制备的涂层,在初始状态下的表面能相差无几,均在21.5 mJ/m2左右。随着时间的推移,Si① 、Si② 和Si③ 涂层仍能够维持较低的表面能,Si④ 和Si⑤ 涂层表面能呈现逐渐增加的趋势,经过60 d的人工海水浸泡后,涂层表面能已上升至23.0 mJ/m2左右。说明有机硅树脂(端羟基具有较高的表面能)相对分子质量的减小对维持涂层表面能的稳定性能更有优势。
由图2可以明显看得,树脂相对分子质量增加的同时,涂层的弹性模量降低。这是由于随着树脂相对分子质量的升高,链段增长,拉大了交联点之间的距离,导致涂层的强度降低,弹性模量随之降低。随着树脂相对分子质量的不断增大,交联密度所占比率逐渐下降,因此弹性模量下降趋势逐渐平缓。但涂层弹性模量过高时,污损海生物的附着强度也会增加,不利于防污性能的提高,并且交联密度过高会导致低相对分子质量硅油渗出阻力的增加。因此,综合考虑各种影响因素,选取黏度为4 000 mPa·s的有机硅树脂为涂料基体。
2.2 耐空蚀试验
2.3 静态实海挂板试验
图5所示是复合体系涂层在34个月时的静态实海挂板照片,样板基材是铜合金。
由图5可知,挂板上附着了许多污损海生物,而其中以海绵为主,因其与挂板有着较大的接触面积。导致该结果的原因是由于涂层不含任何防污剂,并处于静止状态。挂板经被海水冲洗,表面附着的绝大多数物质被冲落,而涂层依然维持良好的表面状态。从局部细节图中可以看到,涂层划痕(深度至铜合金基材)处没有发生任何膜下扩散现象。
2.4 划水试验
图6所示为涂装不同复合体系涂层的螺旋桨在500 r/min转速下,经过300 h划水试验后的表面状态。其中,(A)、(B)桨叶采用高附着力底漆/耐空蚀防污连接漆/耐空蚀防污面漆的复合形式,(C)、(D)桨叶采用高附着力底漆/弹性缓冲漆/耐空蚀防污连接漆/耐空蚀防污面漆的复合形式。
从图6可以看到,所有桨叶涂层整体较为完好,但(A)、(B)桨叶导边处涂层出现小面积区域破损现象,(C)、(D)桨叶涂层保持完好,无任何破损区域,说明其涂料整体性能更为优异。
2.5 减阻性能试验
使用自制测阻仪测量复合体系涂层在各个转速下的转矩。分别根据式(1)和式(2)计算旋转雷诺数以及涂层摩擦转矩系数,并与目前通用的自抛光涂层进行性能对比。
式中:ω—旋转角速度,rad/s;r—圆盘半径,m;γ—液体运动黏度,m2/s;Φ—旋涡因子,取0.854。
式中:Q—转矩,N·m;ρ—液体密度,kg/m3。
图7描述了耐空蚀防污复合体系涂层以及自抛光涂层的摩擦转矩系数和旋转雷诺数间的关系。
由图7可知,当旋转雷诺数不断上升时,2种涂层的摩擦转矩系数均呈下降趋势。当旋转雷诺数较小时,随雷诺数的增大,转矩系数迅速减小;而当雷诺数较大时,转矩系数下降速度减慢,曲线近似平衡。由此可见,2种涂层的变化曲线均符合雷诺数效应,涂层的粘性和摩擦阻力均随雷诺数的增加而下降。在各雷诺数下,耐空蚀防污复合体系材料的转矩系数都低于自抛光型,表现出显著的减阻性能,当雷诺数较小时,这种性能体现得更为明显。
2.6 螺旋桨模型空泡水筒试验
设定水筒内恒定水流速率为3.5 m/s,调整螺旋桨模型的速率达到设定的进速比,记录实验中的推力和扭矩,利用式(3)和式(4)分别计算进速比和推力系数。
式中:J—进速比,无量纲;v—水流速度,m/s;n—桨模转速,r/s;D—桨模直径,m。
式中:KT—推力系数,无量纲;T—桨模推力,N;ρ—水密度,kg/m3。
扭矩系数计算公式如式(5)所示。
式中:KQ—扭矩系数,无量纲;Q—桨模扭矩,N·m。
2.7 海水浸泡过程中耐空蚀涂层表面能的变化
将本文制备的耐空蚀防污涂层放在海水中自然浸渍,然后定期测定其表面能,图9为涂层表面能随时间的变化趋势。
由图9可以明显得出:经过1 a的浸泡时间,本实验制备的涂层的表面能一直在22.0 mJ/m2左右,表明涂层表面能在海水中表现出较好的稳定性。
2.8 实船螺旋桨涂装应用试验
耐空蚀防污配套体系采用复合涂层体系,头道底漆采用纯环氧体系,以保证与基材之间优异的封闭性能和抗渗性能,以及涂层在长期浸泡下的高附着力,同时能够有效防止涂层在局部破坏时腐蚀的迅速扩散和大面积脱落。二道底漆采用弹性环氧体系,以保证与前道和后续涂层之间优异的连接强度,同时起到三次缓冲冲击机械能的作用。耐空蚀防污连接层用于将耐空蚀防污面层牢固地粘结在二道底漆上,同时起到二次缓冲冲击机械能的作用。耐空蚀防污面层用于阻止污损海生物的粘附,同时能够起到首次缓冲冲击机械能的作用。整个配套涂层体系通过将空泡瞬间溃灭产生的机械能转换为热能,并由流动的海水转移消散热量,从而起到耐空泡腐蚀的作用。表3为耐空蚀防污涂料配套体系组成以及膜厚介绍。
表3 耐空蚀防污涂料配套体系Table 3 Anti-cavitation antifouling coating system |
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图10所示为配套耐空蚀防污涂料体系的实船涂装应用照片。
从图10能够看出,涂层外部仅有少量污损海生物附着,附着面积≤20%,没有影响螺旋桨水动力性能。与之前附着大量污损海生物的情况相比,具有明显的改善。从图中还可以看出,涂层外部附着的污损海生物很容易被冲掉,涂层外部的水滴不易铺展开,涂层仍能维持较低的表面能。
在青岛海域进行了2次小型螺旋桨耐空泡防污涂层体系的实船涂装试验,目前正在积极跟踪试验结果。实船涂装试验见图11。施工方式采用高压空气喷涂,将喷枪的入气气压减至0.14~0.28 MPa。另外相应于压力的减少,喷涂时需要装备口径较大的喷嘴,建议孔径在Φ1.3 mm左右。减压能大幅度节省涂料消耗,也有助于获得较为平滑的喷涂表面。将雾化尽量减至最低,在操作中可将压力稍微调高至刚好雾化的程度。出漆量应尽量减至最低,这样既可节约涂料,又可喷出均匀的涂层。喷涂时手部的移动应和工件表面保持平行,移动速度要缓慢均匀。喷枪与工件之间的距离在20~30 cm,主要视涂料的黏度和喷枪的压力而定。
3 结 语
(1)有机硅树脂(端羟基具有较高的表面能)相对分子质量的减小对于涂层表面能的稳定更有优势,综合考虑各种影响因素,选取黏度为4 000 mPa·s的有机硅树脂为耐空蚀防污涂层基体树脂。
(2)耐空蚀防污涂层体系经过100 h的对冲空蚀试验后,涂层表面仅有轻微失光现象,表明该涂层具有优秀的耐空蚀性能。
(3)耐空蚀防污涂层体系经过300 h划水试验后,所有桨叶涂层整体较为完好,采用高附着力底漆/耐空蚀防污连接漆/耐空蚀防污面漆体系的2个桨叶导边处涂层出现小面积区域破损现象,采用高附着力底漆/弹性缓冲漆/耐空蚀防污连接漆/耐空蚀防污面漆体系的2个桨叶涂层保持完好,无任何破损区域,说明其涂料整体性能更为优异。
(4)与自抛光型防污材料对比,耐空蚀防污复合体系材料在各雷诺数下的摩擦转矩系数都比较小,表现出显著的减阻性能,在雷诺数较小的情况下,减阻特性更为明显。
(5)耐空蚀防污涂层体系经实船螺旋桨涂装试验后,涂层基本无任何损坏,表面憎水性保持良好,海生物易冲掉,并对桨的推进效率有益。
本文所研制的耐空泡腐蚀防污涂料配套体系,不含任何防污毒剂,有利于施工人员健康和海洋环境安全环保。耐空泡腐蚀和防污效果明显,整体换装和局部修补方便,并且具有一定的减阻作用,对保障船舶螺旋桨推进效率,延长服役寿命具有重要的意义,能够为我国船舶螺旋桨提供一种简便高效的空泡腐蚀和海生物污损解决方案。