海洋生物附着在船体表面，不仅会造成经济损失，还可能引发环境破坏。生物污物的堆积会增加船体的粗糙度，这不仅直接影响燃油消耗，进而导致船舶空气污染物的排放量增加，还会提高非本地潜在入侵物种的传播风险。
对航运业而言，最大经济损失是由于对水动力性能的不利影响而导致的燃料消耗增加，如表1所示。海水进水口、热交换器及其他系统部件中生物污物的滋生，还会产生额外的维护成本。船体污物会影响船舶的整体能源效率，进而影响船东实现其碳足迹减排目标的能力。
国际海事组织（IMO）2020年关于硫氧化物（SOx）排放法规已正式实施，该法规禁止使用硫含量超过0.5%的燃油，除非船舶配备经批准的废气净化系统（洗涤器），这是航运业面临的主要挑战之一。无论是通过改装洗涤器，还是使用替代燃油来满足硫含量限制要求，都需要付出高昂成本。燃油效率对所有船舶而言都至关重要，尤其在当前可能以燃油价格波动为特征的过渡期内。
图1：浸没表面的生物污物机制
任何浸入海水中的表面，都会在几分钟内被一层调节膜覆盖。随后的2至3周内，会逐渐形成微污物（黏泥）和宏观污物（水草及动物污物）（图1）。污物生物的数量与种类丰富度，取决于海水温度、盐度、pH值及营养物质可利用性等环境条件（图2）。污物在船体表面的附着强度，则取决于涂层控制污物的能力。受气候变化影响，预计平均海面温度将会上升，这可能会增加污物生长的风险。
图2：全球的海水温度
防污物措施失效会增加非本地潜在入侵物种的传播概率，进而对生物多样性构成威胁。根除入侵物种是一项困难、耗时且成本高昂的工作。减少因非本地物种迁移而引发的生物安全风险，已成为全球各国政府及国际监管机构日益关注的问题。已有案例显示，部分船舶因生物污物过量被认定存在生物安全威胁，被勒令驶离领海。此类事件会导致船期延误，并为船东和运营方带来滞期费、生物污物治理费以及机会成本等方面的额外支出。
为了推动全球采用统一的生物污物管理方法，国际海事组织（IMO）海洋环境保护委员会（MEPC）于2011年通过了《船舶生物污物控制与管理指南》，旨在最大限度地减少入侵水生物种的传播。此后，又补充发布了《休闲船舶生物污物（船体污物）管理指南》，以进一步降低入侵水生物种通过休闲船舶传播的风险。
由于这些指南尚未具备国际约束力，一些监管机构已制定国家或联邦层面的法规，要求依据指南建议，提交主动生物污物管理策略的相关证明。例如，美国加利福尼亚州自2018年1月起，要求所有船舶提供有效的生物污物管理计划或记录册，并在每个日历年首次靠港时提交《船舶年度报告表》。在新西兰，生物污物管理受《船舶风险管理标准》约束，该标准要求所有船舶抵港时必须具备“干净的船体”状态。“干净的船体”的定义因船舶行程而异——例如，短期停留（停留时间少于21天）的船舶，允许船体存在黏泥层、鹅颈藤壶，以及少量（覆盖率低于5%）的“偶发性”污物。
保持船体无生物污物附着可能颇具挑战性，而一旦船体被生物污物附着，船东和运营商可采取的措施是有限的，可能成本高昂且耗时，具体措施包括以下几种。
水下作业（清洁）：主动性的水下清洁，也称为“养护性清洁”，是一些运营方正在探索的策略。但水下清洁作业需经过周密规划与管理，因为清洁频率和方式会对涂层的性能、使用寿命和完整性产生严重影响。同时，由于担心清洁过程中杀生物剂释放造成化学污染，监管机构也在密切审查水下清洁作业工艺。未来，监管机构可能会要求提供不同类型的水下清洁作业所产生的化学物质排放数据。目前多个地区已经开始实施水下清洁作业的限制或禁令，这给船舶运营带来了额外的难题，也使得船舶难以遵守全球各地的生物污物管理法规。
干船坞维修：船舶到干船坞的需求是由监管要求驱动的，而两次进坞的间隔时间则取决于船舶船龄及其他因素。坞修流程首先是高压淡水冲洗，随后通过超高压（UHP）水射流或喷砂清理以去除所有的受损涂层。全面/局部喷砂清理完成后，依次涂覆防腐涂料、连接涂料，最后涂覆防污物涂料。坞修过程中产生的废弃涂层、污物、黏泥及使用过的喷砂磨料，均需按危险废物处理。超高压冲洗用水通常会经过过滤，而废油漆罐和空油漆罐则必须统一收集并进行相应处理。
综合考虑这些因素，选择合适的防污物方法并非易事。在挑选最优方案时，涂层性能的评判标准已不再局限于防污物特性本身。涂层需在各种运营条件下提供可靠、可预测的防污物效果，同时还需具备承受水下作业频率可能增加的能力。
“最优涂层性能”是一个相对概念，参与该流程的各方对其定义和理解各不相同。用于定义“涂层性能”的一些参数示例包括：
由于在防污物层面，影响涂层性能的因素众多，因此选择过程至关重要——需充分了解现有产品的性能与特性，并将其与每艘船的航行模式相匹配，以实现最佳的在役性能。
无杀生物剂技术
污物控制是通过使用无杀生物剂技术和含杀生物涂层来实现的。目前可用的无杀生物剂技术包括污物释放涂层、硬质涂层、超声波技术等，其特点如下。
污物释放涂层（FRC）通常以有机硅为基质，其核心特性是低表面能与弹性体属性，可阻止污物附着。但这类涂层易受黏泥污物的影响，而黏泥仍会对船舶性能产生显著影响。污物释放涂层更适用于航行活跃度高、航速快的船舶，不过近年研发的新产品宣称在较低航速下也能实现更优性能。由于有机硅基质涂料的施工需进行遮蔽处理，并使用专用的施工设备，操作难度较大，这会增加作业时间与成本。因此，许多造船厂仍不愿使用污物释放涂层，尤其是在新造船方面。
近期出现了一种不同的技术方案：在污物释放涂料（FRCs）配方中加入杀生物剂。据称，该方法能减少与黏泥附着有关的问题，并在船舶长期停置期间实现更好的防污物性能。
硬质涂层通常以环氧树脂和乙烯基酯技术为基础，不含杀生物剂，且淤积速度相对较快。凭借优异的机械性能，它们可承受定期的水下作业（清洁或养护性清洁），而不会破坏涂层的完整性。这类涂层具备良好的耐磨性，适用于寒冷气候及易结冰水道的航行场景。但受地区及地方层面的限制与禁令影响，对于非固定航线运营的船舶而言，规划并执行定期水下清洁作业难度较大。
其他不含杀生物剂的技术包括超声波技术、紫外线技术及船体曝气技术。尽管某些技术在特定案例中展现出良好效果，但这些替代技术的成熟程度各不相同，而且普遍面临着规模化应用、设备维护及额外能耗需求等方面的挑战。此外，某些技术可能无法适用于船体水下部分的全部区域。
由于克服这些挑战需要时间和持续的研发投入，因此在可预见的未来，液态涂料（尤其是含杀生物剂涂料）仍可能继续主导这一市场，并成为首选的防污物解决方案。
杀生物剂
防污物涂料中的杀生物剂可阻止各类污物（动物类、水草类及黏泥类）附着在船体的水下部分。为对所有类型的淤积生物均能起到防粘附效果，通常会采用多种杀生物剂组合的方式。
典型的杀生物剂组合包括无机杀生物剂（氧化亚铜）与一种或多种辅助杀生物剂（有机类和/或有机金属类）的混合物，以对各类目标生物均能发挥防粘附效果。海水盐度、温度及pH值是影响这类杀生物剂组合有效性的一些关键因素。
多年来，出于对氧化亚铜使用的环境担忧，研究人员已着手探索在防污物涂料中减少其用量或寻找替代物的方案。在一些地区，监管机构已将铜的释放速率限制纳入涂料注册流程的一部分。例如，美国加利福尼亚州规定，用于休闲船舶的防污物产品的铜最大滤出率为每日9.5微克/平方厘米。而在华盛顿州，正在讨论禁止休闲船舶使用铜基防污物涂料。
辅助杀生物剂的选择至关重要，因为它将决定防污物涂层在抵御黏泥和水草淤积方面的效果。研究发现，一些辅助杀生物剂对藤壶也有一定的抑制作用，这使得在涂料配方中减少氧化亚铜用量具备了可能性。
理想情况下，杀生物剂应是专为防污物涂料市场研发的。但目前实际使用的许多杀生物剂，最初是为农业等其他市场开发的，之后才被发现可额外应用于防污物涂料中。
含杀生物剂的涂料
从非常概括的角度来说，含杀生物剂的涂料由可溶性或部分可溶性的树脂体系构成，该树脂体系中含有能对多种淤积生物起效的杀生物剂混合物。含杀生物剂涂料的核心差异在于所使用的树脂体系（也被称为“释放机制”），以及杀生物剂的含量与类型。其中，树脂体系的溶解度和所用杀生物剂的功效，是决定涂层整体性能的关键参数。
含杀生物剂的防污物涂料是目前应用最广泛的防污技术。这类涂料通常对污物具有较好的抑制效果，但性能完美的涂料并未研发成功。现有产品如果能在船舶长期的静态期间提升防污性能，将更具优势。
含杀生物剂涂料中，历史最悠久的两类是受控溶蚀聚合物（CDPs）和自抛光共聚物（SPCs）。二者的杀生物剂释放速率对比参见图3。近年来，又出现了混合型涂料体系，这类涂料本质上是受控溶蚀聚合物（CDP）与自抛光共聚物（SPC）两种技术的结合体。
图3：自抛光共聚物（SPC）与受控溶蚀聚合物（CDP）防污涂料中的杀生物剂释放速率
受控溶蚀聚合物（CDP）涂料，利用可溶性树脂（通常为松香）与不溶性树脂的组合体系。通过调整可溶性与不溶性材料的比例，可改变树脂的溶蚀速率，进而调节杀生物剂的释放速率。这一特性使得防污物涂料能根据船舶的航行模式进行定制化调整。涂层入水后，可溶性树脂开始溶蚀，杀生物剂随之渗入周围海水中，在涂层表面留下一层由不溶性树脂构成的“耗竭层”，即“滤出层”。随着时间推移，滤出层的厚度逐渐增加，从而减缓了杀生物剂的释放速率，直至其防污物效果不再显著——这一节点通常在涂层使用三年后出现。
自抛光共聚物涂料（SPCs）最常用的粘合剂体系以丙烯酸铜、丙烯酸锌、丙烯酸甲硅烷基酯或甲基丙烯酸甲硅基酯为基础。这类树脂体系会通过与海水发生化学反应，以受控方式溶解或“抛光”，保持滤去层的恒定厚度。这一特性可实现杀生物剂的受控释放，并带来可预测的防污性能。与受控溶蚀聚合物涂层（CDPs）类似，通过精心选择SPC树脂及配套的杀生物剂组合，能对该体系进行精细调整，以匹配船舶的污物控制要求。选择合适的产品，在某些情况下可实现长达5至7.5年的长期防污效果。
混合防污物涂料是通过精心配方将受控溶蚀聚合物（CDP）与自抛光共聚物（SPC）技术结合而成的涂料，核心是在极致性能与成本之间达成平衡。
增强型杀生物剂的新发展将扩大配方设计师的选择范围，并有助于开发具有可预测性能的防污物涂料。但由于注册流程及性能验证涉及的整体成本较高、周期较长，近年来鲜有新型的杀生物剂实现商业化应用。
防污物涂料配方的注册
新型杀生物剂及任何含有这类杀生物剂的防污物涂料，都必须经过注册程序。无论是现有的还是新型的杀生物活性物质，通常都需由制造商在拟销售含杀生物剂产品（防污物涂料）的地区完成注册。然而，注册所需的监管档案要求极为繁琐，成本高昂，且各国之间的注册标准缺乏统一性。
注册获批后，监管机构会定期对其进行审查。在欧洲，杀生物剂的审查/续期需遵循《杀生物剂产品法规》（Biocidal Products Regulation），审查周期根据所获批准类型的不同，介于5至10年之间。其中，未被归类为“替代候选物质”的活性成分，最长获批期限为10年；而被归类为“替代候选物质”的活性成分，最长获批期限为7年（如果符合一项或多项排除标准，则为5年）。
杀生物活性物质（氧化亚铜及辅助杀生物剂）正面临监管压力，如果符合以下排除标准之一，其中一些物质未来可能无法续期、会受到限制，或者获批的期限被缩短：
因此，未来配方设计师可用于研发新型防污物涂料的杀生物活性物质种类，极有可能会减少。
与杀生物剂类似，防污物涂料也必须在拟使用地区完成注册，而这类注册通常由涂料制造商负责。涂料制造商不会轻易承担涂料注册的高昂成本，除非注册能带来性能、环保或成本方面的收益，或是出于替代已不再获批、无法获取杀生物活性物质的必要。
为了证明防污性能并说服船东与运营方，防污涂料需在不同环境条件下，经过较长周期（通常超过3年）的测试——既包括多块测试样板，也涵盖整船实际应用场景。测试的周期与范围，取决于该涂料是全新研发产品，还是现有产品的改良版。而涂料制造商所需承担的监管成本，会因所获活性物质批准期限（5年至10年）的不同而存在较大差异。
有前景的创新
涂料行业与杀生物剂行业一直在探索创新方法，以优化杀生物活性物质的受控释放。其中，胶囊封装技术是一项极具前景的创新方案，既能实现杀生物剂的受控释放，最大限度地提高涂料性能的同时，也能有效管控其对人类与环境的风险。
封装技术可以提供：
结论
船东与运营方都面临着日益增长的双重压力：一是控制成本，二是遵守空气与海洋排放法规。在合规性要求下，他们必须依赖船舶污物控制方案——无论是不含杀生物剂涂料还是含杀生物剂涂料，都需要符合各国国内及国际所制定的法规。
尽管污物释放系统（foul-release systems）仅在某些特定行业持续发挥着有效作用，并且附带复杂的施工要求，但在中短期内，含杀生物剂的防污物方案仍可能在市场中占据主导地位。随着已注册杀生物剂的可用种类可能逐年减少，涂料企业需要获取新型的杀生物剂，以研发出更先进、性能更可预测的水下船体防污物涂料。船东可通过与涂料供应商紧密合作，助力这些新型、创新且更具可持续性的防污物方案推向市场，从而为此提供支持。
在此背景下，显然需要不断创新，以确保新的环保材料的可用性，从而为海洋工业开发新的产品。
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