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海洋防污新突破!科学家研发CPT基防污涂料对抗生物附着效果明显
2022年03月23日    阅读量:10482    新闻来源:央广网,腐蚀与防护  |  投稿

对于长期部署在海水中的各类仪器来说,生物附着是一个严重的问题,不仅会缩短仪器的使用寿命,增加人工维护的频率和成本,还可能导致观测信号的漂移和数据误差。因此,必须对仪器外部进行防污处理。


一、海洋生物污损的介绍

海洋生物污损是指由于海洋中的污损生物在材料表面的附着、侵蚀而造成的设备损坏现象涂料在线coatingol.com。目前已知的污损生物约有5000多种,既有动物,也有植物和微生物,比较常见的有藤壶、贻贝、海藻等(图2所示)。它们有的吸附在船舰底部,增大了船舰航行时的阻力,加快船底金属的腐蚀;有的则生长在金属管道内部,容易造成管道的堵塞和泄露;还有的则生长在海上设施的表面,进一步加快建筑的损坏。


那么海洋生物又是如何在材料表面吸附的呢?其实海洋生物的附着经历了一个复杂的过程。如图3所示,在初期阶段,一些有机物分子吸附在了材料表面构成了基膜,同时,螺菌、弧菌、球菌、杆菌等海水中常见的细菌也会附着在材料表面,它们利用几天的时间构建起了一层生物膜,为后续的生物附着打下基础。中期阶段,硅藻孢子、纤毛虫、钟形虫、线虫等小型污损生物吸附在了生物膜上,且数量越来越多。在后期,一些依靠附着生活的藻类通过自身分泌的胶质与物体表面连接,致使其种类及数量急剧增加,而生物膜的建立则为一些贻贝、藤壶等大型海洋附着生物在材料表面的附着奠定了基础。因此,人们往往通过抑制生物膜的形成来有效地抑制生物污损问题。


由于我国海域辽阔,因此不同海域具有不同的污损情况。总体上,我国沿海地区污损严重程度呈现由北到南逐渐增加的趋势,这是由于我国南方海域温度较高,水域开阔,有利于各种污损生物的生长。同时,污损生物的附着也具有明显的季节变化,有的生物可以全年附着,而有的则主要集中于一个季节附着。因此,根据污损具体情况而研制对应的防污涂料是最为有效便捷的防污方法。


二、防污涂料的历史

在古代,由于船舶都是由木头制成,因此船蛆等钻孔生物则成为了古代最主要的污损生物。古人利用沥青、蜡、含有毒物的涂料涂覆于木船表面,用于防治船蛆。而我国在明朝时已经掌握了成熟的木船防腐抗污技术,使得郑和能够七下西洋。随着近代工业革命的到来,钢壳船自从发明以来,一直面临着海水腐蚀和生物污损两大挑战。到了第二次世界大战,污损生物因其对战舰、水下设施以及武器的危害而引起了人们的极大重视。在之后的几十年间,海洋生物防污涂料技术发展迅速。


我国在解放前,防污涂料主要从欧洲进口。50年代,我国的造漆厂已经开始防污涂料的自主研发工作。虽然这些涂料存在着防污周期短,防污效果差,产量低,品种少等问题,但这为我国的防污涂料发展奠定了坚实的基础。到了60年代,由于我国海军舰艇的防污需求,我国开始对沥青、乙烯树脂、氯化橡胶、丙烯酸树脂及环氧树脂等防污涂料进行大量的研究工作。经过了15年的奋战,所研制出的铝壳快艇涂料和钢壳舰艇涂料使我国在舰船涂料的品种和质量方面达到了世界先进水平。


20世纪70年代,有锡自抛光防污涂料的问世迅速占领了防污涂料的大部分市场。该涂料在海水的作用下可以缓慢水解,不断地更新涂层表面,不利于海洋生物的附着,同时释放出的有机锡化合物具有一定的毒性,能够高效地毒杀附着的生物。然而由于有机锡化合物具有很强的毒性且不易降解,造成了海洋污染,破坏了生态平衡,如今许多国家已经禁止使用该种涂料。


三、CPT基防污涂料

当前主流的防污涂料有自抛光防污涂料、低表面能防污涂料、天然产物防污涂料、仿生防污涂料等。


近日,中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称深圳先进院)与厦门大学的最新研究带来了防污小妙招。研究人员通过在厦深两地亚热带海区长时间海上实际试验,研究了天然产物基防污涂料对6种常用海洋传感器金属与非金属材料的防污效能。相关研究成果发布于International Biodeterioration & Biodegradation。


对原位仪器外壳材料表面涂覆防污涂料是减少生物附着的主要方法之一,但现有的防污涂料往往有较强的毒性,不仅污染海水,还有可能对被监测的生物对象造成危害;而另外一些低表面能涂料的静态防污效果较差,并不适用于静态部署在海水中的传感器。针对这些问题,深圳先进院和厦门大学团队合作,在亚热带海区研究真实海水环境下天然产物喜树碱(CPT)基防污涂料对不同材料仪器外壳的防污效能。


研究中,研究人员将316L不锈钢、TC4钛合金、7075铝合金、聚甲醛、聚氯乙烯、特氟龙6种常用的海洋仪器外壳材料制作成挂板,放置在厦门五缘湾海域水下,以试验CPT基防污涂料在上述材料表面的防污效能。


海试结果表明,3个月内CPT基防污涂料在上述6种材质上均显示出优异的防生物附着效能,未涂覆涂料的对照区域长满了污损生物,涂覆涂料的区域表面洁净。9个月后,涂覆涂料区域的污损生物仍明显少于对照区域,其中塑料材质上的防生物附着效能优于金属材质。


此外,双方还开展了CPT基防污涂料对3种深圳先进院团队研发的原位传感器的防污效能海上试验。浮标海试结果表明,CPT基涂料用于水下原位传感器时,可以使原位传感器外壳表面保持洁净至少4个月;与未经涂料处理的情况相比,大大延长了传感器的免维护周期。


据悉,该技术不仅降低了海洋仪器维护的人力成本,还增强了传感器在海洋环境下工作的可靠性。基于CPT的涂料可作为一种有效的抵抗生物污损解决方案,用于提升海洋仪器在真实海洋环境中的长期水下工作能力。


标签:工业涂料技术中心防腐涂料船舶涂料
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