Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0073

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0073
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева"
Название доклада
Разработка технологий создания энергосберегающих, биоинспирированных полимерных покрытий, предотвращающих обрастание моллюсками корпусов морских судов
Докладчик
Москалец Александр Петрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Задачей проекта является создание эффективных противообрастающих покрытий для подводных частей морских объектов и устройств: корпусов судов, буровых платформ, эстакад, бонов, буев и т.п. Решение указанной задачи позволит значительно сократить расход топлива для движущихся объектов: кораблей, катеров и др., - а также сократить энергозатраты на очистку стационарных подводных сооружений. В настоящее время существует два основных подхода для создания противообрастающих покрытий. А именно: (1) включение в состав противообрастающих красок веществ-биоцидов, которые убивают прикрепившиеся к корпусу живые организмы; (2) создание покрытий, к которым морские организмы не способны прикрепляться по тем или иным причинам. Второй - экологически безопасный путь - основан на создании на подводной поверхности прочного защитного покрытия. Указанное покрытие за счет низкой
поверхностной энергии слабо взаимодействует с другими веществами, клетками и организмами, тем самым препятствуя начальной адгезии морской флоры и фауны к корпусу судна. В настоящей работе для создания такого покрытия предполагается использовать биомиметические (биоинспирированные) подходы, заимствованные у морских моллюсков.
Современное развитие методов металлоорганической химии подсказывает нам и другие механизмы связывания концевых функциональных групп биоинертных полимерных макромолекул на металлах. Одним из таких способов является использование более сильных комплексообразователей, чем встречающиеся в природе производные пирокатехина, а именно: производные
бета-дикетонов и силоксаны. Развитие указанных способов позволит увеличить долговечность противообрастающих покрытий и повысить их износостойкость.
Актуальность и новизна исследования
В 2008 году был введен международный запрет на использование оловоорганических противообрастающих покрытий, в которых в роли биоцида выступают органические соединения олова (в основном трибутилолово). Данный запрет стимулировал работы по созданию новых экологически безопасных и эффективных противообрастающих покрытий. Между тем, противообрастающие краски на основе токсичных соединений меди и цинка используются и в настоящее время ввиду того, что задача создания экологически безопасных противообрастающих покрытий является не столь тривиальной.
В настоящее время известны самополирующиеся акриловые и мягкие силиконовые покрытия, которые довольно дороги и, кроме того, плохо работают на стационарных подводных сооружениях. В тоже время в последнее время были выяснены многие аспекты процессов обрастания и показано, что нейтральные гидрофильные полимеры являются наиболее эффективными в решении проблемы морского обрастания. В качестве такого полимера обычно применяется полиэтиленгликоль, однако при его использовании возникает проблема низкой адгезии: полиэтиленгликоль легко взаимодействует с водой, и поэтому на его основе сложно создать стойкие покрытия.
Значительный прогресс в создании стойких покрытий стал возможен после того, как было выяснено, что морские моллюски для прикрепления к субстратам различной природы используют специальные адгезионные белки с большим количеством аминокислоты ДОФА. Данный фрагмент способен образовывать прочные координационные связи с ионами металлов на поверхности. Данное явление, будучи расширенным на другие, более устойчивые комплексонаты, впервые используется в данном проекте для создания противообрастающих покрытий.
Описание исследования

Нами синтезирована серия бета-дикетон функционализированных полимеров, содержащих гидрофильный полиэтиленгликолевый фрагмент. Полученные полимеры способны закрепляться за счёт енольной формы бета-дикетона на любой поверхности, содержащей ионы переходных металлов: это могут быть как чисто металлические поверхности, так и различные лакокрасочные материалы с неорганическими пигментами (см. Рис. 1)

Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) было показано, что для всех синтезированных полимеров имеет место процесс хемосорбции, т. е. образование прочных ковалентных связей с металлической поверхностью (в качестве субстрата использовались железо и титан, см. Рис. 2).

Данные ковалентные связи являются более прочными и в меньшей степени подверженными гидролизу в кислых и щелочных средах, чем образуемые найденными в адгезионных белках моллюсков катехольными фрагментами. По этой причине данные полимеры с бета-дикетоновым фрагментом были использованы для создания противообрастающих покрытий.

Для изучения эффективности противообрастающих свойств биоинспирированных адгезионных материалов нами был разработан метод, основанный на физической адсорбции малых клеток. Для этой цели подходят многие виды сине-зеленых водорослей, которые легко можно наблюдать по флуоресценции, возбуждаемой УФ излучением. На Рис. 3-5 приведены образцы, использовавшиеся в лабораторных испытаниях. 

 

 

 

Видно, что разработанные адгезивы практически одинаково хорошо работают на чисто металлических поверхностях, а также на лакокрасочных покрытиях (использовались титановые белила в качестве пигмента).

Кроме этого, в результате проведенных работ, авторы выяснили, что созданные покрытия являются хорошими модификаторами поверхности (возможно создание супергидрофильных поверхностей).

 

Результаты исследования

Таким образом, нами разработаны новые подходы и технологии в создании экологически безопасных противообрастающих покрытий на основе бета-дикетон содержащих фрагментов. Серия синтезированных полимерных покрытий продемонстрировала хорошие эксплуатационные свойства, сравнимые с лучшими мировыми аналогами.

Нами также обнаружено, что полученные адгезивы могут использоваться для создания модификаторов поверхностей, а также в качестве высокотемпературных адгезивов.

Разработанная технология получения полимерных бета-дикетоновых адгезивов, а также покрытий на их основе, позволяет получать качественные противообрастающие покрытия стоимостью не выше 50 руб/м2.

Практическая значимость исследования
Обрастание - это процесс, в результате которого часть корпуса судна или стационарного плавучего сооружения, находящаяся в воде, покрывается слоем морских водорослей и животных (червей, балянусов, мидий и др.). Для движущихся объектов это явление сопровождается значительными снижением скорости судов и повышением расхода топлива, усиленным износом механизмов и, соответственно, увеличением эксплуатационных расходов. Обрастание разрушающе действует на защитные покрытия, усиливая
коррозию металла. В еще большей степени страдают от этого явления подводные части стационарных морских сооружений и устройств: буровые платформы, эстакады, боны, буи и т. п. По подсчетам американских исследователей ежегодно на борьбу с обрастанием в мире расходуется примерно 500 млн. долларов. По данным тех же специалистов потеря скорости из-за обрастания составляет 8-15%, а рост расхода топлива - до 35 % за междудоковый период. При благоприятных условиях для морских организмов их масса на корпусе крупного судна за два месяца может достичь 200 т. Таким образом, борьба с обрастанием в целом и создание противообрастающих покрытий в частности, имеют значительную экономическую ценность.
Длительные исследования показали, что наиболее эффективный способ борьбы с обрастанием современных судов - это применение противообрастающих красок, тем более, что покрытия, используемые для защиты от коррозии подводной части корпуса, часто повреждаются и даже полностью разрушаются, если одновременно не применяются противообрастающие краски.
В состав противообрастающих красок входят ядовитые компоненты (соединения олова, свинца, ртути, мышьяка, цинка, меди и/или их органических производных), которые убивают прикрепляющиеся к корпусу живые организмы, что наносит несомненный вред морской флоре и фауне. Введенный в 2008 международный запрет на использование оловоорганических противообрастающих покрытий
стимулировал работы по созданию новых экологически безопасных и эффективных противообрастающих покрытий. Между тем, противообрастающие краски на основе токсичных соединений меди и цинка используются и в настоящее время. Создание новых экологически безопасных противообрастающих покрытий позволит достичь также положительного экологического эффекта.