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防污材料动起来帮海洋工程装备甩掉污损物

时间:2022-06-15 02:05  来源:网络  编辑:醉言   阅读量:16604   
防污材料动起来帮海洋工程装备甩掉污损物

防污材料帮助海洋工程设备清除污垢。

RD团队注意到,一些海洋生物的体表没有附着污损生物,因为它们分泌一些特殊物质。受此启发,他们还采用仿生学原理,以“以污治污”的方法,将海洋天然产物基防污剂引入动态表面防污体系,使其缓慢可控地释放到海洋中,实现了“取之于海洋,用之于海洋”的全新理念。

你可能想不到,在浩瀚的大海中,有大量的海洋污损生物伴随着船只,附着在船底自由遨游。然而,它们带来的危害不可低估。据统计,全球每年因海洋生物污损造成的直接经济损失高达500多亿美元。

海洋污染防治作为全球性问题,涉及能源、环境、国防等重大国家需求。然而,海洋防污材料的研发技术难度极大,被称为海洋材料领域的“桂冠”级难题。华南理工大学教授张光照在世界上第一个提出了“动态表面防污”战略,开辟了海洋防污的新途径。

“动态表面防污材料犹如可靠的‘防护服’,可以保护我国海洋装备免受污损生物的附着和侵蚀,为装备的高效运行和长期服役提供关键技术保障。”团队成员马教授说。不久前,这项技术成果获得了2021年广东省科学技术奖技术发明奖一等奖。

防污材料过去来自外国公司。

“海洋生物污损是指海洋微生物、动物和植物在船体等设备表面吸附、生长和繁殖形成的生物污损。”根据马的说法,一艘满是海洋污垢的船每平方米重量增加了80公斤。会增加船舶的航行阻力,降低航速,堵塞核电站和火力发电厂的冷却水管道,阻碍波浪发电和潮汐发电设备的正常运行,甚至会堵塞海水养殖网箱的网眼,导致鱼虾大面积死亡。

全世界一直致力于解决海洋生物的污损问题。为什么海洋防污材料很难开发?马冯春指出,全球不同海域的温度和盐度不同,适用于某些海域的涂料不一定适用于其他海域。而且海洋生物种类繁多,超过4000种。用一种材料控制所有海洋生物就更难了。

我国海域面积近300万平方公里,海岸线3.2万公里,进出口货运总量的90%是通过海上进行的。随着我国海洋事业的不断发展,不仅是航空母舰,各种深海设备、远洋船舶、海上风电都面临着海洋污染防治的问题。然而,中国在这一领域的技术发展并不理想。此前,中国造船业95%的防污漆市场被外国公司占据。

2003年,该项目的第一完成人张光照将注意力集中在海洋污染防治研究上。然后在国家两大科研项目的支持下,带领团队攻关“动态表面海洋防污材料及配套保护技术”。

“实验室里防污效果好的材料,一旦到了海洋里就不行了。直到2012年,我们才开始在技术研究上取得突破性进展。2013-2016年间,相关技术理论和成果初具规模,进入实际应用和成果转化阶段。”马说,这项研究已经进行了近20年。

首次提出了“动态表面防污”策略。

“在我们进入这个领域之前,已经有了大量的基础探索工作。坦白说,一开始我们想走捷径,跟踪国外抗蛋白吸附材料的工作。海洋污垢的形成始于蛋白质、糖蛋白等的吸附。,而能抗蛋白质的材料应该也能抗污,理论上是可行的。”张昭说。从2006年开始,他们陆续制备了一系列抗蛋白质吸附和力学性能优异的聚氨酯材料,并进行了多年的海洋实验。然而,人们发现,能够抵抗蛋白质吸附并不等同于能够预防和控制海洋污染。

“抗蛋白吸附材料本身确实具有抵抗污损生物附着的能力,但不具备长效性,尤其是在一些两个月就失去防污能力的重度污损海域。自得出这一结论以来,五年已经过去了。”马叹了口气。

痛定思痛,他们只能另辟蹊径。当时他们注意到,船舶上的积垢主要是靠泊时形成的,航行时积垢不多。联想到“流水不腐,一户不适合一户”的古话也有类似的意思,他们在国际上首次创新性地提出了“动态表面”的方法,有效应对静态防污。

“当船只和海洋设备处于静止状态时,让材料表面自己‘移动’,使海洋生物难以附着。这就是‘以行动治静电’的‘动态表面防污’策略。如何实现?我们也在摸索前进。”马告诉记者,该团队一直从事高分子化学和物理学,自然想到了生物降解聚合物,其降解可以形成动态表面。当然,生物降解聚合物也会降低涂层的寿命。

沿着这个方向,他们通过优化材料的设计,解决了防污效率和使用寿命之间的矛盾。同时,他们注意到一些海洋生物的体表不会被污损生物附着,因为它们会分泌一些特殊的物质。受此启发,他们还采用仿生学原理,以“以污治污”的方法,将海洋天然产物基防污剂引入动态表面防污体系,使其缓慢可控地释放到海洋中,实现了“取之于海洋,用之于海洋”的全新理念。

“我们的材料可降解成无毒小分子,不产生海洋微塑料,更加环保,防污期已超过7年。”马对说:

基于这一策略,他们还开发了一系列具有自主知识产权的高性能防污材料,从最初的主链降解型到主链降解-侧链水解型,再到最新一代的超支化双溶液聚合物,并开发了配套的连接材料和保护技术。目前,已有30多项中外发明专利获得动态表面防污技术授权,打破了国外对海洋防污技术的垄断,促进了我国海洋防污技术的发展。

防污效果优于国外材料。

2016年,他们成功完成了动态表面防污材料的扩产,正式拉开了其产业化的序幕,并已应用于民用船舶、南海波浪发电平台、海洋牧场、海底探测器等设备。与国际上最先进的自抛光防污涂料相比,动态表面防污材料的静态防污效果和防污周期效果更为优越。最近,这项技术还被应用到了世界上第一个商用潜艇数据中心,该数据中心即将下水。

一路走来,让马印象最深的是,项目的研究周期长,投入大,产出慢,没有各方面持续有力的支持,很难成功。

“当时抗蛋白吸附防污材料研发出来后,我在实验室用了3周,验证了一个很好的效果。我非常兴奋,觉得技术问题就要解决了。但是经过两个月的海洋实验,发现效果并不理想。我还记得那次挫败感。”马笑着回忆道。

他特别提到推广新技术的困难。“现在市场上成熟的海洋防污技术基本掌握在国外企业手中。要想从他们那里‘抢’市场,关键是先证明我们的技术过硬。优秀的标准是什么?没有标准,唯一的办法就是实海探测。”马在推广中见过多次。只要他开口说这个技术很好,对方马上回复,那就考一考吧。

这个考验,两三年过去了。“由于海洋防污材料的作用,需要到海洋中进行检验,检验周期长,对成本和人力都是很大的考验。”马呼吁国家对新产品的推广要有政策支持,让更多国内自主研发的产品技术能更快应用。

动态表面防污技术从实验室走向产业化,离不开产学研的密切合作。“华工有自己的产业化平台,通过这个平台我们可以做出一些特定应用领域的材料。此外,我们与下游涂料公司合作,共同推进技术产业化。”马介绍。参与这个获奖项目的有三家材料公司。

海洋工程装备是开发、利用和保护海洋的前提和基础。马透露,未来他们还将拓展动态表面防污材料体系,构建不同类型的动态表面,如开发能适应环境变化的智能防污材料,进一步加快科研成果转化,继续服务于我国海洋强国建设。

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