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防污材料动起来 帮海洋工程装备甩掉污损物

发布时间:2022-06-15 10:47:22  |  来源:科技日报  |  作者:叶青  |  责任编辑:徐丽丽

研发团队注意到,有些海洋生物的身体表面不会被污损生物黏附,其原因在于它们会分泌一些特殊物质。受此启发,他们也采用仿生学的原理,通过“以污治污”的方法,在动态表面防污体系中引入海洋天然产物基防污剂,使其缓慢、可控地释放到海洋中,从而实现“取之海洋,用之海洋”的全新理念。


你可能想不到,茫茫大海中,有大量的海洋污损生物与船只相伴而行,附着在船底下免费旅行。然而,它们所带来的危害不可小觑。据统计,全球每年因海洋生物污损导致的直接经济损失高达500亿美元以上。


海洋防污作为一个全球性的问题,涉及能源、环境、国防等国家重大需求。然而,海洋防污材料研发技术难度极大,被称为海洋材料界的“桂冠”级难题。来自华南理工大学教授张广照科研团队,在国际上最早提出“以动治静”的“动态表面防污”策略,开辟了海洋防污的新路径。


“动态表面防污材料如同可靠的‘防护衣’,使我国海洋装备免受污损生物的黏附和侵蚀,为装备的高效运行和长期服役提供了关键技术保障。”团队成员马春风教授说。不久前,这一技术成果荣获2021年度广东省科学技术奖技术发明奖一等奖。


造船行业防污材料曾多来自外企


“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、生长和繁殖所形成的生物垢。”马春风介绍,一艘长满海洋生物污损的船只,每平方米增重高达80公斤。它会增大船舶航行阻力,降低航速,还会堵塞核电站、热电站的冷却水管路,阻碍波浪能发电、潮汐发电等装备的正常运转,甚至会堵塞海水养殖网箱的网孔,导致鱼虾大面积死亡。


国际上一直致力于解决海洋生物污损问题。为什么海洋防污材料研发难呢?马春风指出,全球不同海域有着不同温度、盐度,适用于某些海域的涂料,在其他海域也许并不适合。且海洋生物种类繁多,超过4千种,以一种材料防治所有海洋生物,更是难上加难。


我国拥有近300万平方公里的海域和32000公里长的海岸线,90%的进出口货运总量都是通过海上运输来完成的。随着我国海洋事业的不断推进,不止是航母,各类深海装备、远洋船舶、海上风电等,都面临着海洋防污的问题。但我国在此领域的技术发展并不理想,此前我国造船行业95%防污涂料的市场均为外企所占据。


2003年,项目第一完成人张广照把目光聚焦在海洋防污研究上。随后在两个国家重大科学研究计划的支持下,他带领团队踏上“动态表面海洋防污材料及配套防护技术”的课题攻关之路。


“在实验室里防污效果很好的材料,一拿到海洋里就不行了。无数次的推翻、重来,直到2012年,我们在技术攻关上才开始取得突破性的进展。2013年至2016年之间,相关技术理论及成果开始正式形成,并进入到实用及成果转化的阶段。”马春风说,这一研究就投入了将近20年的时间。


首次提出“动态表面防污”策略


“在我们进入这个领域之前,基础性的探索工作已经有很多。坦白地讲,我们最初想走捷径,跟踪国外有关抗蛋白吸附材料方面的工作。海洋生物污损的形成始于蛋白质、糖蛋白等的吸附,能抗蛋白的材料应该可以抗污,这在理论上是行得通的。”张广照说。2006年开始,他们先后制备了系列兼具优异抗蛋白吸附和力学性能的聚氨酯材料,并开展了多年海洋实验。结果却发现:能抗蛋白吸附并不等于能防治海洋污染。


“抗蛋白吸附材料本身的确具有抗污损生物黏附的能力,但它们不具有长效性,特别是在一些污损严重的海域两个月就失去防污能力。得出这个结论时,已经过去了5年时间。”马春风感叹道。


痛定思痛,他们只能另辟蹊径,当时注意到轮船上的污损主要是在停泊时形成的,在航行时污损不多,联想到古语中的“流水不腐,户枢不蠹”亦有类似含义,他们在国际上首次创新性提出走“动态表面”的路子,有效应对静态防污。


“当船舶、海洋装备处于静止状态时,让材料表面自己‘动’起来,使得海洋生物不易黏附。这就是‘以动治静’的‘动态表面防污’策略。如何实现呢?我们也是摸索着前进。”马春风告诉记者,团队一直从事高分子化学与物理的工作,很自然就想到生物降解高分子,其降解可以形成动态表面。当然,生物降解高分子同时会降低涂料的寿命。


循着此方向,他们通过对材料的优化设计,解决了防污效能与服役期之间的矛盾。同时,他们注意到,有些海洋生物的身体表面不会被污损生物黏附,其原因在于它们会分泌一些特殊物质。受此启发,他们也采用仿生学的原理,通过“以污治污”的方法,在动态表面防污体系中引入海洋天然产物基防污剂,使其缓慢、可控地释放到海洋中,从而实现“取之海洋,用之海洋”的全新理念。


“我们的材料可降解为无毒小分子,不产生海洋微塑料,更加生态友好,且防污期效已突破7年。”马春风说。

  


 
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