海洋监测仪器防污技术的对比研究

BMA004

于良民 , 赵海洲 , 李昌诚　

        ( 中国海洋大学青岛市海洋精细化工重点实验室 , 山东青岛 266003)


    摘　要 : 针对海洋监测仪器的防生物附着问题 , 通过调研筛选出了以防污涂料为主的多种防污材料 , 并设计不同类型的构件对所选防污材料进行实海防污性能评测 , 为海洋监测仪器的防生物附着问题提供可供选择的技术方案。

    关键词 : 海洋监测仪器 ; 防污 ; 涂料 ; 材料
    0 　引　言
    海洋监测仪器是海洋调查、观测和海洋科学研究的重要工具 , 这些仪器使用了大量光、声、电、化学和生物学等传感器 [ 1 - 3 ] 。然而海洋污损生物在这些仪器的敏感元件表面发生少量的生物附着就可能使器件工作性能受到破坏 , 从而造成仪器传动机构失灵、信号失真、性能下降、使用寿命缩短等严重危害。由于海洋监测仪器本身价格昂贵 , 其所测定数据价值有时远超过仪器本身的价值 , 因此防止海洋生物附着 ( 防污 ) 是海洋监测仪器长期运行和获取准确可靠数据的重要保证。
    目前 , 应用于海洋监测仪器上的防污技术主要有 : 防污涂层、防污材料 ( 如铜合金 ) 、机械方法 ( 如电动刷 ) 、电化学方法 ( 电解环绕传感器的铜片 ) [ 4 ] 。其中涂刷防污涂层是应用最广泛、最有效的一种防污技术 , 国内外在结构设施上使用的防污涂料已经有许多成熟的产品 , 这些产品主要以无锡自抛光防污涂料为主 , 而新型环保的无毒防污涂料也正呈上升的发展趋势 [ 5 - 6 ] 。
    实施防生物附着涂层技术的前提条件是其在具有良好的控制生物附着能力的同时又不影响传感器的各种实用性能和测量指标。根据海洋监测仪器的结构特点 , 海洋监测仪器的生物附着构件大致可分为 4 类 : 传动结构、光学器件、壳体表面、传感器 ( 表面或通路 ) 。显然 , 它们需要的防护涂层性质是不同的。传动结构防护涂层应具有质量轻、耐冲刷、附着力强的特点 ; 光学器件防护涂层必须透明 ; 壳体表面防污涂层的要求与船舶用防污涂料相似 ; 传感器 ( 表面或通路 ) 防护涂层需要考虑涂装工艺和对监测参数的影响 [ 7 ] 。海洋监测仪器防污工作是一项较为复杂的工程 , 涉及到海洋化学、材料学、生物学等多个学科 , 到目前为止 , 还没有可以有效解决生物污损的产品。
    本文在对当前国内外现有的防污技术调研的基础上 , 筛选出 8 种最具有代表性的防污涂料 ( 编号为 C 1 ～ C 8 ) 、铜合金、抗菌陶瓷以及自行开发的防污材料 ( 透明防污涂层、防污环 ) 作为研究对象。由于海洋监测仪器种类繁多、结构复杂、价格昂贵 , 为了解决其实际应用中具体的防污问题 , 我们自行设计了多种构件来模拟不同海洋监测仪器的关键部件 , 考察各种防污材料在这些构件上的实海防污性能 , 为筛选与海洋监测仪器结构材料相适应的且不影响器件测量性能的低毒、长效、广谱的防污技术提供依据。
    1 　实　验
    1. 1 　实验材料与设备
    不锈钢板 ; 不锈钢棒 ; 不锈钢管 ; 不锈钢螺栓 ; 紫铜管、棒 ; 黄铜管、棒 ; 木框 ; 玻璃镜片 ; 可见光抗菌陶瓷 ; 国外无锡自抛光防污涂料 (C 1 ～ C 5 ) ; 国内长效厚浆型防污涂料 C 6 ; 国内环保型无毒防污涂料 C 7 ; 国外新型低表面能防污涂料 C 8 ; 自主开发的防污材料 :NAF 透明防污涂层、防污环 ; 防腐底漆 ( 国外环氧型防腐漆 ) ; 砂磨机 ; 切割机 ; 台式电钻机 ; 涂刷工具等。
    1. 2 　实验方法
    1. 2. 1 实验样板制备
    (1) 带有不同尺寸突起物的样板制备
    将不锈钢板 ( 15 cm × 25 cm ) 水洗去污 , 然后使用砂磨机 ( 砂带为 80 目 ) 将其表面打毛 , 再用台式电钻在钢板上钻出直径为 3 mm 、 6 mm 、 9 mm 的孔并加工成螺口 ; 将直径为 3 mm 、 6 mm 、 9 mm 的不锈钢棒和管和黄铜、紫铜的棒和管用切割机截成 60 mm 的长度并将一端加工成螺丝 , 将其固定在钢板上相应的螺口内 , 然后在钢板上涂刷 2 道防腐底漆 , 再涂刷不同种类的防污涂料。样板示意图如图 1 ( a) 所示。

图 1   带有不同突起物和不同直径空白的样板示意图

(2) 带有不同尺寸空白的样板制备

    将不锈钢板 ( 15 cm × 25 cm ) 水洗去污 , 然后使用砂磨机 ( 砂带为 80 目 ) 将其表面打毛后 , 涂刷 2 道防腐底漆 , 再涂刷不同种类的防污涂料 , 然后在涂刷防污涂料的样板上开出直径分别为 5 mm 、 8 mm 和 12 mm 的空白。样板示意图如图 1 (b) 所示。
    (3) 笼状构件的制备
    将直径 16 mm 、厚 1 mm 的不锈钢管用切割机截成 200 mm 的长度 , 然后将其与 15 cm × 25 cm 不锈钢板加工成如图 2 ( a) 所示的结构 , 然后直接在不同笼状构件的不锈钢管上涂刷不同种类的防污涂料。
    (4) 光学构件的制备
    将光学镜片表面清水洗净并晾干。透明防污涂料直接涂在镜片表面 , 防污环采用环氧树脂粘在镜片表面 , 示意图如图 2(b) 所示。
    1. 2. 2 海上挂板实验及检查
    海上挂板实验是最基础、最直接的评价防污涂层防污性能的方法 , 本实验是参照 GB 5370 — 1985 防污漆样板浅海浸泡试验方法。

图 2   笼状结构和光学构件的示意图

    实验地点为青岛黄海海域小麦岛海上实验基地。将制备好的样板固定在长条木框中 , 在浸海前做好显著标记 , 记录原始状态 , 样板浸海深度为 1 m 。浸海的样板应垂直牢固地固定在框架上 , 样板表面应平行于海水的主潮流。框架的间距不小于 500 mm 。

    样板浸海后 , 根据需要对样板进行定期检查 , 采用文字记录和拍照的方式记录。观察时可用海水冲去附着在样板上的海泥 , 注意不得损伤涂层表面。观察时应除去样板边缘 20 mm 的区域 , 以消除边缘影响。并且应尽量缩短时间 , 观察后立即将样板浸入海中 , 避免已附着生物的死亡 , 影响实验结果。根据样板上附着生物的种类和多少及涂层脱落程度 , 评价涂层的防污性能。
    2 　结果及讨论
    2. 1 　带有不同尺寸突起物样板的浸海实验结果
    由于海洋监测仪器形状各异 , 其表面突起难以涂刷或不适合涂刷防污涂层 , 因而此实验的目的是考察已涂防污涂层的部分对于未涂的突起部位的影响 , 此外还考察不同材质突起物在海中的防污性能。带有不同尺寸突起物样板浸海 2 个月的结果如图 3 所示。
    从图 3 可知 : 不锈钢棒和管附着粘膜、藻类、污泥比较严重 ; 紫铜和黄铜的棒和管几乎无附着 , 尤其是紫铜的棒和管上仅有一层绿色铜锈而无任何生物附着 , 因此紫铜防污效果优于黄铜 ; 从图中可以看出在不锈钢棒和管的底端与涂层接触处藻类和生物粘膜附着较少而顶部附着较多 , 这说明样板上的防污涂层对于抑制生物在不锈钢棒和管上附着有一定的作用 ; 与空白板相对照可知 , 所选防污涂料均具有一定的防污效果 , 其中自抛光防污涂料 C 1 和 C 5 的涂层表面较光滑 , 防污效果最好 , 而环保型无毒防污涂料 C 7 却出现涂层剥落现象且生物粘膜附着严重 , 防污效果稍差。
    2. 2 　带有不同尺寸空白的样板浸海实验结果
    此实验的目的是考察不同的防污涂层对不同直径空白的生物抑制作用。带有不同尺寸空白样板浸海 1 .5 个月的结果如图 4 所示。
    由图 4 可以看出 : 对比于空白板 , 各个防污涂料均具有较好的防污效果 ; 浸海 1.5 个月时 , 大多数涂层只有直径为 12 mm 的空白附着有污泥、粘膜 , 而空白对照样板上则长有大量的藻类和污泥 , 这说明涂层在 1 .5 个月内对其表面直径为 5 mm 和 8 mm 的空白具有很好的生物抑制效果 ; 而且还可以看出不同的涂层对空白的防生物附着影响有所不同 , 其中 C 1 和 C 5 两种涂料效果最好 ; C 6 和 C 7 防污涂料效果较差。

图 3   带有不同尺寸突起物样板浸海 2 个月的结果

    图 4 　带有不同尺寸空白样板浸海 1.5 个月的结果 2. 3 　笼状构件浸海实验结果

    设计此笼形构件目的是模拟某些海洋监测设备 , 每个笼上涂不同防污涂料 , 并留有 1 个整根的空白管 , 以便观察周边的涂料对其影响。笼状构件浸海约 1 个月的实验结果如图 5 所示。从图 5 可以看出 , 涂刷防污涂料的不锈钢管表面光洁 , 没有明显的生物附着 , 而空白的不锈钢管表面沾满污泥 , 说明涂有防污涂料的不锈钢管对于空白不锈钢管的抑制生物附着能力影响很小。该实验结果与国外实验情况相似 , 表明防污涂料涂刷在监测仪器主体结构上可降低污损危害。
    2. 4 　光学构件浸海实验结果
    由于海洋监测中的光学仪器造价昂贵而且其光学镜头防污需求的特殊性 , 我们采用光学镜片模拟这些监测仪器的光学部件以考察本实验室自行研制的 NAF 透明防污涂层和防污环的性能 , 为解决海洋监测仪器中光学玻璃部件生物污损老大难问题进行尝试性开发工作。实验结果如图 6 所示。

图 5   笼状构件浸海约 1 个月的实验结果

图 6 NAF 防污环浸海实验结果

    NAF 防污环的特点是成型容易 , 其原理是通过不断释放对海洋生物有毒杀作用的物质而产生抑制生物附着的一定区域。从实验来看 , 短期内 ( 大约 10 d 内 ) 效果明显 , 在环周围 1 cm 左右明显生物粘膜附着轻微。 NAF 透明防污涂层浸海实验结果如图 7 所示。

图 7 NAF 透明防污涂层浸海实验结果

    NAF 透明防污涂层是一种对海洋生物有毒杀作用的多分子层。从图 7 的实验结果来看 ,NAF 透明防污涂层在短期内 (10 d) 有一定的防污效果 , 比没有透明防污涂层的镜片附着轻微 , 而在 3 周时防污效果降低 , 原因可能是 : NAF 透明防污涂层被海水冲刷变薄 , 涂层中的液体防污剂释放太快。
    2. 5 　新型防污材料浸海实验结果
　　实验在考察防污涂料性能的同时 , 还对可见光抗菌陶瓷和国外低表面能涂料 C 8 进行了防污性能的实海检测 , 它们都属于新型的防污材料。
    2. 5. 1 可见光抗菌陶瓷实验结果
    可见光抗菌陶瓷的浸海实验结果如图 8 所示。
    从图 8 可以看出 : 浸海 10 d 时 , 与空白板对比 , 陶瓷表面藻类和生物粘膜的附着量明显较少 , 但不如 C5 防污涂料样板干净 ; 后期则有大量的生物粘膜和藻类附着。因此 , 可见光抗菌陶瓷在初期 ( 大约 10 d) 有一定的防污效果。

图 8   可见光抗菌陶瓷的浸海实验结果

    2. 5. 2 低表面能防污涂料 C 8 的实验结果
    低表面能防污涂料的防污作用不同于普通的防污涂料 , 它不释放对海洋生物有毒杀作用的物质 , 而是依靠其表面的低表面能使海洋生物难以附着 [ 9 ] 。低表面能防污涂料 C 8 的浸海实验结果如图 9 所示。

图 9   低表面能防污涂层 C 8 浸海实验结果

    从图 9 可以看出 : 在浸海时间为 1. 5 个月时 , 涂层上附着有大量的生物粘膜 , 但是极容易清除 , 说明生物粘膜在其表面附着力很小 ; 在浸海 11 个月时 , 除了涂膜的个别部位的缺陷导致藻类和贻贝的附着外 , 绝大部分的涂膜表面都非常干净 , 其原因可能是在挂板期间由于台风等天气的影响 , 造成涂膜表面与海水之间相对运动加剧 , 使得仅仅靠海水的冲刷即可使生物难以附着在其表面 , 这说明低表面能防污涂料更适合应用于运动物体的表面。

    3 　结　语
    通过实验 , 我们可以得出以下结论 :
    (1) 防污涂料 : 从各个构件的浸海实验结果综合来看 , C 1 ～ C 5 5 种自抛光防污涂料中 , C 1 和 C 5 的防污效果最好 , C 2 的防污性能较好 , 这 3 种防污涂料适合应用于海洋监测仪器的主体结构的防生物附着。
    (2) 新型防污材料 : 低表面能防污涂层 C 8 具有较好的防污效果 , 其更适合用于运动状态仪器的防污 ; 铜合金具有良好的防污效果 , 可应用于海洋监测仪器的金属结构以及温度传感器等部位。
    (3) 自主开发的 NAF 防污环和 NAF 透明防污涂层有一定防污效果 , 为解决海洋监测仪器特殊需求打下了基础 , 但其效果还不理想 , 有待于进一步完善。