Σύσταση, εφαρμογή και μηχανισμοί δράσης σύγχρονων υφαλοχρωμάτων

Παπαθανασίου, Γεώργιος

Composition, applications and mechanisms of modern marine anti-fouling coatings.

Διπλωματική εργασία

Author

Παπαθανασίου, Γεώργιος

Date

2021-02-22

Advisor

Θεοχάρη, Σταματίνα

Διπλωματική Εργασία (5.266Mb)

Keywords

Υφαλοχρώματα ; Βιορύπανση

Abstract

Το φαινόμενο της βιορύπανσης ή βιοσυσσώρευσης ορίζεται ως η ανεπιθύμητη προσκόλληση και ανάπτυξη μικρο- και μακρο-οργανισμών πάνω σε τεχνητές επιφάνειες βυθισμένες στο θαλασσινό νερό, κι έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση στην απόδοση και τη λειτουργικότητα πλοίων και θαλάσσιων κατασκευών, προκαλώντας σημαντικά οικονομικά και περιβαλλοντικά προβλήματα. Όταν μια στερεά επιφάνεια, που βρίσκει εφαρμογή σε θαλάσσιες κατασκευές, όπως τα ύφαλα των πλοίων, σε κλωβούς ιχθυοκαλλιεργειών, λιμενικά έργα, εξέδρες, δίχτυα και πετρελαιαγωγούς βυθίζεται στη θάλασσα και κινείται ή είναι στάσιμη, υπόκειται σε αποικισμό από θαλάσσιους οργανισμούς. Το φαινόμενο είναι γνωστό από την αρχαιότητα και αντιμετωπίζεται με διάφορα υλικά μέσα και τεχνολογίες, που αποσκοπούν στη θανάτωση ή/και αποτροπή της επικόλλησης των θαλάσσιων οργανισμών. Ως αντιβιορυπαντικά συστήματα χρησιμοποιούνται μίγματα πολυμερών και βιοκτόνων ουσιών, ώστε να αποτραπεί η προσκόλληση, η εγκατάσταση κι επίσης, η ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Στο πρόσφατο παρελθόν, χρησιμοποιήθηκαν με μεγάλη αποτελεσματικότητα αντιρρυπαντικά υφαλοχρώματα, με τον τριβουτυλοκασσίτερο (ΤΒΤ) ως βιοκτόνο, που παρά την εξαιρετική τους απόδοση, είχαν σοβαρή και επιζήμια επίδραση στο θαλάσσιο περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Η αυξανόμενη ευαισθητοποίηση των πολιτών και η θέσπιση αυστηρότερης νομοθεσίας από τους διεθνείς οργανισμούς και τις κυβερνήσεις, οδήγησαν στην αναζήτηση και εφαρμογή νέων υλικών και μηχανισμών αντιρυπαντικής δράσης φιλικότερων στο περιβάλλον. Τα συμβατικά υφαλοχρώματα διακρίνονται σε αντιρρυπαντικά αδιάλυτης μήτρας, διαλυτής μήτρας και αυτολειανόμενου συμπολυμερούς. Τα σύγχρονα υφαλοχρώματα, που περιέχουν βιοκτόνα, μπορούν να διακριθούν στα ελεγχόμενης απελευθέρωσης και τα αυτολειανόμενα συμπολυμερή. Πρόσφατα, άρχισαν να δοκιμάζονται, νέα αντιρρυπαντικά υφαλοχρώματα, πιο φιλικά στο περιβάλλον, που έχουν ως βάση πολυμερή, με κατάλληλη χημική δομή, ώστε να εμποδίζουν ή να αποτρέπουν την προσκόλληση ρυπαντών και τελικά, να διευκολύνουν την απομάκρυνση τους από την επιφάνεια του πλοίου. Ως τέτοια υλικά αναφέρονται νανοσύνθετα πολυμερή από πολυαιθυλενογλυκόλη, πολυμερή με νανοσωματίδια άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων, υδρογέλες (υδροπηκτές), πολυαμφοτερικά και υπερδιακλαδωμένα νανοσύνθετα πολυμερή. Άλλες προτάσεις είναι οι επιστρώσεις, με κατάλληλη επιφανειακή μορφολογία, που αποτρέπουν την προσκόλληση μικροοργανισμών και άλλων βιορυπαντών. Τέτοιες είναι οι επιστρώσεις φθοροπολυμερών, επιστρώσεις πολυουρεθάνης, επιστρώσεις της σιλικόνης, υβριδικά συστήματα από νανοσύνθετα υλικά, και άλλα συστήματα, που βασίζονται σε φυσικά προϊόντα (όπως μικροάλγη). Τα τελευταία χαρακτηρίζονται ως ¨βιομιμητικά¨ υλικά, που μπορούν να αποτρέψουν την βιοσυσσώρευση χωρίς να προκαλέσουν περιβαλλοντικά ή προβλήματα υγείας στην θαλάσσια και ανθρώπινη ζωή. Η εργασία αυτή μετά την θεωρητική παρουσίαση των υφαλοχρωμάτων, περιλαμβάνει την εφαρμογή ορισμένων ενδεικτικών τύπων υφαλοχρωμάτων του εμπορίου, τη μεθοδολογία για την έκθεσή τους σε θαλασσινό νερό σε στατικές συνθήκες και την αξιολόγησή τους.

Abstract

The phenomenon of bio-fouling is defined as the unwanted accumulation of micro- and macro-organisms on artificial surfaces submerged in seawater, resulting in reduced efficiency and functionality of ships and marine structures, thus causing significant economic and environmental problems. It occurs on surfaces immersed in water including ship hulls, fish cages, harbor constructions, flatable platforms, fishing nets and underwater oil pipelines. The phenomenon has been known since antiquity and is dealt with a variety of methods and technologies using appropriate materials, aimed at killing and/or preventing the attachment of marine organisms. Mixtures of polymers and biocidal substances are commonly used as antifouling systems, in order to prevent the attachment, installation and growth of microorganisms. In recent years, antifouling paints containing tributyltin (TBT) as a biocidal ingredient have been used effectively, but their excellent performance is accompanied with serious and detrimental effects on the marine environment and the human health. Increasing public awareness and strict legislation imposed by international organizations and state governments has led to the search and implementation of new environmentally friendly antifouling materials and mechanisms. Conventional shelf paints and coatings are categorized into insoluble matrix antifoulants, soluble matrix antifoulants and self-leveling copolymer coatings. Modern antifouling paints, which contain biocides, can be categorized into controlled release and self-lubricating copolymers. Recently, the testing of new environmentally friendly polymer-based antifouling paints has been reported. The materials used have a suitable chemical structure that allows them to degrade or prevent foulers from adhering and thus they facilitate their removal from the ship's surface. Such materials include polyethylene glycol nanocomposites, polymers with multi-walled carbon nanoparticles, hydrogels, zwitterion and superbranched nanocomposites, which is estimated to be promising and highly effective alternatives. Other suggested materials include coatings with an appropriate surface morphology that prevents adhesion, such as fluoropolymers, polyurethane and silicone coatings, hybrid nanocomposite systems, as well as systems based on natural products (such as microalgae). The latter are characterized as "biomimetic" materials, since they can prevent bioaccumulation without affecting the marine and human life. In the present work, the application of selected commercial antifouling paints is presented, together with the appropriate methodology for their exposure to seawater environment in static conditions, in order to study and evaluate the biofouling phenomenon.