Экологически безопасные и высокоэффективные противообрастающие покрытия на основе бикомпонентных наночастиц металлов и их оксидов

Морское биообрастание различных устройств и гидротехнических сооружений является мировой проблемой, которая до сих пор эффективно не решена. Противообрастающие покрытия с биоцидами являются наиболее надежным способом предотвращения биологического обрастания. Настоящее исследование посвящено разработке перспективных экологически безопасных и высокоэффективных наноструктурных покрытий барьерного типа, содержащих наночастицы сложного состава Ag-TiO2, ZnO-FeZnO, CuO-FeCuO, ZnTi2O4-ZnO, ZnTi2O4-TiO2, обладающих фотокаталитической активностью и способностью генерировать активные формы кислорода. Разрабатываемые материалы предназначены для защиты от морского обрастания судов и гидротехнических сооружений. Применение наночастиц сложного состава позволит реализовать синергетический эффект переноса электронов из зоны проводимости одного компонента в зону проводимости другого. В проекте для получения наночастиц сложного состава использовали совместный электрический взрыв проволочек (ЭВП) пар металлов Ag/Ti, Zn/Fe, Cu/Fe, Zn/Ti. В качестве буферной среды использовали смесь газов: аргона с добавлением 20 ‒ 25 % об. кислорода, необходимого для практически полного окисления металлов. Впервые было проведено комплексное исследование физико-химических свойств многокомпонентных наночастиц, полученных при совместном электрическом взрыве проволочек в кислородосодержащей атмосфере. Были определены следующие физико-химические характеристики полученных наночастиц: морфология, фазовый и элементный состав, дзета-потенциал, размер наночастиц и агломератов, текстура, химический состав поверхности. Получены данные по антиобрастающей активности наночастиц в отношении бактериальных биопленок S. aureus АТСС 6538Р и P. aeruginosa АТСС 9027. На основании исследования токсичности частиц к пресноводным гидробионтам в экспериментах in vitro установлено, что синтезированные частицы не обладали острой токсичностью в исследуемых концентрациях. Среди проанализированных частиц CuO-FeCuO являются наиболее биосовместимыми. Исследование токсичности наночастиц на морских гидробионтах Mytilus galloprovincialis в высоких концентрациях показало достоверное снижение доли агранулоцитов и увеличение доли гранулоцитов, что, вероятно говорит о поглощении наночастиц обоими типами клеток гемолимфы моллюсков. При инкубации клеток гемолимфы мидий с наночастицами не отмечалось достоверных изменений в относительном диаметре и уровне гранулярности агранулоцитов, в то время как гранулоциты претерпевали морфологическую трансформацию: у всех опытных групп отмечено многократное достоверное увеличение уровня гранулярности цитоплазмы, что говорит об эффективном процессе фагоцитоза наночастиц гранулоцитами. Были разработаны методы деагломерации и микрокапсуляции наночастиц ZnO-FeZnO, CuO-FeCuO, Ag-TiO2 для совмещения с полимерной матрицей на основе полиакрилатов. На основании полученных экспериментальных данных разработан способ введения наночастиц в полимерную матрицу полиметилметакрилата ПММА для получения полимерно-неорганических композиций с гомогенным распределением дисперсной фазы в матрице, включающий 3 последовательные стадии: (1) микрокапсуляция и деагломерация НЧ погружением в водный раствор капсулятора; (2) удаление растворителя перегонкой; (3) введение микрокапсулированных НЧ в раствор полимера прямым погружением. В результате введения наночастиц в полиметилметакрилат ПММА (M=120 000) были получены полимерно-неорганические композиции с различным содержанием частиц относительно массы ПММА (0,5–10 масс. %) методом литья из раствора. Для оценки изменения механических свойств разработанных композиций проводили испытания образцов полученных материалов на растяжение при одноосном растягивающем нагружении, равномерно распределенном по сечению. В результате были получены инженерные диаграммы растяжения и зависимости коэффициента деформационного упрочнения от величины деформации. В результате проведенных работ исследования ионного состава водных вытяжек образцов композиций установлено, что концентрации ионов значительно ниже даже предельно-допустимых концентраций в питьевой воде. Были получены прототипы покрытия на основе полиакрилатов и исследовано влияние наночастиц в составе полимерной матрицы на фотоокислительную и термоокислительную деструкцию полученных образцов. Оценка термоокислительной деструкции ПММА и ПММА-НЧ была проведена методом термогравиметрии. Влияние введенных НЧ на деструкцию ПММА на первой стадии проявлялось в снижении температуры максимальной скорости разрушения и количества разложившегося полимера. На основании полученных экспериментальных данных разработан способ получения модифицированного состава на основе эмали ««ВИНИКОР-марин АФ». Для введения суспензии в эмаль-основу подобраны параметры высокоскоростного диспергирования НЧ. Антиобрастающая активность исследована на тестовых участках объектов Калининской АЭС методом экспонирования искусственных субстратов в условиях полевого эксперимента и в условиях, максимально приближенных к производственным, а также на морском полигоне в Черном море в бухте Старосеверная, г. Севастополь. В эксперименте на АЭС наилучший результат продемонстрировал комбинированный образец, содержащий 0,5% масс. НЧ, и 22% масс. оксида меди (I). Его эффективность превышала эффективность коммерческого образца покрытия, содержащего 40% масс. оксида меди (I) и 3% масс. биоцида на основе дихлороктилизотиазолинона.