Сверхнизкое загрязнение
Сверхнизкое загрязнение — это показатель способности поверхности удалять потенциальное загрязнение. Поверхности склонны к загрязнению, которое представляет собой явление, известное как обрастание. Нежелательные адсорбаты, вызванные загрязнением, изменяют свойства поверхности, что часто противоречит функциям этой поверхности. Следовательно, во многих областях возникла необходимость в противообрастающих поверхностях: забитые трубы снижают производительность предприятий, биообрастание увеличивает расход топлива на судах, медицинские устройства должны поддерживаться в санитарном состоянии и т. д. Хотя химические ингибиторы обрастания, металлические покрытия и процессы очистки могут быть используемые для уменьшения загрязнения, нетоксичные поверхности с противообрастающими свойствами идеально подходят для предотвращения загрязнения. Чтобы считаться эффективной, поверхность со сверхнизким загрязнением должна быть способна отталкивать и противостоять накоплению вредных агрегатов до концентрации менее 5 нг/см. 2 . [ 1 ] Недавний всплеск исследований был проведен для создания этих поверхностей, чтобы принести пользу биологической, морской, механической и медицинской областях.
Создание поверхностей со сверхнизким загрязнением
[ редактировать ]Высокие поверхностные энергии вызывают адсорбцию , поскольку загрязненная поверхность будет иметь меньшую разницу между поверхностным и объемным координационными числами . Это заставляет поверхность достигать более низкого, более предпочтительного энергетического состояния. Тогда желательна поверхность с низкой энергией для предотвращения адсорбции. Было бы удобно, если бы желаемая поверхность уже имела низкую энергию, но во многих случаях, например в металлах, это не так. [ 2 ] Одним из решений было бы покрытие поверхности полимером с низкой поверхностной энергией, таким как полидиметилсилоксан (ПДМС). Однако гидрофобность покрытия PDMS [ 3 ] заставляет любые адсорбированные частицы увеличивать поверхностную энергию, облегчая адгезию [ 4 ] и в конечном итоге поражение цели. Окисление поверхности ПДМС действительно создает гидрофильные противообрастающие свойства, но низкая температура стеклования позволяет реконструировать поверхность посредством внутренней перестройки: разрушения гидрофильности. [ 3 ]
В водных средах альтернативой является использование высокоэнергетических гидрофильных покрытий; цепи которых гидратируются окружающей водой и физически блокируют адсорбаты. Наиболее часто используемым гидрофильным покрытием является полиэтиленгликоль (ПЭГ) из-за его низкой стоимости. [ 5 ] С другой стороны, ПЭГ очень подвержен окислению, что со временем разрушает его гидрофильные свойства. [ 5 ]
Гидрофильные поверхности обычно создаются одним из двух способов; первым из них является физическая сорбция амфифильного диблок-сополимера, при которой гидрофобный блок адсорбируется на поверхности , оставляя гидрофильный блок доступным для предотвращения обрастания. Второй способ - это методы поверхностно-инициируемой полимеризации, на которые большое влияние оказала разработка методов контролируемой радикальной полимеризации, таких как радикальная полимеризация с переносом атома (ATRP). Физисорбция приводит к грибовидному режиму , в результате чего большая часть площади поверхности гидрофильного полимера сворачивается в спираль, в то время как прививка из подхода приводит к образованию высокоупорядоченных, адаптируемых кистевых полимеров . Слишком толстая или слишком тонкая пленка будет адсорбировать частицы на поверхности. [ 1 ] поэтому толщина пленки становится важным параметром при синтезе поверхностей со сверхнизким загрязнением. Толщина пленки определяется тремя факторами, которые можно индивидуально настроить для получения желаемой толщины: первый — это длина полимерных цепей, второй — плотность прививки и последний — концентрация растворителя во время полимеризации. [ 1 ] Длиной цепочек легко манипулировать, варьируя степень полимеризации путем изменения соотношения инициатора и мономера. Плотность прививки можно регулировать, варьируя плотность инициатора на поверхности. Толщину пленки можно теоретически рассчитать по приведенному ниже уравнению;
где толщина кисти, - количество сегментов в полимерной цепи, – средняя длина привитых полимерных цепей, – плотность прививки. [ 6 ]
Если используются длинные полимерные цепи, то можно использовать относительно редкую плотность прививки, но если цепи короткие, необходима высокая плотность прививки. Более того, концентрация растворителя во время полимеризации влияет на оба этих фактора. Низкая концентрация дает полимеры с короткими щетками высокой плотности, тогда как высокая концентрация приводит к образованию длинных полимеров низкой плотности. В конечном итоге увеличение концентрации растворителя приводит к тому, что поверхность становится склонной к загрязнению. [ 1 ]
Из-за возможного разрушения полиэтиленгликоля противообрастающих поверхностей (ПЭГ) в новых технологиях используются цвиттер-ионные полимеры, содержащие карбоксибетаин или сульфобетаин, из-за их сопоставимой гидратации водой. [ 5 ] Цвиттер-ионы можно использовать для решения проблем, связанных с загрязнением, возникающих в результате использования ПДМС, поскольку ПДМС легко функционализируется цвиттер-ионными полимерами, такими как поли (карбоксибетаинметакрилат) (pCBMA). [ 3 ] Это позволяет легко превратить дешевую и легкодоступную подложку (ПДМС) в противообрастающую поверхность.

Методика тестирования
[ редактировать ]Датчики поверхностного плазмонного резонанса
[ редактировать ]Датчики поверхностного плазмонного резонанса (ППР) представляют собой тонкопленочные рефрактометры, которые измеряют изменения показателя преломления, происходящие в поле электромагнитной волны, поддерживаемой оптической структурой датчика. [ 7 ] SPR широко используются для определения показателя преломления поверхностей со сверхнизким загрязнением, что является важным фактором, определяющим их противообрастающие свойства. Адсорбцию белка можно измерить с помощью ППР, обнаружив изменение показателя преломления, возникающее в результате молекулярной адсорбции на поверхности сенсорного чипа. [ 8 ] SPR, используемые в экспериментах этого типа, имеют предел обнаружения 0,3 нг/см. 2 для неспецифической адсорбции белков [ 9 ] позволяющий идентифицировать поверхность, которая способна достичь сверхнизкого загрязнения (<5 нг/см 2 ). [ 7 ]
Поверхностные покрытия | Адсорбция одного белка | Адсорбция в 100% плазме человека | Адсорбция в 100% сыворотке крови человека |
---|---|---|---|
В [ 10 ] | - | 315 | - |
PCB2-катехол2 [ 8 ] | <0,3 | 8.9 ± 3.4 | 11.0 ± 5.0 |
pSBMA300-катехин [ 1 ] | - | 1.6 ± 7.3 | 22.5 ± 7.5 |
печатная плата [ 7 ] | <0,3 | 3.9 ± 0.8 | - |
pCBAA [ 9 ] | <5 | 4.2 ± 0.3 | - |
поли(МеОЭГМА) [ 10 ] | - | 48 | - |
Эллипсометрия
[ редактировать ]Эллипсометрия , форма чувствительной поляризованной оптической спектроскопии, [ 11 ] позволяет измерять показатель преломления пленки (RI) и толщину пленки, которые являются важными параметрами для формирования поверхности со сверхнизким загрязнением. [ 1 ]
Согласно недавним исследованиям, показатель преломления пленки (RI) является наиболее важным фактором, определяющим ее необрастающие свойства. [ 1 ] Для достижения сверхнизкого загрязнения сухая пленка должна достичь минимальной плотности полимера, которая определяется RI в зависимости от особенностей полимерного покрытия. [ 1 ] RI пленки можно увеличить, комбинируя как длинные, так и полидисперсные цепи. [ 1 ] тем самым увеличивая необрастающие свойства пленки. По измеренному изменению RI способность молекулы адсорбата связываться с поверхностью материала можно определить по формуле
где толщина слоя, - показатель преломления, - количество молекул аналита , а – поверхностная концентрация. [ 7 ] Данные, собранные на цвиттер-ионной пленке pCBAA, позволяют предположить, что для достижения неспецифической адсорбции белка <5 нг/см необходим диапазон RI от 1,50 до 1,56 RIU. 2 , [ 8 ] однако данные будут различаться в зависимости от характера фильма. Это позволяет с помощью простого параметра проверить способность полимерных пленок к сверхнизкому загрязнению.
Еще одним параметром устойчивости к белкам является толщина пленки. Также измеренная с помощью эллипсометрии, слишком маленькая или слишком большая толщина пленки приводит к увеличению адсорбции белка, что указывает на то, что для достижения сверхнизкого загрязнения необходимо достичь некоторого оптимального значения, уникального для поверхности. [ 1 ]
Содержание воды
[ редактировать ]Количество воды, присутствующей во время прикрепления полимера к поверхности, также имеет высокую корреляцию с плотностью упаковки полимерной пленки. [ 1 ] Влияние толщины пленки и RI на необрастающие свойства можно лучше изучить, варьируя содержание воды в растворе. [ 1 ] Это связано с тем, что увеличение количества воды увеличивает доступность конца цепи из-за супергидрофильности цвиттер -ионных материалов и приводит к увеличению скорости полимеризации, что приводит к увеличению толщины пленки. [ 1 ] Однако когда концентрация воды слишком высока, толщина пленки уменьшается из-за усиления радикальной рекомбинации полимерной цепи. [ 1 ]
Возможные применения
[ редактировать ]Антимикробные поверхности
[ редактировать ]Антимикробные свойства металлических поверхностей представляют большой интерес для водоотведения. Металлы оказывают олигодинамический эффект за счет образования оксидов и последующего образования ионов, что делает их биоцидно активными. Это предотвращает прилипание загрязнений к поверхности. колиформных бактерий и E.coli на металлических поверхностях со временем существенно снижается, что указывает на способность этих поверхностей предотвращать биообрастание и, таким образом, способствовать улучшению санитарных условий. Было показано, что содержание [ 12 ] Из этих металлических поверхностей наиболее эффективными оказались медь и цинк. [ 12 ] Было показано, что полиуретан , полиэтиленгликоль и другие полимеры уменьшают внешнюю бактериальную адгезию, что требует применения противомикробных веществ в промышленности полимеров и покрытий. Экологичные альтернативы, такие как топографически модифицированная целлюлоза, также представляют большой интерес из-за возможности вторичной переработки и низкой стоимости. [ 13 ] Поверхности, которые являются супергидрофобными, желательны для предотвращения загрязнения, поскольку сродство к воде коррелирует со сродством к загрязняющим веществам. супергидрофобные ксерогели, изготовленные из коллоидов Было показано, что кремнезема, уменьшают адгезию бактерий, особенно S. aureus и P. aeruginosa . [ 14 ] Необрастающее применение этих полимеров и супергидрофобных покрытий имеет существенное значение для области медицинских устройств.
Морские приложения
[ редактировать ]Накопление морских организмов на судах не позволяет достичь эффективной крейсерской скорости. Таким образом, суда, пострадавшие от биообрастания, потребляют избыточное топливо и несут повышенные расходы.
Предотвращение биообрастания
[ редактировать ]Традиционно морское биообрастание предотвращалось с помощью биоцидов : веществ, которые отпугивают или уничтожают организмы при контакте. Однако большинство биоцидов также вредны для человека, незагрязняющих морских организмов и общей водной среды. Новые правила Международной морской организации (ИМО) практически прекратили применение биоцидов, что привело к стремительным исследованиям экологически чистых материалов со сверхнизким загрязнением.
Краски для тяжелых металлов
[ редактировать ]Токсичные пигменты оксидов меди, железа и цинка смешиваются со связующими на основе производных канифоли для получения водорастворимых матричных красок, которые приклеиваются к поверхностям с помощью грунтовок на битумной основе. Однако у них есть много недостатков, таких как плохая механическая прочность и чувствительность к окислению . Таким образом, растворимые матричные краски могут сохранять работоспособность только в течение 12–15 месяцев и непригодны для медленных сосудов. Напротив, нерастворимые матричные краски должны использовать связующие с более высокой молекулярной массой: акриловые смолы , виниловые полимеры , хлорированные каучуки и т. д. и сохранять более высокую устойчивость к окислению. [ 15 ] Повышенная механическая прочность обеспечивает более высокую биоцидную способность, но также предотвращает постоянное высвобождение биоцида, в результате чего функциональная продолжительность варьируется от 12 до 24 месяцев. Химическая пигментная форма этих тяжелых металлов часто растворяется по следующему механизму:
Хотя показан только оксид меди (II), в данном конкретном случае его можно сравнить с оксидами других тяжелых металлов. Наиболее эффективным металлическим вариантом является с трибутилоловом водорастворимая самополирующаяся краска (ТБТ), эффективность которой, по оценкам, в 1999 году позволила сэкономить около 2400 миллионов долларов США и покрыть 70% коммерческих судов:
Однако ТБТ, медь, цинк и все другие покрытия из тяжелых металлов были объявлены ИМО вне закона. [ 15 ]
Полидиметилсилоксан и производные
[ редактировать ]Покрытия из полидиметилсилоксана (ПДМС) не обладают биоцидными свойствами, оставляя океанские виды невредимыми. В основе этих эластомеров лежит предотвращение загрязнения: предотвращение прилипания органических материалов к подложке. Это достигается благодаря неполярности и, что более важно, низкой поверхностной энергии ПДМС. Следовательно, механическая прочность низкая, что ограничивает эффективность и увеличивает время докования. В качестве контрмеры эластомеры ПДМС часто армируют углеродными нанотрубками и минералом сепиолитом. [ 16 ] Сообщается также, что свойства удаления загрязнений были улучшены за счет присоединения солей четвертичного аммония к основной цепи полимера. В настоящее время проводятся дальнейшие исследования по улучшению эффектов ПДМС и его производных.
Механические приложения
[ редактировать ]Также было показано, что сплавы никеля и меди устойчивы к коррозии и точечной коррозии , что представляет интерес для трубопроводных систем механического применения, особенно в морской нефтяной промышленности. Более высокий процент меди в этих сплавах (90/10 и 70/30) коррелирует с более высокой устойчивостью к биообрастанию и коррозионному загрязнению . Другие механические применения этих сплавов включают сети и клетки для рыбоводства, гидравлические тормозные системы, трубопроводы для систем охлаждения и компоненты установок мгновенной перегонки для опреснения воды. [ 17 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н Браулт, Норман; Харихара Сундарам; Ютин Ли; Чун-Джен Хуан; Цюмин Юй; Шаойи Цзян (2012). «Показатель преломления сухой пленки как важный параметр для покрытий со сверхнизким обрастанием поверхности». Биомакромолекулы . 13 (3): 589–593. дои : 10.1021/bm3001217 . ПМИД 22352876 .
- ^ Бонди, А. (1953). «Растекание жидких металлов по твердым поверхностям. Химия поверхности высокоэнергетических поверхностей». Химические обзоры . 52 (2): 417–458. дои : 10.1021/cr60162a002 .
- ^ Перейти обратно: а б с Киф, Эндрю; Норман Д. Бро; Шаойи Цзян (2012). «Подавление реконструкции поверхности супергидрофобного ПДМС с использованием супергидрофильного цвиттериоинового полимера» . Биомакромолекулы . 13 (5): 1683–1687. дои : 10.1021/bm300399s . ПМЦ 4828927 . ПМИД 22512660 .
- ^ Винн, К; Г. Суэйн; Р. Фокс; и др. (2000). «Два силиконовых нетоксичных антиобрастающих покрытия: ПДМС, отверждаемый гидросилированием, и наполненный CaCO3, отверждаемый этоксисилоксаном RTV11». Биологическое обрастание . 16 (2–4): 277–288. дои : 10.1080/08927010009378451 . S2CID 84097977 .
- ^ Перейти обратно: а б с Циншэн, Лю; Анурадха Сингх; Линюнь Лю (2013). «Цвиттерионный поли(серинметакрилат) на основе аминокислот в качестве противообрастающего материала». Биомакромолекулы . 14 (1): 226–231. дои : 10.1021/bm301646y . ПМИД 23228182 . S2CID 20508597 .
- ^ Батт, Ханс-Юрген (2006). Физика и химия интерфейсов . Вейнхим: WILEY-VCH Verlag GimgH & Co. KGaA. п. 114. ИСБН 9783527406296 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Гомола, Иржи (2008). «Датчики поверхностного плазмонного резонанса для обнаружения химических и биологических веществ». Химические обзоры . 108 (2): 462–493. дои : 10.1021/cr068107d . ПМИД 18229953 .
- ^ Перейти обратно: а б с Хуан, Чун-Джен; Ютин Ли; Шаойи Цзян (2012). «Платформа на основе цвиттер-ионного полимера с двухслойной архитектурой для сверхнизкого загрязнения и высокой нагрузки белка». Анальный. Хим . 84 (7): 3440–3445. дои : 10.1021/ac3003769 . ПМИД 22409836 .
- ^ Перейти обратно: а б Гао, Чанглу; Гожу Ли; Хун Сюэ; Вэй Ян; Фэнбао Чжан; Шаойи Цзян; ООО «ЭЛЬЗЕВИЕР СКИ» (2010). «Функционализируемые цвиттерионные поверхности со сверхнизким загрязнением с помощью адгезивных связей, имитирующих мидии». Биоматериалы . 31 (7): 1486–1492. doi : 10.1016/j.bimaterials.2009.11.025 . ПМИД 19962753 .
- ^ Перейти обратно: а б Ридель, Томас; Зузана Риделова-Рейхельтова; Павел Маек; Сезар Родригес-Эмменеггер; Милан Хоуска; Ян Дир; Эдуард Брында (2013). «Полная идентификация белков, ответственных за загрязнение плазмы крови человека на поверхностях на основе поли(этиленгликоля)». Ленгмюр . 29 (10): 3388–3397. дои : 10.1021/la304886r . ПМИД 23391268 .
- ^ Оутс, Т.В.; Х. Вормистер; Х. Арвин (2011). «Характеристика плазмонных эффектов в тонких пленках и метаматериалах с использованием спектроскопической эллипсометрии» (PDF) . Прогресс в науке о поверхности . 86 (11–12): 328–376. дои : 10.1016/j.progsurf.2011.08.004 .
- ^ Перейти обратно: а б Варки, Эй Джей (18 декабря 2010 г.). «Антибактериальные свойства некоторых металлов и сплавов в борьбе с колиформами в загрязненной воде». Научные исследования и очерки . 5 (24): 3834–3839.
- ^ Балу, Баламурали; Виктор Бридвелд; Деннис В. Хесс (10 января 2008 г.). «Изготовление «скатываемых» и «липких» супергидрофобных целлюлозных поверхностей посредством плазменной обработки». Ленгмюр . 24 (9): 4785–4790. дои : 10.1021/la703766c . ПМИД 18315020 .
- ^ Дж. Приветт, Бенджамин; Чонхэ Ён; Сун А. Хонг; Джиён Ли; Джунхи Хан; Джэ Хо Шин; Марк Х. Шенфиш (30 июня 2011 г.). «Антибактериальные супергидрофобные поверхности из фторированного диоксида кремния» . Ленгмюр . 27 (15): 9597–9601. дои : 10.1021/la201801e . ПМК 3163484 . ПМИД 21718023 .
- ^ Перейти обратно: а б Алмейда, Элизабете; Диамантино, де Соуза (2 апреля 2007 г.). «Морские краски: частный случай противообрастающих красок, прогресс в области органических покрытий». Прогресс в области органических покрытий . 59 (1): 2–20. doi : 10.1016/j.porgcoat.2007.01.017 .
- ^ Турчин, Винди. «Нетоксичные полимерные покрытия для устойчивых к обрастанию морских поверхностей» (PDF) . www.chemistry.illinois.edu . Проверено 4 июня 2013 г.
- ^ Пауэлл, Калифорния «Медно-никель для коррозионной стойкости морской воды и защиты от обрастания – современный обзор» . Проверено 5 июня 2013 г.