Graphene Oxide Coatings for Anti-Fouling Applications

Abstract

Belegg (coatinger) med grohindrende egenskaper har evnen til å hemme algevekst på konstruksjoner i marine næringer, i skipsfart, offshoreindustri, fiskeoppdrett og vannrensing. I dag brukes kobberoksid i flere relaterte belegg for å unngå vekst av alger. Kobberoksid er svært giftig, med fare for langtidsvirkninger, for organismer i vann. Akkumulasjon av kobber i marine miljø og næringskjeder er uønsket, og det er derfor svært relevant å finne en mindre skadelig erstatning. Grafénmaterialer viser veksthemmende egenskaper gjennom flere foreslåtte mekanismer, der oksidativt stress (overskudd av frie radikaler) i organismer er den best begrunnede forklaringen. Grafénoksid gjør det mulig å bruke et veksthindrende middel uten skadelige elementer som også har gode mekaniske egenskaper, for å redusere både miljøfarer og vedlikeholdskostnader.

I denne oppgaven var målet å syntetisere veksthemmende coatinger og sammenligne de grohindrende egenskapene til grafénoksid (GO) og kobber(II)oksid (CuO). Sol-gel metoden ble brukt til å syntetisere en silikacoating basert på tetraetylortosilikat-monomerer, hvor grohindrende middel ble tilsatt. CuO suspensjonene dannet ikke stabile dispersjoner og den ferdig coatede overflaten ga en heterogen og agglomerert overflate. Resultatene for disse coatingene er ikke sammenlignbare med resultatene for GO coatingene.

Belagte stålsubstrater ble karakterisert med hensyn på overflatestruktur (SEM), topografi (AFM), fukting (kontaktvinkermålinger) og adhesjonsstyrke (skrapetester). GO forbedrer adhesjonsegenskapene og styrken til coatingen. Sammenlignet med silika- og kobberoksidcoatinger viser kontaktvinkelmålinger at GO har dårligere fuktingsegenskaper. Dette forklares fra ruheten til overflaten, som øker med økende konsentrasjon av GO.

Flere biofilmeksperimenter ble gjennomført på belagte polyetylen (PE) substrater, og eksperimentene ble kjørt i én til fire uker. De abiotiske parameterene (temperatur, vannstrøm og lystilgang) ble holdt konstante, mens tilgangen til næring varierte. Fra eksperimentene på én uke, var det ikke mulig å trekke en konklusjon angående effekten av GO som grohindrende materiale. I forsøket kjørt i fire uker, viste GO å redusere bakterieveksten etter en periode på to uker. GO coatingen, med vektforholdet 0,015 GO/TEOS (C-150), viste de beste grohindrende egenskapene og reduserte bakterieveksten med omtrent 83%. Oksidativt stress er antatt å være den dominerende antibakterielle mekanismen i GO materialet.

Den eksperimentelle prosedyren viste seg å være vellykket med tanke på å fremstille et GO-belegg som er egnet for bestemmelse av grohindrende egenskaper i GO.

Coatings for anti-fouling application serve the ability to prevent algae growth on constructions in marine industries; in shipping, offshore industries, fish farming and water treatment. Today, copper oxide is widely used for anti-fouling purposes. It is highly toxic for water living organisms and accumulation in the food chains are of concern. Hence, it is highly relevant to find a less harmful substitute. Graphene materials exhibit growth inhibiting properties through different proposed mechanisms, where oxidative stress (excess of free radicals) in organisms is the most believed explanation. Graphene oxide makes it possible to utilize an anti-fouling agent without any harmful elements that also provides good mechanical properties, in order to reduce both environmental hazards and maintenance cost.

The object of this thesis was to synthesize anti-fouling coatings and compare the effect of graphene oxide (GO) and copper(II)oxide (CuO). The sol-gel process was utilized to synthesize a silica sol (from Tetraethyl Orthosilicate monomers), where anti-fouling agents were added. CuO did not disperse in the sol, leaving the final coating heterogeneous and agglomerated, and the examined results were not comparable to the GO coatings.

Coated steel substrates were characterized with respect to surface structure (SEM), topography (AFM), wetting (contact angle measurements), and adhesion strength (micro scratch tester). GO increases coating adhesion and improve strength. Compared to the reference silica coating and CuO coatings, the contact angle measurements showed a more hydrophobic character of the GO coatings. This was explained by chemical composition and surface roughness. Roughness were found to increase for increasing concentrations of GO.

Several biofilm experiments were performed on spray coated polyethylen (PE) substrates, and the experiments were run for one to four weeks. The abiotic factors (temperature, current and light access) were kept constant for all experiments, only varying the access of nutrients. From the one week experiments it was not possible to draw a conclusion upon the effects of GO as anti-fouling agent. In the four week experiment, the GO additive, was found to reduce the growth after a period of two weeks. The GO coating containing 0.015 GO/TEOS weight ratio (C-150) exhibits the best growth inhibiting properties, reducing bacteria growth with approximately 83%. Oxidative stress is believed to be the dominating antibacterial mechanism in the GO material.

The experimental procedure proved successful to prepare a GO coating suitable for determination of the anti-fouling properties in GO.