Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorLein, Hilde Lea
dc.contributor.advisorHallsteinsen, Ingrid
dc.contributor.advisorKelly, Michael Robert
dc.contributor.advisorDam, Anh Hoang
dc.contributor.authorBjaanes, Tuva Jevnaker
dc.date.accessioned2022-09-13T17:19:35Z
dc.date.available2022-09-13T17:19:35Z
dc.date.issued2022
dc.identifierno.ntnu:inspera:108213079:32547752
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/3017608
dc.description.abstractBiologisk begroing definerer uønsket vekst av marine organismer, bl.a. kiselalger, på overflaten av marine konstruksjoner. Maritim industri har tradisjonelt sett bekjempet begroing ved belegg som inneholder tilsetningsstoffer med gro-hindrende egenskaper, kalt bunnstoff. Problemet med kommersielle bunnstoff er bruk av stoffer som er skadelige mot miljøet og ikke-groende arter, f.eks. kobberoksid. Grafen (G) og Grafen Oksid (GO) er ansett som interessante erstatninger, med lovende gro-hindrende egenskaper og lav toksisitet mot ikke-groende arter, og med mulighet til å forbedre mekaniske egenskaper til epoxy-baserte belegg. Det overordnede målet i denne masteroppgaven har vært å produsere epoxy-baserte belegg med tilsetning av G og GO, for å undersøke gro-hindrende og mekaniske egenskaper egnet for marine anvendelser. Overflateegenskaper relevant for gro-hindrende ytelse som partikkelfordeling, kontaktvinkel, overflateenergi og ruhet ble vurdert med hensyn til G- og GO-innhold. Mekanisk ytelse ble evaluert ved nanoindentasjonsmålinger, ved å måle beleggenes hardhet, Youngs modul og ripemotstand. Videre ble den gro-hindrende oppførselen til G og GO undersøkt ved å kvantifisere algevekst på beleggenes overflate etter to ukers nedsenkning i maritimt miljø. Dette eksperimentet ble utført to ganger, ved bruk av en blandingskultur av marine organismer som representerte et realistisk maritimt miljø, og ved bruk av en algekultur av én begroingsart for enklere karakterisering. Sol-gel metoden ble brukt til å fremstille epoxy-baserte belegg med jevnt fordelte G- og GO-flak. Stabile G-dispersjoner ble trolig oppnådd som resultat av elektrostatisk stabilisering. GO-dispersjoner viste tegn til sedimentering etter én uke, men enkel re-separering av GO-flak var mulig som følge av frastøtende krefter fra funksjonelle overflategrupper av GO. Store basalplan og funksjonelle grupper av GO sørget trolig for mekaniske sammenlåsninger og kjemiske bindinger i epoxy-nettverket, som tilførte spenningsoverføringer og økt tverrbunnethet. Som følger av dette, ble hardhet og elastisk oppførsel av GO-belegg forbedret sammenlignet med G-belegg. Evalueringen av gro-hindrede egenskaper indikerte at G- og GO-belegg opplevde redusert begroing sammenlignet med rene epoxy-belegg, men det ble ikke funnet en konsistent trend i gro-hindrede egenskaper med økende G- og GO-innhold. G-belegg fremsto 50% mindre begrodd enn rene epoxy-belegg, og viste dermed best ytelse til å hindre begroing. Målte overflateegenskaper underbygget ikke den observerte oppførselen til G- og GO-belegg. Derfor ble den dominerende gro-hindrende mekanismen for G og GO antatt å være generering av oksidativt stress. Med hensyn til videre arbeid vil det være fordelaktig å undersøke større areal av prøvene for å minimere måleusikkerhet. Tykkelsen av den produserte biofilmen kan med fordel måles ved å farge microorganismer med f.eks. krystallfiolett for å videre underbygge den gro-hindrede oppførselen til G og GO.
dc.description.abstractBiofouling defines the undesired accumulation of marine biological matter, like diatoms and bacteria, onto submerged surfaces. Marine industries have traditionally fought biofouling through the application of coatings with antifouling agents. The main challenge with today's commercial antifouling coatings is the use of toxic compounds, such as cuprous oxide, that target innocent species and promote environmental issues. Graphene materials have shown promising antifouling properties with low toxicity to non-target species, making them an appealing alternative to conventional agents. In addition, Graphene (G) and Graphene Oxide (GO) have been proven to increase the mechanical performance of coatings. The main objective of this master's thesis was to develop epoxy-based coatings with well-dispersed G and GO nanoparticles, to investigate their antifouling and mechanical properties suitable for marine applications. Surface characteristics relevant for antifouling performance, including sheet distribution, wetting properties, and surface roughness, were considered with respect to G and GO content. The coating performance was evaluated by nanoindentation measurements, to estimate the coating's hardness, Young's modulus, and scratch resistance. Furthermore, the growth inhibitory properties of G and GO were assessed by measuring algae growth on coatings after two weeks of submersion in seawater. The first experiment utilized a mixed algae culture to simulate a realistic marine environment. The second experiment used an algae culture of a single fouling specie to make the subsequent characterization easier. The sol-gel process was used to make epoxy nanocomposite coatings with evenly distributed G and GO sheets. Stable G slurries were achieved presumably as a result of electrostatic stabilization. GO slurries experienced sedimentation after one week, but easy re-dispersion of GO sheets appeared due to repulsion forces from their surface functional groups. An enhanced hardness and elastic behavior appeared for GO coatings compared to G coatings. Most likely, the large basal planes and oxygenated functional groups of GO sheets ensured mechanical interlocking and chemical coupling within the epoxy network, facilitating stress transfers and an increasing cross-linked density. The antifouling assessment indicated that G and GO coatings had less marine growth compared to pure epoxy coatings, with no consistent trend with increasing G and GO content. G coatings expressed the strongest antifouling behavior, with 50% less fouling compared to pure epoxy coatings. Preliminary measures of surface characteristics, relevant to antifouling performance, did not substantiate the observed antifouling behavior of G and GO coatings. Indeed, oxidative stress was believed to be the dominant antifouling mechanism. In future research, it would be beneficial to examine larger areas of the samples to reduce measurement uncertainty. Performing biofilm thickness measurement by staining the marine growth, with e.g. crystal violet, could extend the understanding of the antifouling performance of G and GO.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleApplication of Graphene and Graphene Oxide as Antifouling Agents in Epoxy-Based Coatings
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel