CN109967458A - 一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法 - Google Patents
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Abstract
一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，它涉及海洋生物领域，本发明的目的旨在解决传统海洋去污方法对基材损伤不可控、效率低、效果差、污染海洋环境等一些问题。通过激光与微生物污损相互作用产生的烧蚀汽化、剥离、爆炸、产生等离子体、热膨胀、小颗粒飞溅等光‑热‑力耦合作用，使金属材料表面的生物污损层得到快速去除，进而获得满足一定表面质量条件的洁净表面。本发明方法可以空前地同时实现两种功能，即将去污和防污两种作用合二为一，海洋微生物残留薄层的存在可以增加对激光吸收从而降低处理基材的功率，此外基材在处理后可以大幅提高清洗表面的防污功能，从而节省能源，降低成本，提高效果和效率。本发明应用于去污领域。
Description
技术领域
本发明涉及海洋生物领域，它涉及一种用于服役在海洋环境下金属表面发生海洋微生物污损的激光清洗去污防污新方法。
背景技术
海洋生物污损是指海洋生物粘附于海洋工程结构物表面并使其受到破坏的现象。研究表明，由海洋生物污损所导致的船体自重增加使燃油消耗增加40％，整体航运成本增加77％。此外，与海洋微生物附着有关的材料破坏占到涉海材料总量的70％-80％，每年因微生物污损造成的损失高达上千亿美元。在近海战略石油储备装置、近海航天设施装备、海洋核电格栅部件、LNG货船储罐和航空母舰关键结构部件等海洋、航天、核电等高端武器装备的部件表面会发生海洋微生物污损现象，这是金属材料在海洋环境特殊的高盐高湿环境下发生的一类生物污损现象。因此，选择合适的海洋微生物污损去除及防护方法是非常有必要的。
迄今，在海洋生物污损处理方面，在船体或者海洋结构物表面涂覆防污涂料来抑制海洋污损生物的粘附和生长是解决污损问题最主流的策略之一。传统防污涂料尽管能够有效抑制海洋污损生物的粘附与生长，但同时会给海洋水体环境带来严重危害。2008年，国际海事组织(IMO)开始全面禁止使用以TBT或其他有机锡化合物为防污剂的海洋防污涂层。2002年，欧盟斥资1739万欧元用于AMBIO项目的研究，该项目的主要目标之一就是研制具有防污特性的微纳米结构表面，以环境友好方式解决海洋防污问题。除了以上的防污方法以外，还有许多直接去除污损的方法，包括物理方法：电离射线、γ射线和X射线、超声波处理等；化学方法：杀菌剂、壳聚糖等；生物方法：引入其它种类微生物改变局部生态环境食物链；其它方法：改变介质环境、限制营养源等。以上的污损去除与防护方法缺点主要集中在污染环境、破坏生态平衡、效率低、周期长等方面。综上所述，海洋生物污损的去污技术逐渐向绿色、高效高质的趋势发展，防污技术逐渐向构建材料表面微结构化、降低材料表面能的趋势发展，且目前尚无一种技术可以同时实现去污与防污两种功能。
激光清洗技术被誉为“21世纪最具潜力的绿色清洗技术”，它是采用短脉冲(纳秒级)高脉冲频率(千赫兹)的激光对材料表面进行处理，达到快速去除材料表面污染物或某些特定清洗对象的目的，具有绿色、高效、高质、自动化程度高、对基材损伤可控、可达性好、应用范围广等诸多优点。
目前针对激光清洗的典型应用有荷兰LR system公司开发大型移动式CO2激光清洗脱漆设备对空客A380机身4000m2油漆进行去除。美国Cocurrent公司和卡内基梅隆大学在匹兹堡的国家机器人技术工程中心开发两台ARLCRS，应用于犹他州空军基地的F-16战斗机和C-130货机的机身脱漆。美国Lasertronics公司还在北卡罗来纳州的海军陆战队切里波因特空军基地安装了自动旋翼除漆系统，应用于西科斯基CH-53E重型直升机的玻璃纤维复合材料旋翼表面除漆。美国General Lasertronics Corporation公司已在船舶部件表面展开了去除锈蚀和油漆的激光清洗应用。德国Cleanlaser公司将激光清洗技术应用于汽车橡胶/轮胎模具的表面清洗，奥迪TT铝合金车门框表面去除氧化膜，以及PUR聚氨基甲酸酯胶接前表面处理等。
尽管有关激光清洗技术的应用已经如此广泛，包括航空航天、汽车以及模具等行业，但是在海洋工程领域的去污防污领域的应用尚无。针对微生物污损现象已经发生和未发生，可以采取去污技术和防污技术两种不同角度的污损控制技术。在微生物污损现象产生后，采用机械打磨、高压水射流、化学杀菌剂、微生物竞争法等传统的海洋生物去污技术可以有效去除材料表面微生物污损，但是存在对基材损伤不可控、人工作业强度大、成本高、效率低、效果差、污染海洋环境和破坏局部生态平衡等缺点，尤其是机械法清理后显示出基材的表面质量无法保证，获得的新表面能否值得接受面临很大质疑。
发明内容
本发明的目的旨在解决传统海洋去污方法对基材损伤不可控、效率低、效果差、污染海洋环境等一些问题。而提供了一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法。
本发明的这种新方法可以空前地同时实现两种功能，即将去污和防污两种作用合二为一，海洋微生物残留薄层的存在可以增加对激光吸收从而降低处理基材的功率，此外基材在处理后可以大幅提高清洗表面的防污功能，从而节省能源，降低成本，提高效果和效率。
本发明的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，它是按照以下步骤进行的：
一、将激光清洗头以垂直角度或倾斜角度置于待清洗的海洋微生物污损表面上方，保持待清洗表面与场镜距离为170-190mm；
二、激光去除海洋微生物：
设置激光参数：激光功率为200-400W，脉冲宽度为30ns-100ns；脉冲频率为5-100kHz，单脉冲能量为10-200mJ，逐行搭接率为60％-90％；激光扫描速度≤5000mm/s，激光光斑尺寸为50-1000μm；依据上述设置的激光参数，采用激光对待清洗的海洋微生物污损表面进行逐层扫描，以去除海洋微生物；
三、防污基材面获取：
对步骤二完全去除海洋微生物的基材表面进行激光扫描1～5次，即完成所述的海洋微
生物污损激光清洗去污防污；其中，激光参数：激光功率为200-400W，脉冲宽度为30ns-100ns；脉冲频率为5-100kHz，单脉冲能量为10-200mJ，逐行搭接率为60％-90％；激光扫描速度≤5000mm/s，激光光斑尺寸为50-1000μm。
本发明经研究发现激光清洗技术具备绿色、高效高质等出色优势，可以避免传统去污存在的诸多难以解决的问题。在微生物污损现象未发生之前，可以通过在基材表面施加防污涂层/涂料等，本发明发现聚乙二醇基防污涂层、光催化自清洁涂层、生物杀菌剂和表面微结构化是针对抗菌、蛋白质防污和海洋防污的最新研究进展，代表着未来防污技术发展的重要趋势。激光清洗技术在去除海洋微生物污损之后，同样可以实现基材表面微结构化效果，为微生物附着起到很好的抑制作用。防污机理为通过表面分级的粗糙表面形貌，降低不同从纳米到微米不同尺度范围海洋微生物的附着位点，进而延缓了海洋生物膜的形成时间。正是基于上述研究机理，本发明能够有效去除海洋微生物的对船体等污染的问题，而激光清洗在航空航天、汽车以及模具领域应用中并不存在海洋微生物特殊污染的问题，因此，现有激光清洗去污方法，并不能解决本发明海洋微生物污染所存在的上述问题。
本发明将激光清洗头以垂直角度或一定倾斜角度置于待清洗的海洋微生物污损表面上方，待清洗表面与场镜距离大约183mm，清洗过程示意图如图1所示。光纤输出激光最大功率为1000W，脉冲宽度有四档30ns-100ns，脉冲频率在5-100kHz可调，单脉冲能量最大200mJ。当激光从光纤头输出后进入准直镜和反射镜，随后进入振镜扫描系统，即可以实现在二维平面X-Y方向上进行图像扫描，扫描区域形状(＜100mm×100mm)、扫描方式(X方向，Y方向，斜向等)、逐行搭接率(60％-90％)、扫描速度(≤5000mm/s)均可通过计算机程序进行设定，最后经过场镜到达工件表面。此时一个光斑的尺寸为960μm。由于作用在工件表面的激光光斑直径较大，且扫描速度较大，因此可以实现高效的清洗。在清洗去除海洋微生物的过程中，是选择较小的激光功率参数进行逐层扫描去除的，激光功率选择范围200-400W之间，每次去除海洋微生物污损层厚度20μm-65μm，清洗次数可以根据海洋微生物薄层厚度做出决定，这个阶段实现了去污能力。在完全清洗去除海洋微生物薄层后，继续使用激光清洗技术对基材表面进行处理。采用清洗次数(1-5次)与清洗功率(200-400W)，其余参数不变，可以获得具有微纳复合结构的粗糙表面，表面粗糙度1.5-3μm，具备这种特征的粗糙表面均具有良好的超疏水抗菌功能，即防污能力。
这种方法主要有以下几个方面的优势：
1.激光清洗是一种绿色的清洗方法，无需使用任何化学药剂和清洗液，清洗过程中产生的废弃物通过除尘装置可将废料进行收集，废料基本是固体小颗粒粉末，体积小易回收，可以很好地解决化学清洗带来的环境污染及废料处理问题。
2.激光清洗是一种与材料表面无物理机械接触、对基材损伤可控的一种清洗方法。传统的机械打磨去除方法通常是接触式处理，对材料表面有强烈的机械作用力，会损伤材料的表面，在显微镜下观察打磨表面有密集的深浅不一的打磨痕迹，且容易将待去除的清洗对象通过机械力的作用嵌入进材料表面，这些附着于材料表面的残留污物无法得到去除从而导致清洗质量较差。通过改变不同的激光时空、能量特性参数可以调控激光对基材的损伤，包括表面厚度损伤以及表层化学成分的改变，因此采用激光清洗技术可以很好地规避清洗物残留、对基材有机械损伤等问题。
3.激光清洗可以发挥激光技术本身的优势，即可以配合大型龙门机床和机器人，实现良好的可达性，便于实现远程自动化操作，光纤激光可以通过光纤捆绑机械臂进行柔性传输，在一些人难以进入的复杂区域或危险系数较高的场所可以实现精密选区清洗并确保工作人员的安全。
4.激光清洗技术清洗厚度、清洗面尺寸精度很高，且清洗质量均匀，一致性好。对于一些对表面粗糙度或光洁度质量要求较高的需求，通过改变激光能量参数和扫描参数可以获得良好的清洗精度和均匀的清洗表面，达到表面轮廓指标。
5.激光清洗去除对象适用范围很广，可以去除表面各种颜色、厚度、各种特殊物理化学性质的海洋微生物污损，可以有选择性地逐层去除污损层，实现对基材无损伤或对基材的损伤可控。
6.激光清洗效率高，节省时间和成本。激光清洗通常采用振镜扫描模式进行摆动激光扫描式清洗，可以实现高效快速去除清洗对象的目的。
附图说明
图1为激光清洗海洋微生物薄层示意图；(a)海洋微生物清洗去除前(b)海洋微生物完全被清洗去除(c)继续清洗获得粗糙基材表面；其中，1—海洋微生物薄层，2—铝合金基材，3，4—扫描方向，5—场镜，6，7—扫描振镜，8—激光束，9—激光头，10—海洋微生物去除后的光滑清洗表面，11—粗糙铝合金基材表面；
图2为实施例1基材表面海洋微生物污损微观形貌图；
图3为实施例1基材表面激光清洗海洋微生物后的微观形貌图；
图4为实施例1防污基材面微观形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，它是按照以下步骤进行的：
一、将激光清洗头以垂直角度或倾斜角度置于待清洗的海洋微生物污损表面上方，保持待清洗表面与场镜距离为170-190mm；
二、激光去除海洋微生物：
设置激光参数：激光功率为200-400W，脉冲宽度为30ns-100ns；脉冲频率为5-100kHz，单脉冲能量为10-200mJ，逐行搭接率为60％-90％；激光扫描速度≤5000mm/s，激光光斑尺寸为50-1000μm；依据上述设置的激光参数，采用激光对待清洗的海洋微生物污损表面进行逐层扫描，以去除海洋微生物；
三、防污基材面获取：
对步骤二完全去除海洋微生物的基材表面进行激光扫描1～5次，即完成所述的海洋微生物污损激光清洗去污防污；其中，激光参数：激光功率为200-400W，脉冲宽度为30ns-100ns；脉冲频率为5-100kHz，单脉冲能量为10-200mJ，逐行搭接率为60％-90％；激光扫描速度≤5000mm/s，激光光斑尺寸为50-1000μm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中对待清洗的海洋微生物污损表面进行逐层扫描过程中，每层扫描去除海洋微生物污损层厚度为20μm-65μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：扫描区域形状正方形，尺寸＜300mm×300mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的扫描区域是由激光从光纤头输出后进入准直镜和反射镜，随后进入振镜扫描系统，在二维平面X-Y方向上进行图像扫描形成的。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所激光发生器为光纤激光器、二氧化碳激光器或Nd；YAG激光器。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：光纤激光器为千瓦级功率纳秒级脉冲宽度的脉冲光纤激光器；其中，光纤激光的功率为1-2000W，脉冲宽度为30-100ns，脉冲频率为1-100kHz。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：二氧化碳激光器的功率为1-10000W；Nd；YAG激光器的功率为1-2000W。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二和三中的激光扫描速度均为3000-5000mm/s。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：获得的防污基材面表面粗糙度为1.5-3μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：保持待清洗表面与场镜距离为183mm。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式激光清洗方法是利用千瓦级功率(0-2000W)纳秒级脉冲宽度(30-100ns)的脉冲(1-100kHz)光纤激光、二氧化碳激光(0-10000W)或Nd；YAG激光(0-2000W)作用在海微生物污损薄层表面，通过千赫兹的高频脉冲输出，配合二维扫描振镜在指定区域位置进行逐行逐层扫描。通过激光与微生物污损相互作用产生的烧蚀汽化、剥离、爆炸、产生等离子体、热膨胀、小颗粒飞溅等光-热-力耦合作用，使金属材料表面的生物污损层得到快速去除，进而获得满足一定表面质量条件的洁净表面。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，它是按照以下步骤进行的：
一、将激光清洗头以垂直角度置于受海洋微生物污损的船体表面上方，保持待清洗表面与场镜距离为183mm；
二、激光去除海洋微生物：
设置激光参数：激光功率为300W，脉冲宽度为30ns；脉冲频率为20kHz，单脉冲能量为15mJ，逐行搭接率为70％；激光扫描速度3000mm/s；激光光斑尺寸为960μm；依据上述设置的激光参数，采用激光对待清洗的海洋微生物污损表面进行逐层扫描清洗5次，以去除海洋微生物；
三、防污基材面获取：
对步骤二完全去除海洋微生物的基材表面进行激光扫描1次，即完成其中，激光参数：激光功率为300W，脉冲宽度为30ns；脉冲频率为20kHz，单脉冲能量为15mJ，逐行搭接率为80％；激光扫描速度4000mm/s。
扫描区域形状为100mm×100mm，扫描方式为二维平面X方向，每次去除海洋微生物污损层厚度20μm-65μm，得到的防污基材表面粗糙度1.5-3μm。
由本实施例处理海洋微生物后的表面后的形貌如图3所示，继续对基材表面进行激光清洗处理获得的粗糙基材表面形貌如图4所示。而未清洗，受海洋微生物污损船体表面微观形貌如图2所示。从图4可以看出基材表面呈现褶皱、波纹等明显的粗糙表面特征。相比原始基材，此粗糙表面大幅提高了延缓污损附着的能力(100μm厚污损层，时间延长2倍)，超疏水功能十分稳定(角度152℃)。与其它超短/短脉冲激光处理金属表面微结构化相比，激光清洗获得的基材表面所需能量更少，达到相同的防污效果所需能量降低20％。采用相同的激光能量可以获得更加粗糙的表面形貌，防污效果比其它激光加工金属基材获得的功能表面好0.6倍。
Claims (10)
1.一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、将激光清洗头以垂直角度或倾斜角度置于待清洗的海洋微生物污损表面上方，保持待清洗表面与场镜距离为170-190mm；
二、激光去除海洋微生物：
设置激光参数：激光功率为200-400W，脉冲宽度为30ns-100ns；脉冲频率为5-100kHz，单脉冲能量为10-200mJ，逐行搭接率为60％-90％；激光扫描速度≤5000mm/s，激光光斑尺寸为50-1000μm；依据上述设置的激光参数，采用激光对待清洗的海洋微生物污损表面进行逐层扫描，以去除海洋微生物；
三、防污基材面获取：
对步骤二完全去除海洋微生物的基材表面进行激光扫描1～5次，即完成所述的海洋微生物污损激光清洗去污防污；其中，激光参数：激光功率为200-400W，脉冲宽度为30ns-100ns；脉冲频率为5-100kHz，单脉冲能量为10-200mJ，逐行搭接率为60％-90％；激光扫描速度≤5000mm/s，激光光斑尺寸为50-1000μm。
2.根据权利要求1所述的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，其特征在于步骤二中对待清洗的海洋微生物污损表面进行逐层扫描过程中，每层扫描去除海洋微生物污损层厚度为20μm-65μm。
3.根据权利要求1所述的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，其特征在于扫描区域形状正方形，尺寸＜300mm×300mm。
4.根据权利要求1或3所述的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，其特征在于所述的扫描区域是由激光从光纤头输出后进入准直镜和反射镜，随后进入振镜扫描系统，在二维平面X-Y方向上进行图像扫描形成的。
5.根据权利要求1所述的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，其特征在于激光发生器为光纤激光器、二氧化碳激光器或Nd；YAG激光器。
6.根据权利要求5所述的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，其特征在于光纤激光器为千瓦级功率纳秒级脉冲宽度的脉冲光纤激光器；其中，光纤激光的功率为1-2000W，脉冲宽度为30-100ns，脉冲频率为1-100kHz。
7.根据权利要求5所述的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，其特征在于二氧化碳激光器的功率为1-10000W；Nd；YAG激光器的功率为1-2000W。
8.根据权利要求1所述的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，其特征在于步骤二和三中的激光扫描速度均为3000-5000mm/s。
9.根据权利要求1所述的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，其特征在于获得的防污基材面表面粗糙度为1.5-3μm。
10.根据权利要求1所述的一种海洋微生物污损激光清洗去污防污方法，其特征在于保持待清洗表面与场镜距离为183mm。
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