UV-C保持船体免于生物污损
图1：在墨尔本（澳大利亚）港口，UV-C原型保持清洁，不受生物污染。在左侧，基准硅胶面板没有UV-C，这是完全生物污染的（由国防科技集团提供测试）。
图3：表面紫外线照射的模型模拟与相应的生物污损测试的比较。左侧是带有单个LED的硅胶板，在水族箱中进行测试。在海况下测试完整原型面板的右侧。红线标记从模拟预测的0.3mW / m2辐照度水平的位置。
作者：Niek Hijnen（博士）在阿克苏诺贝尔涂料技术集团工作，目前专注于UV-C防污技术的技术开发以及提高涂料防腐性能的新技术。 www.akzonobel.com
船体上存在生物污垢会增加航行期间水的阻力，从而增加燃料消耗，从而导致二氧化碳排放增加以及船东的成本增加。因此，应用于船体水下区域的涂料通常含有生物杀灭剂以阻碍生物污垢的生长或具有不粘特性，允许在容器加速时释放污垢。
阿克苏诺贝尔正在与皇家飞利浦公司合作开发一种新技术，该技术采用与船体生物污染控制中使用的传统涂料完全不同的方法。它使用紫外线-C（UV-C）发射层施加在船体的水下区域，以保持表面清洁不被污染。 UV-C辐射通过其DNA吸收来灭活或杀死微生物，这种特性经常应用于水和空气净化系统，防止生物污垢的附着和生长。
这种新方法已经证明能够使表面完全清洁，不受任何生物污损（图1）的影响，这是目前涂料系统无法提供的防污水平。在船舶航行和停靠时都是这种情况。固定原型瓷砖已经在世界各地进行了测试，并且已被证明能够在已知会造成高污染挑战的各个地方保持清洁，例如新加坡和澳大利亚的大堡礁。除了通过提供无与伦比的防污性能来减少二氧化碳排放外，该技术还是一种无杀菌剂和零VOC解决方案，这是其他重要的可持续发展目标。
UV-C从UV-LED发出，UV-LED嵌入有机硅光导中，有助于将辐射分布在整个表面上。原型目前是30x30cm2的瓷砖，厚度为10mm，并且它们具有硬连线的电缆用于供电。为了优化由各个LED保持清洁的区域，它们被配置成使得它们侧向发射到平面中。一部分发射的光由光导沿着表面被引导，这可以用外部绿色激光器来证明，其光束入射在面板的侧面（图2）。
图2：UV-C概念的工作原理示意图。在右边，演示了测试面板中波导的原理。在目前的设计中，反射材料在底部施加以向外反射UV-C，而其中一些反射材料通过硅 - 水界面处的全内反射而反弹回来。沿着表面被引导的部分UV-C可以通过漫散射离开发光层朝向外表面，使得生物有机体在整个表面处的UV-C暴露。
了解组件的属性，使用的材料和瓷砖的设计允许模拟表面上的UV-C辐照度水平。通过将来自单个LED测试样品的数据与实验污垢暴露观察结果联系起来，发现每平方米仅约1mW的低UV-C强度已足以防止生物污损（图3左图）。随后，该阈值可用于模型模拟，以设计包含发光层的多个LED，确保LED的定位和其他设计参数使得整个表面保持无污垢（图3，右图） 。
最终，在船上，该技术将在具有挑战性的使用条件下应用。另外，UV-C发光层内的组分可在某些位置暴露于高UV-C辐射水平。因此，在考虑耐用性，加工和制造以及与该技术相关的总体设计标准时，材料选择变得至关重要。尽管存在这些困难，但最近的原型已经表明在该领域连续运行近两年后仍然表现良好。
大部分光导由硅树脂制成，当适当配制时，它可以表现出高UV-C透明度，在275nm波长下每厘米透射率约为80％。该特性对于该技术的性能至关重要，因为它能够在表面上分布UV-C，以达到相对较低的强度水平，使用有限数量的LED保持表面清洁。虽然相当灵活，有助于将应用应用于曲面，但硅树脂层还可以保护嵌入其中的电子元件。原型的机械测试已经证明，光导内的电子器件可以承受与水砰击或由挡泥板摩擦相关的典型冲击力。
将使用粘合剂背衬将发光层固定到船体上。目前，原型设计相对较厚（10毫米），最终，设计将更接近典型的层压薄膜。仍然需要仔细选择粘合剂溶液。为此，除了实验室测试之外，正在进行专门的现场测试以评估粘合剂的性能并确保发光层保持在适当位置。
正在开发的新一代原型将采用更薄的设计（~4mm），没有硬连线，并提供更大的面板尺寸（约50x50 cm2）。该新型UV-C LED具有薄侧视封装，可以直接用于在平面内发射而无需额外安装封装的步骤。通过将瓷砖的边缘放置在电源板的顶部上的电感耦合将用于为LED供电，省略了连接每个瓷砖的硬连线电缆的需要。另外，将应用材料的改进以避免由于加工期间材料性质的变化而产生的应力的假象。
将技术推向市场的后续步骤将是开发可扩展的制造，延长产品寿命，以及船舶上的实际全面应用。新的原型将在操作容器上作为瓷砖组件而不是单个瓷砖进行测试。这将有助于优化现场安装程序，而在服务使用允许建立绩效跟踪记录。通过两年的现场表现，当然可以期待进一步的改进。逐步进一步提高UV-C LED性能（寿命，效率）将成为未来产品解决方案的基础。
结合两家公司的能力，为市场准备这项技术现在是全球团队的努力。皇家飞利浦在使用UV-LED设计系统方面拥有专业知识和知识产权（IP），AkzoNobel在材料化学，粘合和表面保护方面拥有丰富的专业知识。该系统的开发涉及在美国，欧洲和亚洲发生的活动，而船体是目前努力的主要应用领域，该技术的可能性也存在于利基领域应用中，例如海水箱。总体而言，该技术提供了无与伦比的防污性能以及对可持续发展目标的益处，尽管其面临的一大挑战在于它能够在市场中发挥作用，因为它与传统解决方案截然不同。最终，协作和教育对于使这种新颖的技术在海洋工业中取得成功至关重要。
作者：
Niek Hijnen（博士）在阿克苏诺贝尔涂料技术集团工作，目前专注于UV-C防污技术的技术开发以及提高涂料防腐性能的新技术。 www.akzonobel.com
Michel Jongerius（博士）在飞利浦研究光子学和制造技术创新方面拥有37年的经验。目前，他是RunWell紫外线防污项目的项目经理
