Краевой угол в разработках антиобледенительных покрытий

Краевой угол в разработках антиобледенительных покрытий

  В последние годы существенно выросла важность разработки антиобледенительных покрытий для различных областей применения. Намерзание льда на поверхностях, особенно на лопастях ветряных мельниц, турбин самолётов, на оптических сенсорах, на обшивке кораблей и т.п. может повлечь за собой как ухудшение эксплуатационных свойств объектов, так и несчастные случаи.

  Обработка самолётов гликольсодержащими средствами для устранения обледенения обходится авиакомпаниям в миллионы долларов в год. Антиобледенительное покрытие может предотвратить намерзание льда на обшивку самолёта во время ожидания момента вылета, что будет являться экологичным и экономически выгодным решением проблемы обледенения. До сегодняшнего времени было разработано множество стратегий для решения проблемы обледенения, но ни одна из них не даёт желаемых результатов в условиях высокой влажности и сурового климата.

  Akhtar et al. опубликовали результаты исследований по разработке нового чрезвычайно лёгкого и прозрачного покрытия на основе фторированного графена, имеющего огромный потенциал для использования в сложных климатических условиях.

  Разработка антиобледенительного покрытия требует внимательного изучения и понимания предпосылок, влияющих на образование льда. Akhtar et al. Установили, что на подавление образования зародышей кристаллов льда на поверхности благоприятно влияют следующие фaкторы:

1.      Минимально возможная площадь контакта между водой и покрытием

2.      Высокая энергия активации образования зародышей кристаллов льда

3.      Сплошной слой воды без разрывов

Кроме этих факторов шероховатость поверхности, её смачиваемость и межфазное натяжение воды существенно влияют на начало процесса обледенения.

  Графен был выбран в качестве основы нового покрытия благодаря лёгкому весу и прочности, оптической проводимости и гладкой поверхности с плохой смачиваемостью. При последующем фторировании поверхности образуется высокополярный фторуглерод, который благодаря своей высокой электроотрицательности меняет свойства и межфазного водного слоя.

  Исходя из вышеуказанного, авторами был изготовлен ряд сапфировых стёкол с покрытием из фторированного графена. Первым шагом исследований стало изучение поведения капель воды на различных стёклах при комнатной температуре: были использованы сапфировые стёкла без покрытия, стёкла с графеновым покрытием и стёкла с фторированным графеновым покрытием с различным содержанием фтора. Поверхность сапфировых стекол без покрытия гидрофильна (краевой угол смачивания (КУС) < 90°), в то время как все стёкла с покрытием показывают гидрофобный характер. Результаты эксперимента также показали, что с повышением содержания фтора растут и значения КУС: высокополярный фторуглерод снижает поверхностную энергию тем сильнее, чем выше его концентрация на поверхности. Было отмечено, что температура начала образования льда существенно варьировалась для стекол без покрытия (-15 C) и фторированных образцов (-23 C).

  Задержка в замерзании капель воды на четырёх разных сапфировых стёклах изучалась при минусовых температурах (от -5 до -15 C) со скоростью охлаждения 5 °C/мин. График 1 показывает, что формирование льда начиналось гораздо позже на фторированных образцах, и антиобледенительный эффект повышается с увеличением концентрации фтора. Более того, покрытия из фторированного графена сохраняют свои свойства даже после 15 циклов заморозки и удаления наледи в течение 90 дней на открытом воздухе.

График 1. Измерение задержки образования льда.

  Также была изучена зависимость КУС воды от температуры поверхности образца (График 2a). В то время, как значение КУС на стёклах без покрытия внезапно падает при -10 C, графеновые и фторуглеродные покрытия показывают практически неизменное значение КУС на протяжении всего эксперимента. Падение значения КУС на стёклах без покрытия вызвано увеличением смачиваемости гидрофильной поверхности с началом формирования льда при температуре около -10°C, что существенно меняет характер смачиваемости этой поверхности. Эти результаты также свидетельствуют о том, что низкое значение свободной энергии поверхности СЭП обусловлено главным образом химическими свойствами фторированного графена и остаётся неизменным даже в условиях сурового климата.

  Для более глубокого понимания антиобледенительного эффекта  авторы схематично отобразили вид сбоку капли воды на фторированной поверхности. На рисунке 2b видно, что кристаллы льда появляются в тех местах, где покрытие негомогенно в то время, как на гладкой поверхности покрытия капля воды остаётся жидкой. Интересно наблюдать, что даже если дефекты поверхности провоцируют образование ледяных кристаллов, в первую очередь их рост на гидрофобных поверхностях идёт по принципу «от поверхности», образовывая подобие щётки. Площадь контакта льда и поверхности при этом типе нарастания льда гораздо меньше, а адгезия льда к поверхности – ниже. Этот эффект может существенно увеличить время задержки замерзания капель.

a)                                                                                    b)

Рисунок 2. a) Зависимость статического КУС от температуры поверхности. b) Вид сбоку на каплю на поверхности с фторуглеродным покрытием.

  Таким образом, в ходе данного исследования было получено новое антиобледенительное покрытие на основе фторированного графена. Покрытие доказало свой высокий потенциал для предотвращения нарастания льда на поверхностях, а также свою выдающуюся прочность и эффективность в среде с высокой влажностью. Кроме этого, авторами была изучена зависимость КУС от температуры поверхности, которая объясняет механизм предотвращения нарастания льда на гидрофобных поверхностях и делает это инновационное покрытие идеальным для применения на лопастях ветряных мельниц, турбин самолётов и сходных деталях, экспонированных низким температурам с повышенной влажностью воздуха.

В исследованиях использовался оптический прибор для измерения краевого угла ОCA 20 в комбинации с камерой на элементах Пельтье.

Больше информации в статье:

Fluorinated graphene provides long lasting ice inhibition in high humidity; Naureen Akhtar, Gloria Anemone, Daniel Farias, Bodil Holst; Carbon 2019, 141, 451–456