Исследовательская работа «ЛОТОСЫ НА СНЕГУ» (Исследование возможности использования высокогидрофобных покрытий для борьбы с обледенением)

ФГУП «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ» (ВИАМ)

ГБОУ «ШКОЛА № 2044»

Исследовательская работа
«ЛОТОСЫ НА СНЕГУ»
(Исследование возможности использования высокогидрофобных покрытий
для борьбы с обледенением)

Работу выполнили:
учащиеся 7Б кл Картяев Владимир, Кукин Евгений, Колесникова Ксения, Султанов Жафар.

Научные руководители:
Кондрашов Станислав Владимирович, к.ф.-м.н., Кондрашова Светлана Ивановна, учитель физики

Москва, 2019

СОДЕРЖАНИЕ:

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена исследованию возможности увеличения эффективности борьбы с процессом обледенения путем использования высокогидрофобных покрытий.

На основании литературных источников было установлено, что краевой угол смачивания определяется взаимодействием молекул жидкости с поверхностью твердого тела и поверхностным натяжением жидкости. Краевой угол зависит от покрытий, которые нанесены на поверхность, а также рельефа поверхности. Было выдвинуто предположение о том, что возможной причиной возникновения эффекта сверхгидрофобности, являются капиллярные явления.

Так же установлено, что гидрофобность широко распространена в природе и служит для приспособления живых организмов к изменениям внешних условий.

На основании экспериментов показана возможность изготовления высокогидрофобных покрытий путем распыления дисперсий, содержащих углеродные нанотрубки и полимерную матрицу с низкой поверхностной энергией.

Установлено, что величина краевого угла для таких покрытий составляет 127^-145^ . Полученные покрытия увеличивают время замерзания капли воды более чем в два раза.

Установлено, что величина адгезии льда к поверхности различных материалов определяется соотношением между краевым углом и углом скатывания. Наименьшая адгезия льда достигается при минимальном взаимодействии капли с поверхностью и малом трении капли.

Показано, что адгезия льда к высокогидрофобным покрытиям наибольшая из всех исследованных материалов. Возможной причиной увеличения адгезии к высокогидрофобным покрытиям является проникновение воды в складки рельефа.

Наименьшей адгезией льда обладает покрытие на основе силиконового герметика, который вероятно, является наиболее перспективным для создания антиобледенительных покрытий поверхностей.

ВВЕДЕНИЕ

Нарастание льда на проводах линии электропередач, корабельных надстройках, плоскостях летательных аппаратов, крышах строительных конструкций приводит к существенным финансовым потерям, а ряде случаев к человеческим потерям. Поэтому работы по исследованию обледенения и разработке способов борьбы с ним являются актуальными.

Существуют активные способы борьбы с обледенением:

• Механический, при котором образовавшийся лед разрушается в результате силового воздействия на него и его обломки удаляются;

• Физико-химический, при котором используются специальные жидкости, понижающие температуру замерзания переохлажденных капель воды или уменьшающие силу сцепления льда с обшивкой;

• Тепловой, при котором используется нагрев защищаемой поверхности до температуры таяния льда;

• Электроимпульсный, который состоит в разрушении (уже образовавшихся) снежно-ледовых образований с помощью генератора упругих деформаций. Эти импульсы, воздействуя на кровлю, создают мгновенные перегрузки и разрушают связь снежных или ледовых образований с поверхностью кровли. Создается, как бы деформационная волна, проходящая по кровле и способная очистить поверхность крыш зданий.

Недостатки традиционных способов:

• Большие затраты энергии;

• Нарушение экологии после использования антиобледенительных
  реагентов;

• Механические повреждения конструкций.

Одним из способов увеличения эффективности борьбы с процессом обледенения является использование покрытий, которые обеспечивают удаление капель с поверхности и низкой адгезией льда. В настоящее время одним из возможных вариантов решения данной проблемы является использование сверхгидрофобных покрытий.

Гипотеза – высокогидрофобные¹ покрытия увеличивают эффективность борьбы с обледенеем.

Объект исследования: высокогидрофобное покрытие и его свойства.

Предмет исследования: адгезия льда.

Цель работы – исследовать адгезию² льда к высокогидрофобным покрытиям поверхности.

Для достижения данной цели мы поставили следующие
задачи:

• Изучить законы смачивания поверхности водой;

• Изучить проявление гидрофобности в природе;

• Изучить свойства высокогидрофобных покрытий;

• Исследовать зависимость величины адгезии льда к различным материалам от краевого угла;

• Исследовать адгезию льда к высокогидрофобному покрытию.

¹Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωρ– вода и φόβος – боязнь, страх) — это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой. Высокогидрофобные покрытия имеют угол смачивания от 110° до150° , сверхгидрофобные – более 150°. 

²Адгезия (от лат. adhaesio – прилипание) в физике – сцепление поверхностей разнородных твердых или жидких тел.

ЗАКОНЫ СМАЧИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ВОДОЙ

Смачивание – это поверхностное явление, которое возникает при взаимодействии молекул жидкости с молекулами твердого тела, которые расположены на его поверхности. Мерой взаимодействия является краевой угол рис.1.

Рис1. Форма капли на поверхности твердого тела.

На границу капли действуют следующие силы:

- сила взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела. Данная сила стремиться «растащить» жидкость по поверхности твердого тела. Эта сила называется адгезией;

- сила взаимодействия между молекулами жидкости. Эта сила называется когезией;

- сила взаимодействия между молекулами окружающего газа и молекулами жидкости. Данная сила стремиться сократить поверхность жидкости. Эта сила- поверхностное натяжение.

Так как граница капли находится в равновесии, то все эти силы уравновешены. Тогда для косинуса краевого угла можно записать:

(1)

Все действующие силы стремятся изменить поверхность капли и могут быть вычислены через работу этих сил по изменению площади поверхности по формуле:

(2)

Где энергия поверхностного натяжения на границе между различными фазами («гомогенная» одинаковая по составу часть сложной системы ограниченная поверхностью раздела).

Окончательно, для краевого угла можно записать выражение:

(3)

Эта формула называется формулой Юнга.

Как следует из формулы 3 и рис.1, если угол острый (это означает, что взаимодействие между жидкостью и твердым телом больше чем взаимодействие между молекулами жидкости, что - ) то поверхность смачивается и называется гидрофильной. Гидрофильные поверхности имеют: стекло, металл, дерево, лед.

Если угол тупой (это означает, что когезионное взаимодействие молекул жидкости превышает адгезионное взаимодействие между молекулами жидкости и твердого тела), то такая поверхность называется гидрофобной. Гидрофобные поверхности имеют парафин, фторопласт.

Смачивание твердого тела очень сильно зависит от покрытия, которое находится на его поверхности. Если на поверхность стекла протереть спиртом (спирт хорошо удаляет различные загрязнения), то капля воды на поверхности стекла растечется рис.2а. Если же на стекло напылить защитную пропитку для обуви «Salton», то поверхность стекла будет отталкивать молекулы воды и краевой угол увеличится рис.2б.

Рис.2а.
Капля воды на поверхности чистого стекла

Рис. 2. Смачивание поверхности стекла

Рис.2б.
Капля воды на поверхности стекла, обработанного защитной пропиткой

Другим фактором, который влияет на краевой угол, является рельеф на поверхности твердого тела.

Максимально возможные значения краевого угла для гидрофобных поверхностей составляют не более 120^. Существенно увеличить этот угол возможно, если создать на поверхности специальный рельеф, похожий на рельеф, который существует на лепестках лотоса.

Рис.3. Лепесток лотоса под электронным микроскопом

Как видно из рис.3 на поверхности цветка лотоса находятся своеобразные «лохматые шипы» из воскообразного вещества, которое не смачивается водой. Именно такая структура обеспечивает «эффект лотоса»- попав на поверхность лепестка капля воды сразу скатывается с неё, поверхность самоочищается.

Самоочищающиеся поверхности являются очень распространенными в живой природе. По такому же принципу построены ножки водяного паучка-водомерки, перья водоплавающих птиц.

Краевой угол на поверхности гидрофобных покрытий с рельефом может достигать 160^-170^ ( рис.4).

Рис.4 Капля на сверхгидрофобной поверхности

Возможной причиной возникновения сверхгидрофобности являются капиллярные явления.

Если взять сито с мелкой ячейкой, пропитать его растительным маслом, то капля воды не будет проливаться через такое сито.

Поверхность лепестка лотоса подобна такому ситу. Поэтому капля контактирует лишь с вершинами шипов. Так как сила взаимодействия жидкость–твердое тело пропорциональна площади контакта, то из-за малости площади эта сила взаимодействия является малой. В результате капля принимает шарообразную форму, которая наиболее выгодна с точки зрения поверхностной энергии (капля воды в невесомости).

Поэтому капля не заполняет неровности рельефа. Такой режим смачивания называется режим Касси-Бакстера ( рис.5).

Рис. 5. Режим смачивания Касси-Бакстера

ГИДРОФОБНОСТЬ В ПРИРОДЕ

Известно, что загрязнение листьев растений бактериями, а также неорганическими соединениями такими как пыль, сажа, приводит к нарушению обменных процессов ( в частности фотосинтеза), протекающих в листьях. Поэтому в результате эволюции природа снабдила листья ряда растений сверхгидрофобным покрытием, которое предохраняет листья и лепестки цветов от гибели. Наряду с лотосом такими свойствами обладают листья капусты, кактуса, тюльпана.

Сверхгидрофобный эффект помогает легко скользить по воде водомерке. Водомерка является обладательницей длинных тонких ног,
с помощью которых с лёгкостью передвигается по глади водоёмов, похожая на конькобежца. Лапы водомерки покрыты несмачивающимися щеточками, т.е. сама природа создала сверхгидрофобную поверхность. Так как площадь контакта мала, лапки водомерки скользят по поверхности воды практически без трения.

а)

б)

б)

Рис. 6. Водомерка на поверхности воды (а), лапка водомерки (б).

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ

Ученые ФГУП «ВИАМ» рассказали нам о простом способе получения сверхгидрофобных покрытий.

Для того, чтобы сделать сверхгидрофобное покрытие выбирают полимерную матрицу с малой поверхностной энергией. Наиболее подходящей и доступной полимерной матрицей является силиконовый герметик, который после нанесения отверждается с течением времени. Кроме силиконового герметика был также использован фторпластовый лак, который после испарения растворителя позволяет получить пленку, которая похожа на антипригарное покрытие на сковородке.

Второй компонент, который входит в состав покрытия – растворитель, в котором матрица растворяется. Если приготовленный раствор нанести на подложку, то после испарения растворителя поверхность герметика представляет собой гладкую пленку.

В качестве компонента, который обеспечивает образование рельефа были выбраны углеродные нанотрубки.

Если взять слой высокоориентированного графита (этот материал отличается от грифеля простого карандаша тем, что в состав последнего входят различные примеси) и расщепить его с помощью скотча на липкой поверхности ленты останется несколько слоев графита. Повторяя эту операцию несколько раз можно добиться того, что на поверхности скотча останется слой толщиной в один атом углерода. Этот материал называется графен (рис. а). Именно такой способ изготовления графена применили российские физики А.Гейм и К.Новоселов, за что впоследствии и получили Нобелевскую премию по физике.

Нанотрубка – это свернутый в трубку лист графена (рис б). Оказывается, что нанотрубки образуются из обыкновенного газа в специальных реакторах на дно которого наносят слой катализатора с размером частиц 5-7 нм.(* Нанометр- 1метр Х 10^-9).

Диаметр углеродной нанотрубки (УНТ) составляет от 2 до 20 нм. А ее длина от 2 микрон до 0,5 мм. Углеродная нанотрубка похожа на «макаронину». Только такая «макаронина» с диаметром 1 см будет иметь длину десятки метров. Кроме того, в отличие от обычных макарон, прочность УНТ почти в сто раз превышает прочность стали, а плотность почти в 5 раз меньше. Поэтому УНТ так интересуют ученых, которые создают авиационные материалы.

УНТ после изготовления сильно взаимодействуют между собой и образуют пучки. Для того чтобы их разделить используют ультразвук. Если поместить порошок из углеродных нанотрубок в стакан с растворителем и воздействовать на них ультразвуком пучки УНТ разрушаются и растворитель окрашивается в черный цвет. Нанотрубки равномерно распределяются по растворителю, образовалась дисперсия.

Если вылить дисперсию тонким слоем в чашку, то УНТ начинают бешено «плясать», собираясь в диковинные узоры, узоры затем распадаются и образуются вновь до тех пор, пока не испариться растворитель. Эта пляска связана с тем, что УНТ взаимодействуют друг с другом и стремятся собраться снова в пучок. С другой стороны УНТ взаимодействуют с растворителем, который мешает трубкам собраться. Так как баланс сил все время меняется из-за испарения растворителя трубки «танцуют».

Теперь самое интересное. Если регулировать силу взаимодействия УНТ/УНТ и УНТ/растворитель с помощью различных добавок (или например, использовать две различные матрицы), то структуры, в которые собираются УНТ после испарения растворителя будут различными.

Для получения покрытия выбранная полимерная матрица растворяется в растворителе, затем в стакан добавляются нанотрубки. Подготовленная смесь подвергается воздействию ультразвука. А затем с помощью распылителя наносится на поверхность подложки. После испарения растворителя подложка с нанесенным покрытием помещается в термошкаф, где она сушится при определенной температуре.

СВОЙСТВА ВЫСОКОГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ.

На рис. показаны 3D изображения рельефов покрытий из герметика (рис.9 ) и фторпласта (рис.8 ) на поверхности подложки после приготовления покрытий.

Рис. 8. Трехмерные изображения покрытий на основе фторпласта с УНТ. Концентрация^* УНТ а) 10 %, б) 20%.

^*Концентрация – массовая доля компонента в общей массе покрытия

Рис.9. Трехмерные изображения покрытий на основе герметика. Концентрация УНТ а) 10 %, б) 20%.

Как видно из представленных результатов вид рельефа покрытия зависит от типа матрицы, которая была выбрана для изготовления покрытия. Если при концентрации УНТ 10% рельеф поверхности покрытия из герметика представляет собой часто расположенные пики с высотой 80-60 микрон, то при той же концентрации нанотрубок на поверхности покрытия из фторопласта высота рельефа не превышает 20 мкм.

Причина такого различия, вероятно, связана с более сильным взаимодействием УНТ с фторпластовым лаком. Молекулы фторпласта, в отличие от молекул герметика, не дают УНТ собраться в пучки при данной концентрации. Однако с увеличением количества УНТ в матрице сил взаимодействия становится недостаточно, и нанотрубки собираются в конструкцию похожую на пчелиные соты.

Соответственно изменяются и краевые углы капли воды на поверхности покрытий (табл. 1), которые были измерены нами при выполнении данной работы. Как видно из приведенных данных величина краевого угла зависит от используемой матрицы, при этом покрытия на основе герметика позволяют получить более высокие значения краевого угла.

Табл.1. Краевые углы на поверхности покрытий.

Другим свойством высокогирофобных покрытий является эффект задержки времени замерзания капли воды на поверхности высокогидрофобного покрытия.

Для исследования данного эффекта покрытие на основе герметика и контрольный образец (капля воды на подложке без покрытия) помещают на поверхность пластины, которая быстро охлаждается. При этом снимают видео замерзания капель. Одновременно регистрируют температуру капель с помощью «тепловизора»^* (*прибор, который позволяет регистрировать температурные поля объекта).

На рис. 10 приведены стоп-кадры видео из тепловизорной съемки эксперимента. Капля на образце без покрытия слева. Температура определялась по совпадению цвета объекта и температурной шкалы (разноцветная полоса слева от фотографий).

Как видно из приведенных фотографий через 72 сек. после начала охлаждения контрольная капля полностью замерзла и приобрела температуру охлажденной пластины. В то же время капля на поверхности высокогидрофобного покрытия имеет температуру минус 10^С. При этом видно, что лед образовался лишь в нижней части капли.

Причиной такого поведения является воздух, который находится под поверхностью капли в режиме смачивания Касси-Бакстра. Воздух очень плохо проводит тепло, что замедляет скорость охлаждения капли. Так как вода для капель дистиллированная, то она не содержит примесей, которые являются зародышами образования ледяных кристаллов. Это позволяет избежать замораживания при отрицательных температурах

Рис. 10. Стоп кадры видеосъемки (черно-белый снимок) и съемки температурных полей (цветные фотографии).

Таким образом, на основании представленных данных можно сделать следующие выводы.

Для получения высокогидрофобных покрытий можно использовать полимерные матрицы с низкой поверхностной энергией с добавкой углеродных нанотрубок. Формирующийся рельеф, а следовательно и величина краевого угла покрытия. зависят от типа выбранной матрицы. Наилучший результат достигается при использовании в качестве матрицы силиконового герметика и УНТ в концентрации 10% масс. В этом случае величина краевого угла составляет 142^о, капля воды свободно катается по поверхности покрытия.

Высокогидрофобные покрытия увеличивают время задержки до замерзания капли воды.

Полученные результаты позволяют предполагать, что такие покрытия будут эффективны в качестве пассивной защиты от обледенения, так как они обеспечивают быстрое скатывание капли с поверхности и задерживают замерзание капель. Однако отсутствие результатов по адгезии льда к поверхности таких покрытий не позволяют в полной мере убедиться в возможности использования покрытий в борьбе с обледенением.

ИЗМЕРЕНИЕ АДГЕЗИИ ЛЬДА К ПОВЕРХНОСТИ ВЫСОКОГИДРОФОБНЫХ ПОКРЫТИЙ.

В ходе работы были проведены исследования зависимости величины адгезии от краевого угла.

Краевой угол определяли методом фотографирования капли воды, нанесенной на различные поверхности. Краевой угол измеряли транспортиром по фото.

Наряду с краевым углом измеряли угол скатывания капли с поверхности. Величина этого угла определяется силой трения покоя капли с поверхностью. Для измерения наносили каплю одинакового объема (20 мкл) на горизонтальную поверхность, а после наклоняли её под различным углом. За угол скатывания принимали угол, при котором начиналось движение капли по поверхности.

Для измерения адгезии использовали электронный динамометр. Ткань, пропитанную водой, примораживали в морозильной камере бытового холодильника. Измеряли усилие, которое необходимо приложить к ткани для её отрыва, параллельно поверхности. За величину адгезии принимали усилие, деленное на площадь примороженного контакта. Образец вынимали из камеры в перчатках, и время до начала измерения не превышало 15-20 секунд. Измерения адгезии проводились независимо тремя участниками работы.

а б в

Рис. 11. Измерение краевого угла (а), измерение угла скатывания (б), измерение адгезии (в).

Результаты проведенных измерений приведены в таблице 2.

Таблица 2

Как видно из представленных результатов величина адгезии определяется, вероятно, соотношением краевого угла и угла скатывания. Так величины адгезии для стекла и фторопласта практически одинаковы, несмотря на то, что поверхность стекла является гидрофильной, а поверхность фторопласта гидрофобна. Однако капля на стекле скатывается при очень малых углах, так как стекло очень гладкое, а для фторопласта наоборот сила трения очень большая, что тормозит движение капли.

Как видно из представленных данных минимальной адгезией должна обладать поверхность с большим краевым углом (слабое взаимодействие воды с материалом поверхности) и минимальной силой трения (малым углом скатывания). В нашем случае это слой силиконового герметика, нанесенный на поверхность. Возможно, еще лучшим кандидатом для антиобледенительного покрытия будет являться высокогидрофобные поверхности, которые имеют максимальный краевой угол 135⁰ и минимальный угол скатывания 7⁰ .

Вопреки нашим ожиданиям, адгезия льда к покрытию оказывается более высокой, чем прочность текстильного материала. Величина адгезии измеренная с помощью многослойной ткани составляет 0,45 кг/см² и является максимальной из всех исследованных материалов. Возможной причиной наблюдаемого эффекта – «намокание» покрытия (проникновение воды во впадины высокогидрофобного покрытия). В этом случае говорят, что сменяется режим смачивания поверхности. После этого поверхность из высокогидрофобной становится гидрофильной.

ВЫВОДЫ

На основании литературных источников было установлено, что краевой угол смачивания определяется взаимодействием молекул жидкости с поверхностью твердого тела и поверхностным натяжением жидкости. Краевой угол зависит от покрытий, которые нанесены на поверхность, а также рельефом поверхности.

Так же установлено, что гидрофобность широко распространена в природе и служит для приспособления живых организмов к изменениям внешних условий.

Установлено, что величина адгезии льда к поверхности определяется соотношением между краевым углом и углом скатывания. Наименьшая адгезия льда достигается при минимальном взаимодействии капли с поверхностью и малом трении капли;

Показано, что адгезия льда к высокогидрофобным покрытиям наибольшая из всех исследованных материалов. Возможной причиной увеличения адгезии к высокогидрофобным покрытиям является проникновение воды в складки рельефа;

Наименьшей адгезией льда обладает покрытие на основе силиконового герметика, который, вероятно, является наиболее перспективным для создания антиобледенительных поверхностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

(перспективы исследования)

В ходе лабораторных исследований установлено, что наименьшей адгезией льда обладает покрытие на основе силиконового герметика, который, вероятно, является наиболее перспективным для создания антиобледенительных поверхностей.

В следующем году планируется провести натурный эксперимент.
На основе силиконового герметика планируется изготовить краску, покрасить элемент крыши и исследовать, как на ней будут образовываться сосульки.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Благодарим сотрудников ФГУП «Всероссийский научно-исследо-вательский институт авиационных материалов» (ВИАМ) за помощь в выборе темы исследования, организацию экспериментальных работ и помощь в разъяснении полученных результатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. «Физико-химические основы смачивания и растекания. М., «Химия», 1976.

2. https://ru.wikipedia.org – Википедия.

3. http://www.nanometer.ru/2009/04/12/internet_olimpiada_154173.html
   - эффект лотоса.

4. https://givotniymir.ru/vodomerka-nasekomoe-obraz-zhizni-i-sreda-obitaniya-vodomerki/ - Особенности и среда обитания водомерки.

5. http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=1269
   - Л. В. Соловьянчик, С. В. Кондрашов, В. С. Нагорная, А. А. Мельников

6. http://alpguru.ru/uborka-snega-elektroimpulsnaja-ochistka.html
   - Достоинства метода электроимпульсной очистки кровли.

7. http://nanofluidics.phys.msu.ru/theses/dubov.pdf
   - Смачивание супергидрофобных поверхностей.

8. https://otvet.mail.ru/question/17573024 - Можно ли носить воду в решете?

9. http://www.nanostore.com.ua/ephphekt-lotosa-v-sovremennyh-nanotehnologijah-dlja-avto-a-94.html - Эффект лотоса в современных нанотехнологиях для авто.