CC BY
25
УДК 620.197.3
Кабанова Т.А., Парфёнова В.Д., Абрашов А.А., Григорян Н.С., Аснис Н.А.
ЗАЩИТНЫЕ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНЫЕ СУПЕРГИДРОФОБНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Кабанова Татьяна Александровна, студентка 1 курса магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга, e-mail: [email protected];
Парфёнова Виктория Денисовна, студентка 4 курса бакалавриата факультета цифровых технологий и химического инжиниринга, e-mail: [email protected];
Абрашов Алексей Александрович, к.т.н., доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии, e-mail: [email protected];
Григорян Неля Сетраковна, к.х.н., профессор кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии; e-mail: [email protected];
Аснис Наум Аронович, к.т.н., ведущий научный сотрудник учебно-научного центра химической и электрохимической обработки материалов, e-mail: [email protected]
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, ул. Миусская площадь, д. 9
Одним из способов защиты металлических поверхностей от агрессивной окружающей среды является формирование на их поверхности покрытий с водоотталкивающими и антиобледенительными свойствами. В данной работе определены основные показатели для оценки качества антиобледенительных и супергидрофобных поверхностей: защитная способность, краевой угол смачивания, стойкость покрытий к истиранию, стойкость к обледенению.
Ключевые слова: защита от коррозии, обработка поверхности, супергидрофобные покрытия, адгезионные покрытия, противообледенительные покрытия, обледенение
PROTECTIVE ANTI-ICING SUPERHYDROPHOBIC COATINGS
Kabanova T.A., Parfyonova V.D., Abrashov A.A., Grigoryan N.S., Asnis N.A. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Formation of coatings on the metal surface with water-repellent and anti-icing properties is one of the ways to protect surface from aggressive environment.
In this paper, the main indicators for assessing the quality of anti-icing and superhydrophobic coatings: protective ability, contact angel, abrasion resistance of coatings, resistance to icing are determined.
Keywords: corrosion protection, surface treatment, superhydrophobic coatings, adhesive coatings, anti-icing coatings, icing
ВВЕДЕНИЕ
Обледенение является серьезной и актуальной проблемой. Проблема обрастания льдом встречается во многих отраслях народного хозяйства. Однако наиболее часто принято говорить об обледенении транспортных средств. В первую очередь речь идет о самолетах. Обледенение сильно влияет на аэродинамику воздушного судна и может приводить к серьезным авариям [1,2]. Обледенение отрицательно влияет на остойчивость кораблей и судов, уменьшает запас их плавучести, а также повреждает оснастку и, падая с мачт, представляет опасность для личного состава. При более или менее значительных размерах обледенение может придать судну недопустимую посадку, т. е. чрезмерный дифферент на какую-либо оконечность и крен на какой-либо борт. Гололедно-изморозевые отложения на
конструкционных элементах линий электропередач (ЛЭП) представляют большую опасность для нормальной эксплуатации воздушных линий электропередач и являются серьезной проблемой при транспортировке электроэнергии. Опасность налипания снега состоит в увеличении статических и динамических нагрузок на провода, линейную
арматуру и опоры ЛЭП [3], что в ряде случаев приводит к аварийному отключению ЛЭП Есть несколько способов борьбы с обледенением, например, обколка льда. Данный способ может быть действенным в отношении линий электропередач (ЛЭП) или кромки льда на жилых зданиях, однако совершенно не применим в отношении транспортных средств.
Именно поэтому сегодня активно ведется разработка антиобледенительных покрытий, которые в первую очередь представляют собой противообледенительные жидкости (ПОЖ). ПОЖ используют при обливке самолетов, поездов, кораблей и даже проводов ЛЭП. За счет понижения температуры замерзания воды на обрабатываемой поверхности не образуется вредной корки льда. Обработка ПОЖ является технологически сложным и дорогостоящим процессом, однако наиболее действенным.
В последнее время все больший интерес вызывает решение проблемы снижения обледенения с использованием льдофобных покрытий. Одними из наиболее перспективных направлений в создании льдофобных поверхностей являются разработка и получение супергидрофобных покрытий на
поверхности защищаемых материалов [3-7]. Эффективность такого подхода определяется, с одной стороны, водоотталкивающими свойствами супергидрофобной поверхности, минимизирующими накопление на поверхности воды, которая может кристаллизоваться. С другой стороны, для льдофобных поверхностей характерна низкая адгезия уже образовавшегося льда. Последнее приводит к самопроизвольному удалению льда или инея под действием собственной массы или ветровой нагрузки. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В качестве обрабатываемого металла использован сплав алюминия марки АМг6 состава (в %): Al -91,1-93,68; Mg - 5,8-6,8; Mn - 0,5-0,8. Образцы, представляющие собой прямоугольные пластины размерами 30*40*1 мм, подвергали механической обработке до достижения "зеркального" блеска. Обезжиривание образцов проводили в растворе, содержащем (г/л): Na3PÜ4-12H2Ü 22; Na2CÜ3 25; NaOH 7,5; Na2SiÜ3 10; ДС-10 4 при 60-70°C в течение 10 мин. Для создания шероховатости на поверхности сплава использовали травление в 10% растворе NaOH в течение 30 с при температуре 70°С. В качестве гидрофобизирующего агента была использована стеариновая кислота. Для растворения стеариновой кислоты использована бинарная система, полученная смешением заданных количеств диметилсульфоксида ДМСО и дистиллированной воды. После гидрофобизации образцы подвергали сушке при температуре 80°С в течение 10 мин. Для определения защитной способности разрабатываемых покрытий на пластину наносили каплю раствора, содержащего: CuSÜ4 5ШО 82 г/л, NaCl 33 г/л, 0,1н HCl 13 мл/л и измеряли время необходимое для изменения цвета от серого до черного.
Также коррозионные испытания производили в камере соляного тумана Ascott S450iP (Великобритания) в соответствии со стандартом ASTM B117. В качестве солевого раствора использовали 5% NaCl (pH 6.5-7.2), который распыляли внутри камеры с испытуемыми образцами. Температура в камере составляла 35°C, а влажность 95-100%. Осмотр образцов производили 3 раза в сутки для фиксации появления первых очагов коррозии.
Для определения толщины покрытий с помощью эллипсометра Sentech SENreseach 4.0 SER 800 с быстродействующим монохроматором получали зависимости значений эллипсометрических параметров и А от длины волны в спектральном диапазоне от 240 до 1000 нм при угле гониометра 70°. Для расчетов использовали трехслойную модель, включающую 2 слоя Друде-Лоренца и 1 слой Коши. Краевой угол смачивания поверхности водой определяли на установке Гониометр ЛК-1, для чего при помощи камеры Levenchuk C310 NG получали фотографии капель и по ним с помощью специальной программы программного обеспечения DropShape определяли значение угла.
Адгезионная прочность льда с алюминиевой поверхностью оценивалась с помощью специальной методики, основанной на «вырывании» стержня из массы льда, находящегося в цилиндре. Методика заключалась в следующем: в цилиндр, изготовленный из нержавеющей стали с внутренним диаметром 30 мм, заливают 32 мл водопроводной воды (рис. 1, а), затем в нее погружали алюминиевый стержень (рис. 1, б). Устройство помещали в лабораторную морозильную камеру и выдерживали при температуре минус (40 ± 2) °С в течение 1,5 ч до образования плотного льда (рис. 1, в). После этого устройство вынимали из камеры, закрепляли в зажимах разрывной машины и определяли усилие (Р), при котором стержень «вырывался» из толщины льда.
Рис.1 - Установка для определения адгезионной прочности льда
Значение адгезионной прочности Г (Н/см2) вычисляли по формуле: Г = Р/(2лх1+лх2) где: Б - усилие вырывания стержня, Н; г - радиус стержня, см; 1 - длина стержня, находящегося в контакте со льдом, см.
Стойкость супергидрофобных покрытий к истиранию исследовалась на модернизированном ротационном абразиметре ТаЬег E1cometeг 5135. Плоские образцы с покрытиями крепились к рычагам установки и прижимались к фетровому диску при одинаковой внешней нагрузке на оба рычага, равной 3,5 Н/см2. Истирание образцов осуществлялось при вращении фетрового диска со скоростью вращения 60 об/мин. Стойкость образцов к истиранию оценивалась по количеству циклов до появления первых заметных глазу признаков истирания. Один цикл составлял один полный круг фетрового диска. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ В качестве объекта исследования был выбран раствор, содержащий диметилсульфоксид и воду в соотношении 7:1, а также стеариновую кислоту в количестве 2-3 г/л, позволяющий формировать при 1= 30-40 °С и т - 8-10 мин на поверхности сплава супергидрофобные покрытия (СГП). Известным недостатком супергидрофобных покрытий, полученных химическим способом, является их низкая износостойкость. В настоящей работе исследована возможность повышения износостойкости СГП за счет предварительного нанесения адгезионного покрытия из раствора содержащего 1,2 г/л ШТ1Бб, 1,2 г/л Ш2гБб; 1 г/л Се(~Ы03)3. Покрытия с наилучшими физико-химическими характеристиками формировались в
растворе при рН 4,0-5,0 и комнатной температуре за 2 минуты процесса.
Установлено, что предварительное осаждение адгезионного Т1,2г,Се-содержащего покрытия приводит к улучшению защитных характеристик финишного супергидрофобного покрытия. Защитная способность СГП увеличивается с 46 до 96 с. Краевой угол смачивания при этом не уменьшается и составляет 155-161°.
Коррозионные испытания образцов алюминиевого сплава АМг6 с гидрофобным покрытием без адгезионного подслоя в камере соляного тумана показали, что СГП выдерживает 140 ч в условиях соляного тумана (5% КаС1) до появления первых очагов коррозии основы, а естественная оксидная пленка начинает корродировать через 24 ч. Защитная способность СГП с адгезионным подслоем увеличивает защитную способность при экспозиции в камере соляного тумана с 140 до 350 ч. Было исследовано изменение краевого угла смачивания поверхности гидрофобизированных образцов в зависимости от продолжительности их пребывания в камере соляного тумана. Установлено, что, после 80 ч экспозиции образцов в камере соляного тумана поверхность сохраняет гидрофобные свойства, а после 110 ч краевой угол смачивания снижается до 70-90°, что указывает на деградацию защитного покрытия. Как и следовало ожидать, супергидрофобные покрытия с адгезионным Т^г,Се-содержащим подслоем продемонстрировали большую
износостойкость (1600 оборотов войлочного диска до полного съема покрытия), чем без адгезионного подслоя (600 оборотов диска).
Изучена прочность сцепления льда с поверхностью (таблица 1).
Таблица 1
Приведенные в таблице результаты показывают, что нанесения на алюминиевую поверхность супергидрофобного слоя с адгезионным подслоем и без него приводит к резкому снижению адгезии льда к покрытию.
Заключение
С учетом полученных результатов разработанная технология может быть использована для получения на поверхности алюминиевых сплавов типа АМг6 супергидрофобных покрытий, обладающих влагозащитными и антиобледенительными свойствами, и может быть использована для защиты от гололедно-изморозевых отложений и сопутствующей коррозии строительных конструкций (каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др.) и сооружений энергетики, транспорта, в т. ч. авиатранспорта, и др.
Список литературы
1. J. Lv, Y. Song, L. Jiang, J. Wang, Bio-inspired strategies for anti-icing // ACS Nano. 2014. Vol. 8. P. 3152-3169.
2. A.P. Broeren, S. Lee, C. Clark, Aerodynamic Effects of Anti-Icing Fluids on a Thin High-Performance Wing Section // Journal of Aircraft. 2015. Vol. 53. P. 451-462.
3. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Методы борьбы с обледенением ЛЭП: перспективы и преимущества новых супергидрофобных покрытий // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2011. № 6. С. 39-47.
4. Wang H., He G., Tian Q. Effects of nano-fluorocarbon coating on icing // Applied Surface Science. 2012. V. 258. P. 7219-7224.
5. Farhadi S., Farzaneh M., Kulinich S.A. Anti-icing performance of superhydrophobic surfaces // Applied Surface Science. 2011. V. 257. P. 6264-6269.
6. Antonini C., Innocenti M., Horn T., et al. Understanding the effect of superhydrophobic coatings on energy reduction in anti-icing systems // Cold Regions Science and Technology. 2011. V. 67. P. 58-67.
7. Saleema N., Farzaneh M., Paynter R., Sarkar D. Prevention of Ice Accretion on Aluminum Surfaces by Enhancing Their Hydrophobic Properties // Journal of Adhesion Science and Technology. 2011. V. 25. P. 2740.
Прочность сцепления льда с поверхностью
Основа Адгезионная прочность, Н/см2
АМг6 112,55
Супергидрофобное покрытие 29,88
Адгезионное Ti,Zr,Ce-содержащее покрытие + Супергидрофобное покрытие 53,62
