Нанопокриття для запобігання утворення крапель, корозії, змочування та обледеніння поверхні
DOI:
https://doi.org/10.18524/0367-1631.2025.63.346833Ключові слова:
краплі води, супер гідрофобний стан, нанотехнології, змочування, обмерзання, видалення льодуАнотація
Утворення крапель H2O у рідкому та твердому станах на поверхні руйнує поверхню та викликає корозію на поверхні металу, а використання покриттів запобігає цим процесам.
Ефективність покриття значно підвищується при використанні наноматеріалів. Наночастинки SiO2 (розміром ~20 нм), TiO2 (розміром 5-10 нм) та вуглецеві нанотрубки, введені в покриття в кількості 3-5%, збільшують міцність покриття в кілька разів, час проникнення вологи на порядок, а термін служби покриття досягає 5 років.
Більш ефективним захистом від утворення крапель на поверхні є створення на ній супер гідрофобного стану. Великий кут змочування >150° при-водить до відштовхування води від поверхні та значного зниження адгезії. Аналіз формули змочування показує, що для досягнення супер гідрофобного стану необхідно мінімізувати ефективну взаємодію між молекулами твердого тіла та поверхні, тобто створити низько енергетичну поверхню.
Обговорюються базові моделі, а саме моделі Венцеля та Кассі-Бакстера, що враховують кут змочування води на твердих поверхнях, пов'язаний з впливом шорсткості поверхні на гідрофобність. Стабільний низько енергетичний стан відповідає моделі Кассі-Бакстера.
Такий стан з великими кутами змочування та низьким гістерезисом може бути реалізований за допомогою наноматеріалів, здатних формувати шорсткі мікро/нанорозмірні поверхні з кутами змочування 160o-170o та кутами кочення 2o-5o. Мікро/нанорозмірні поверхні мають перспективне застосування, оскільки вони здатні до самоочищення, захисту від корозії та мають антибіотичні властивості.
Мікро/нанорозмірні супер гідрофобні поверхні також виявляються ефективними для захисту від обледеніння, а також для видалення льоду з поверхонь під впливом сонячної радіації.
Посилання
Bergman T.L., Lavine A.S.at all Fundamentals of heat and mass transfer, 6th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2007. – 1072 p
П.І.Стоєв, С.В. Литовченко, І.О.Гірка, В.Т.Грицина Хімічна корозія та за-хист металів : навчальний посібник / ХНУ імені В. Н. Каразіна, 2019. – 216 с.
Peng S. and Petrenko V. F. Reduction of ice adhesion to metal by using self-assembling monolayers // Can. J. Phys. 81, 387 (2003) doi.org/10.1139/p03-014)
Kozytskyi S. V., Kiriian S. V. Properties and behavior of nanoparticles // Фізика аеродисперсних систем. – 2022. – №44. – С. 17–30. DOI: 10.18524/0367-1631.2022.60.265983
Матеріали сучасної техніки та захист від руйнування : навчальний посіб-ник / Ю. В. Борисенко. – К. : КНУТД, 2016. – 111 с.
Kumar Phany. Principles of Nanotechnology /2Nd. Edish, Scitech Publications, 2020. – 115 p]
Raghul K. S., Logesh M., Kisshore R. K., Ramanan, P. M., Muralitharan G. Mechanical Behaviour of Sisal Palm Glass Fiber Reinforced Composite with Addition of Nano Silica. Mater. Today Proc. – 2021. – 37 (Part 2). – 1427–1431. DOI: 10.1016/j. mat pr. 2020.07.063
Gaiotti M., Rizzo C. M. Recent Industrial Developments of Marine Composites Limit States and Design Approaches on Strength // J. Mar. Sci. Appl. – 2020. – 19(4), р. 553–566. DOI:10.1007/s11804-020-00171-1
Dustebek, J., Kandemir-Cavas, C., Nitodas, S. F., and Cavas, L. Effects of Carbon Nanotubes on the Mechanical Strength of Self-Polishing Paints // Prog. Org. Coat. – 2016. – 98. – 18–27. doi:10.1016/j.porgcoat.2016.04.020
Козицький С. В., Кіріян С. В. Застосування наночастинок для збільшення ефективності суднових механізмів// Суднові енергетичні установки: Науко-во-технічний збірник. Вип. 46, 2023. с.53-66 doi:10.31653/smf46.2023. 53-66.
Козицький С. В,. Кіріян С. В. Властивості наноструктурованих матеріалів // Суднові енергетичні установки: Науково-технічний збірник. – 2022. – Вип. 45. – C.124-135. DOI: 10.31653/smf45.2022. 124-135.
Козицький С.В. Застосування наноматеріалів для збільшення надійності та ресурсу суднових установок // Суднові енергетичні установки: Науково-технічний збірник. – 2024. – Вип. 48. – C.31-45 DOI: 10.31653/smf48.2024.31- 45
Kozytskyi S.V. Kiriian S.V. Self-organization of nano-sized metal-containing lubricant additives // СЕУ, науково-технісчний збірник. – 2022. – Вип. 45. – C.124– 135. DOI: 10.31653/smf 39.2019.101- 106
Xin Mao, Xin Cui and Shuiping Chen. Research Progress of Nanomaterials in the Prevention of Biological Fouling on Ships // Journal of Physics: Conference Series. 2021. 012013. doi:10.1088/1742-6596/2002/1/012013
Сидоров, В. І. Молекулярна енергетика. Теорія та технічні рішення. Чер-каси: Вертикаль, видавець Кандич С.Г., 2022. – 486 с. ISBN 978-617-7475-79-7
Козицький С. В., Золотко А. Н. Молекулярна фізика. Підручник. - Одеса: Астропринт, 2011. – 352 с.
Y. Zheng, X. Gao and L. Jiang, Directional adhesion of superhydrophobic butterfly wings // Soft Matter. – 2007. – 3. – 178. DOI: 10.1039/b612667g
Придатко А. В., Миронюк А. В., Свидерский, В. А. Аналіз підходів до ма-тематичного опису характеристик матеріалів з підвищеною гідрофобністю // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2015. – 5(77). – 30–41. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2015.50647
Sarkar D.K. & Farzaneh M. Superhydrophobic Coatings with Reduced Ice Adhesion // Journal of Adhesion Science and Technology. – 2009. – 23:9. – 1215-1237 http://dx.doi.org/10.1163/156856109X433964
Saleema N., Sarkar D. K., Farzaneh M. and Sacher E. Superhydrophobic Coatings with Reduced Ice Adhesion // Journal of Adhesion Science and Technology. – 2009. – 23. – 1215-1237. DOI:10.1163/156856109X433964
Li, N. et al. Micro/nano-cactus structured aluminium with superhydrophobicity and plasmon-enhanced photothermal trap for icephobicity // Chem. Eng. J. – 2022. – 429, 132183. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132183
Lafuma, A. Superhydrophobic states / A. Lafuma, D. Quere // Nature materials. – 2003. – Vol. 2, Issue 7. – P. 457–460. doi: 10.1038/nmat924
Shima A. Higazy, Mohamed S. Selim, Ahmed M Azzam, Sherif A. El-Safty. Hierarchical biocide-free silicone/graphene-silicon carbide nanocomposite coatings for marine antifouling and superhydrophobicity of ship hulls // Chemical Engineering Science. – 2024. – 291(7):119929. doi:10.1016/j.ces.2024.119929
Liu, Y. et al. Robust photothermal coating strategy for efficient ice removal. // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2020. – 12, 46981-46990. doi:10.1021/acsami.0c13367
Wu, Y. et al. Recent advancements in photothermal anti-icing/deicing materials // Chem. Eng. J. – 2023. – 469, 143924. doi.org/10.1016/j.cej.2023.143924
Feng, L., Li, S., Li, Y., Li, H., Zhang, L., Zhai, J., Song, Y., Liu, B., Jiang, L., &Zhu, D. Super Hydrophobic surfaces: from natural to artificial. // Advanced Materials. – 2002. – 14(24), р. 1857–1860. doi.org/10.1002/adma.200290020
Youssef, Z., Colombeau, L., Yesmurzayeva, N., Baros, F., Vanderesse, R., Hamieh, T. Dye-sensitized Nanoparticles for Heterogeneous Photocatalysis: Cases Studies with TiO2, ZnO, Fullerene and Graphene for Water Purification // Dyes Pigm. – 2018. – 159, 49–71. doi:10.1016/j.dyepig.2018.06.002
Shima A. Higazy, Mohamed S. Selim, Ahmed M. Azzam, Sherif A. El-Safty. Hi-erarchical biocide-free silicone/graphene-silicon carbide nanocomposite coatings for marine antifouling and superhydrophobicity of ship hulls // Chemical Engi-neering Science. – 2024. – 291(7):119929. doi:10.1016/j.ces.2024.119929
Li, J., Ueda, E., Paulssen, D. & Levkin, P. A. Slippery lubricant-infused surfaces: properties and emerging applications // Adv. Funct. Mater. – 2019. – 29, 1802317. DOI:10.1002/adfm.201802317
Makkonen Lasse Back to the basics: Wettability, icing and ice adhesion. – (IWAIS), 2015 - Uppsala, 28 June to 3 July. р.1- 4.
Mingyuan Mao at all. Scalable robust photothermal superhydrophobic coatings for efficient anti-icing and de-icing in simulated/real environments // Nature commu-nications. – 2024. – 15, 9610. doi.org/10.1038/s41467-024-54058-8
Chang, S., Qi, H., Zhou, S. & Yang, Y. Experimental and numerical study on freezing process of water droplets under surfaces with different wettability // Appl. Therm. Eng. – 2023. – 219, 119516. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119516
Li, Y. et al. Solar deicing nanocoatings adaptive to overhead powerlines. Adv. Funct. Mater. – 2022. – 32, 2113297. doi:10.1002/adfm.202113297
Електронний ресурс https://www.brush-kart.com/eng
Tuo Wang , Yonghao Zheng, Abdul-Rahman O. Raji, Yilun Li, William K. A. Sikkema, James M. Tour. Passive Anti-Icing and Active Deicing Films // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2016. – 8, 22. – 14169–14173 doi.org/10.1021/acsami.6b03060
Xudan Yao a Stephen C. Hawkins ab Brian G. Falzon A. An advanced antiicing/de-icing system utilizing highly aligned carbon nanotube webs." // Carbon. – 2018. – 136. P. 130-138
Jue Wei, Siqi Yang, Xin Xiao, Jian Wang. Hydrophobic Solid Photothermal Slippery Surfaces with Rapid Self-repairing, Dual Anti-icing / Deicing, and Excellent Stability Based on Paraffin and Etching. // Langmuir. – 2024. – 40 (14), 7747- 7759. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c00440
Li D., Ma L., Zhang B. & Chen S. Facile fabrication of robust and photo-thermal super-hydrophobic coating with efficient ice removal and long-term corrosion protection. // Chem. Eng. J. – 2022. – 450, 138429. doi. 10.1016/j.cej.2022.138429
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) роботи, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
