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 θ > 150° приводить 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 160°–170° та кутами кочення 2°–5°. 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
Fundamentals of heat and mass transfer / T. L. Bergman et al. 6th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2007. 1072 p.
Хімічна корозія та захист металів : навч. посіб. / П. І. Стоєв та ін. ХНУ імені В. Н. Каразіна, 2019. 216 с.
Peng S., Petrenko V. F. Reduction of ice adhesion to metal by using self-assembling monolayers. Can. J. Phys. 2003. Vol. 81, no. 1–2. P. 387. https://doi.org/10.1139/p03-014
Kozytskyi S. V., Kiriian S. V. Properties and behavior of nanoparticles. Fizika aèrodispersnyh sistem. 2022. Iss. 44. P. 17–30. https://doi.org/10.18524/0367-1631.2022.60.265983
Матеріали сучасної техніки та захист від руйнування : навч. посіб. / Ю. В. Борисенко. Київ : КНУТД, 2016. 111 с.
Kumar Phany. Principles of Nanotechnology. 2nd ed. Chennai : Scitech Publications, 2010. 115 p.
Mechanical behaviour of sisal palm glass fiber reinforced composite with addition of nano silica / K. S. Raghul et al. Mater. Today Proc. 2021. Vol. 37, p. 2. P. 1427–1431. https://doi.org/10.1016/j.matpr.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. Vol. 19, iss. 4. P. 553–566. https://doi.org/10.1007/s11804-020-00171-1
Effects of carbon nanotubes on the mechanical strength of self-polishing paints / J. Dustebek et al. Prog. Org. Coat. 2016. Vol. 98. P. 18–27. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2016.04.020
Козицький С. В., Кіріян С. В. Застосування наночастинок для збільшення ефективності суднових механізмів. Суднові енергетичні установки : наук.-тех. зб. 2023. Вип. 46. С. 53–66. https://doi.org/10.31653/smf46.2023.53-66
Козицький С. В,. Кіріян С. В. Властивості наноструктурованих матеріалів. Суднові енергетичні установки : наук.-тех. зб. 2022. Вип. 45. C. 124–135. https://doi.org/10.31653/smf45.2022.124-135
Козицький С. В. Застосування наноматеріалів для збільшення надійності та ресурсу суднових установок. Суднові енергетичні установки : наук.-тех. зб. 2024. Вип. 48. C. 31–45. https://doi.org/10.31653/smf48.2024.31-45
Kozytskyi S. V., Kiriian S. V. Self-organization of nano-sized metal-containing lubricant additives. Суднові енергетичні установки : наук.-тех. зб. 2022. Вип. 45. C. 124–135. https://doi.org/10.31653/smf 39.2019.101-106
Xin Mao, Xin Cui, Shuiping Chen. Research progress of nanomaterials in the prevention of biological fouling on ships. Journal of Physics: Conference Series. 2021. Article 012013. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2002/1/012013
Сидоров В. І. Молекулярна енергетика. Теорія та технічні рішення. Черкаси : 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.
Zheng Y., Gao X., Jiang L. Directional adhesion of superhydrophobic butterfly wings. Soft Matter. 2007. Vol. 3, iss. 2. 178–182. https://doi.org/10.1039/b612667g
Аналіз підходів до математичного опису характеристик матеріалів з підвищеною гідрофобністю / А. В. Придатко та ін. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2015. Vol. 5, iss. 5(77). P. 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. Vol. 23, iss. 9. P. 1215–1237. https://doi.org/10.1163/156856109X433964
Superhydrophobic ZnO nanotowers / N. Saleema et al. TechConnect Briefs: Technical Proceedings of the 2006 NSTI Nanotechnology Conference and Trade Show (NSTI-Nanotech 2006). 2006. Vol. 3. P. 158–161.
Micro/nano-cactus structured aluminium with superhydrophobicity and plasmon-enhanced photothermal trap for icephobicity / N. Li et al. Chem. Eng. J. 2022. Vol. 429. Article 132183. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132183
Lafuma A., Quere D. Superhydrophobic states. Nature Materials. 2003. Vol. 2, iss. 7. P. 457–460. https://doi.org/10.1038/nmat924
Hierarchical biocide-free silicone/graphene-silicon carbide nanocomposite coatings for marine antifouling and superhydrophobicity of ship hulls / A. Shima et al. Chemical Engineering Science. 2024. Vol. 291, iss. 7. Article 119929. https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.119929
Liu, Y. et al. Robust photothermal coating strategy for efficient ice removal / Y. Liu et al. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. Vol. 12, iss. 41. P. 46981–46990. https://doi.org/10.1021/acsami.0c13367
Wu, Y. et al. Recent advancements in photothermal anti-icing/deicing materials / Y. Wu et al. Chem. Eng. J. 2023. Vol. 469. Article 143924. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143924
Super hydrophobic surfaces: from natural to artificial / L. Feng et al. Advanced Materials. 2002. Vol. 14, iss. 24. P. 1857–1860. https://doi.org/10.1002/adma.200290020
Dye-sensitized nanoparticles for heterogeneous photocatalysis: cases studies with TiO2, ZnO, fullerene and graphene for water purification / Z. Youssef et al. Dyes Pigm. 2018. Vol. 159. P. 49–71. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2018.06.002
Hierarchical biocide-free silicone/graphene-silicon carbide nanocomposite coatings for marine antifouling and superhydrophobicity of ship hulls / S. A. Higazy et al. Chemical Engineering Science. 2024. Vol. 291, iss. 7. Article 119929. https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.119929
Slippery lubricant-infused surfaces: properties and emerging applications / J. Li et al. Adv. Funct. Mater. 2019. Vol. 29, iss. 4. Article 1802317. https://doi.org/10.1002/adfm.201802317
Makkonen L. Back to the basics: Wettability, icing and ice adhesion. IWAIS-2025, 16th International workshop on atmospheric icing of structures, Uppsala 28 June–3 July 2015. 4 p.
Scalable robust photothermal superhydrophobic coatings for efficient anti-icing and de-icing in simulated/real environments / M. Mingyuan et al. Nature Communications. 2024. Vol. 15, 9610. https://doi.org/10.1038/s41467-024-54058-8
Experimental and numerical study on freezing process of water droplets under surfaces with different wettability / S. Chang et al. Appl. Therm. Eng. 2023. Vol. 219(B). Article 119516. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119516
Solar deicing nanocoatings adaptive to overhead powerlines / Y. Li et al. Adv. Funct. Mater. 2022. Vol. 32, iss. 25. Article 2113297. https://doi.org/10.1002/adfm.202113297
Underwater hull cleaning Phosmarine Brush Kart. https://www.brush-kart.com/eng
Passive anti-icing and active deicing films / T. Wang et al. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. Vol. 8, iss. 22. P. 14169–14173. https://doi.org/10.1021/acsami.6b03060
An advanced anti-icing/de-icing system utilizing highly aligned carbon nanotube webs / X. Yao et al. Carbon. 2018. Vol. 136. P. 130–138. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.04.039
Hydrophobic solid photothermal slippery surfaces with rapid self-repairing, dual anti-icing/deicing, and excellent stability based on paraffin and etching / J. Wei et al. Langmuir. 2024. Vol. 40, iss. 14. P. 7747–7759. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c00440
Facile fabrication of robust and photo-thermal super-hydrophobic coating with efficient ice removal and long-term corrosion protection / D. Li et al. Chem. Eng. J. 2022. Vol. 450(4). Article 138429. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138429
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 С. В. Козицький
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
