Antiisingsbelegg

Abstract

Isdannelse og akkumulasjon av is på overflater vil i mange tilfeller representere en fare for liv og materielle verdier. Dette er fra før et kjent problem vedrørende for eksempel fly, kraftnett, vindturbiner, skip og telekommunikasjon. Etter hvert som aktiviteten i de arktiske områdene øker vil dette også medføre utfordringer som følge av ising på offshore konstruksjoner som plattformer og vindturbiner. Ulike forskergrupper har i flere tiår påpekt at isofobiske belegg kan være med på å løse denne problemstillingen. Denne oppgaven tar for seg teorien bak isdannelse og isadhesjon. Enkelte antiisingsbelegg fungerer som antiisingsbelegg ved å frastøte vann og på denne måten hindre at vannet fryser fast til overflaten. Denne oppgaven fokuserer imidlertid på belegg som gir minimal heft til is etter at den er dannet. Som en del av prosjektet har det blitt gjennomført isadhesjonsmålinger på tolv ulike belegg fra ulike leverandører. Resultatene fra disse blir evaluert opp mot eksisterende teorier fra dagens forskningsfront. Isadhesjonsmålingene er gjort med en testrigg som måler maksimalt påført torsjonsmoment i det øyeblikket en sirkulær, fastfrosset isskive løsner fra den aktuelle beleggsprøven. Alle målingene er gjort i kjølekammer ved -18 °C.For å vurdere isadhesjonsmålingenes sammenlignbarhet i forhold til referert litteratur, og for å studere hvorvidt beleggenes egenskaper endres som følge av gjentatt isadhesjonstesting (slitasje), er det også gjort målinger for kontaktvinkler og overflateruhet. Dette er gjort før, underveis og etter isadhesjonstesting. Kontaktvinkelmålingene avslører at det nanostrukturerte Belegg E er superhydrofobisk (kontaktvinkel > 150°), mens de resterende beleggene befinner seg i og rundt definisjonsskillet mellom hydrofobe og hydrofile belegg (90°). Belegg E skiller seg også ut med vesentlig høyere aritmetisk overflateruhet. Isadhesjonsmålingene viser at de testede beleggene presterer svært ulikt som antiisingsbelegg. De tre beleggene med lavest gjennomsnittlig isadhesjonsstyrke er Belegg A (3,2 Nm), Belegg E (17,5 Nm) og Belegg C (19,0 Nm), mens Belegg I (89,4 Nm) fremviser høyest gjennomsnittlig isadhesjonsstyrke.Tidligere har flere forskergrupper rapportert at belegg med høy kontaktvinkel ofte har lavere isadhesjonsstyrke enn belegg med lav kontaktvinkel. Denne korrelasjonen påvises også for beleggene i dette prosjektet. I denne sammenheng viser det seg at beleggene med lavest isadhesjonsstyrke avviker mest fra denne trenden. Dette kan sannsynligvis relateres til overdimensjonert testutstyr. En del av målingene er samtidig såpass tvetydige at dette tolkes som at isadhesjonsstyrke også må være avhengig av andre parametere enn kontaktvinkel. I følge referert litteratur er lavest mulig kontaktvinkelhysterese en svært viktig egenskap for antiisingsbelegg, spesielt for glatte belegg uten ruhetsstruktur. Antiisegenskapene til flere av beleggene viser godt samsvar med kjent fuktingsteori, der fuktingsregimene beskrevet av Wenzel og Cassie og Baxter er de viktigste. Det mest tydelige eksemplet er det rue, nanostrukturerte og superhydrofobiske Belegg E som trolig oppnår lav isadhesjonsstyrke som en følge av fukting i Cassie-Baxterregimet. Belegg A oppnår trolig lav isadhesjonsstyrke ved å kombinere en ekstremt glatt overflate med svært lav eller ingen kontaktvinkelhysterese.Ved gjentatt isadhesjonstesting viser de to mykeste beleggene, Belegg A og Belegg E, tegn på endringer i overflaten som følge av mekanisk påkjenning. Målinger på Belegg A indikerer økning i både isadhesjonsstyrke og ruhet som følge av skader i overflaten. Basert på dette stilles det særlig spørsmål ved disse to beleggenes mekaniske egenskaper. Når det gjelder Belegg E kan det også diskuteres hvorvidt eventuell slitasje oppstår som følge av bruk av en for lite robust ruhetsstruktur på nanonivå.Det konkluderes med at foretrukne egenskaper for et antiisingsbelegg i stor grad vil være betinget av bruks- og miljøsituasjon. Basert på dette presenteres det tre ulike prinsipp som antiisingsbelegg kan baseres på.