De-Icing Coatings Based on Solar Illumination

Abstract

Avising av overflater er viktig for ulike strukturer i kaldt klima, som veier, høyspentlinjer, vindmøller eller i luftfartsindustrien. Målet med dette arbeidet er å undersøke fabrikasjonsprosessen og karakterisere fire ulike belegg med avisende effekt. Beleggene består av tre lag med egenskapene til en fototermisk felle. Det øverste laget absorberer, det andre laget sprer varme, og det siste laget isolerer. Ved å kun bruke lys er denne metoden sett på som mindre skadelig for naturen enn de mer tradisjonelle aktive avisingsmetodene, som elektrisk varme eller kjemiske løsninger.

Det absorberende laget er det viktigste laget i en fototermisk felle. Dette laget absorberer inkommende stråling og omformer det til varmeneergi. Det er også eksponert til omverdenen. Prototyper av belegg med fire ulike absorberende lag ble laget. Tre av beleggene består av en blanding av både SiC og CuO, og ett av beleggene består kun av SiC. De keramiske pulverene ble blandet med polyvinyl butyral som bindemiddel og etanol som løsemiddel. Disse ble så støpt på aluminiumsfolie ved hjelp av keramisk båndstøping.

De avisende egenskapene ble karakterisert med et enkelt eksperimentelt oppsett i en kjøleboks hvor fryste dråper ble belyst og smeltetiden ble målt. Overflateegenskapene ble karakterisert med sveipeelektronmikroskopi (SEM). Mekanisk motstandsevne ble karakterisert med skrapetesting. Fuktegenskapene ble karakterisert med vannkontaktvinkelmåling.

Fabrikasjonen av de fire beleggprototypene med avisende effekt var vellykket. Den mekaniske motstandsevnen viste at belegget med 75/25 SiC/CuO var sterkest. Karakteriseringen av fuktegenskapene viste at alle beleggene hadde hydrofile egenskaper, utenom 75/25 SiC/CuO som hadde hydrofobe egenskaper. Karakteriseringen av avisingen viste at alle prototypene hadde avisende effekt under belysning. Belegget med 75/25 SiC/CuO var det sterkeste, hadde hydrofobisk overflate og rask avisiende tid, og er derfor

De-icing a surface is important for a variety of different structures in colder climates, like roads, powerlines, windmills, or in the aviation industry. The objective of this work was to investigate the fabrication process and characterize four different coatings designed for de-icing surfaces. The coatings consist of three layers, which together acts as a photothermal trap. The surface layer acts as an absorber, the second layer acts as a heat spreader and the third and final layer acts as an insulating layer. By using light only, this method of de-icing surfaces is considered to be more environmentally friendly than the more traditional active de-icing methods like electrical heating or using chemical solutions.

The absorber layer is considered to be the crucial layer in a photothermal trap. It absorbs incoming radiation and converts it to thermal energy. It is also the layer exposed to the surroundings. In this project, prototype coatings of four different absorber layers were fabricated. Three coatings consisted of both the ceramic powders SiC and CuO, while one coating consisted of only SiC as the absorbing material. The ceramic powders were mixed with polyvinyl butyral as the binder, and ethanol as the solvent. The slurries were then cast onto the aluminum foil with a tape caster to make the top two layers of a photothermal trap.

The de-icing properties were characterized using a variety of different experimental setups inside a styrofoam box where frozen droplets were illuminated and the melting time was measured. The surface properties were characterized with scanning electron microscopy (SEM). The wetting properties were characterized with a drop shape analyzer using the water contact angle (WCA). The durability was tested with a micro scratch test.

The four prototype coatings with de-icing effects were successfully fabricated. The durability characterization revealed a strong coating for the 75/25 SiC/CuO prototype. The wetting characterization showed most coatings to be hydrophilic, except for the 75/25 SiC/CuO prototype, which had a hydrophobic nature. The de-icing characterization proved all prototypes to have de-icing properties under illumination. The coating consisting of 75/25 SiC/CuO proved to be the most durable, has a hydrophobic surface and a quick de-icing time, and is therefore the prototype recommended as the absorber layer in a photothermal trap.