Materialien können Frost bis zu 300-mal länger verzögern als bestehende Anti-Icing-Beschichtungen

26.03.2019 - USA

Die meisten Techniken zur Verhinderung von Frost und Eisbildung auf Oberflächen sind stark auf Erwärmung oder flüssige Chemikalien angewiesen, die wiederholt angewendet werden müssen, da sie leicht weggespült werden können. Selbst fortschrittliche Anti-Icing-Materialien haben Probleme, unter Bedingungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und unter Null Grad Celsius zu funktionieren, wenn Frost und Eisbildung in den Überlauf gehen.

Forscher der University of Illinois am Chicago College of Engineering beschreiben nun zum ersten Mal mehrere einzigartige Eigenschaften von Materialien, die als phasenschaltende Flüssigkeiten oder PSLs bekannt sind und als Anti-Icing-Materialien der nächsten Generation vielversprechend sind. PSLs können die Eis- und Frostbildung bis zu 300-mal länger verzögern als moderne Beschichtungen, die in Labors entwickelt werden.

"Eis und Frost stellen eine Gefahr für den Menschen dar und können Maschinen beschädigen und die Funktionalität einiger Technologien, insbesondere derjenigen, die mit Energie und Transport zu tun haben, beeinträchtigen. Deshalb waren wir daran interessiert, Möglichkeiten zu finden, ihre schädlichen Auswirkungen zu überwinden, und Phasenwechselflüssigkeiten sind sehr vielversprechende Kandidaten", sagte Sushant Anand, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Industrietechnik und korrespondierender Autor der Arbeit.

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PSLs sind eine Teilmenge von Phasenwechselmaterialien, deren Schmelzpunkte höher sind als der Gefrierpunkt von Wasser, der 0 Grad Celsius beträgt, was bedeutet, dass sie bei einem Temperaturbereich nahe demjenigen, bei dem Wasser gefriert, fest sind. Beispiele für solche Materialien sind Cyclohexan, Cyclooctan, Dimethylsulfoxid, Glycerin und mehr.

"Bei Minusgraden werden alle PSLs fest. An einem Wintertag könnte man also eine Oberfläche, auf der man keine Vereisung wünscht, mit einem PSL-Material beschichten und es würde dort viel länger bleiben als die meisten Enteisungsmittel, die eine häufige Wiederholung erfordern", sagt Rukmava Chatterjee, Doktorand am UIC College of Engineering und Erstautor der Arbeit.

Obwohl die Forscher seit langem über Phasenwechselmaterialien Bescheid wissen, wurden ihre einzigartigen Anti-Icing und Anti-Frost-Eigenschaften noch nie zuvor untersucht, erklärte Chatterjee. Daniel Beysens, Forschungsdirektor für Physik und Mechanik des heterogenen Medienlabors an der Université de recherche Paris Sciences et Lettres und Mitautor des Papiers, hatte vor Jahrzehnten beobachtet, dass sich Wassertropfen, die auf der Oberfläche kondensieren, fehlerhaft bewegen würden, wenn Materialien wie Cyclohexan knapp unter ihre Schmelzpunkte gekühlt würden.

"Wir hatten diese unregelmäßige Bewegung schon einmal untersucht, und wir hatten gezeigt, dass sie aus dem Schmelzen des Cyclohexans entstand, das durch die Hitze verursacht wurde, die während der Kondensation von Wassertropfen in diese Materialien freigesetzt wurde", sagte Anand.

In ihrer aktuellen Forschung kühlten Anand und Chatterjee eine Reihe von PSLs auf -15 Grad Celsius und machten sie alle solide. Unter hohen Luftfeuchtigkeitsbedingungen stellten sie fest, dass die erstarrten PSLs direkt unter und in unmittelbarer Nähe von Wassertropfen schmolzen, die auf den PSLs kondensieren.

"Wir hatten erwartet, dass die unregelmäßige Tröpfchenbewegung beim Abkühlen der Oberfläche auf -15C aufhören würde. Aber zu unserer Überraschung fanden wir heraus, dass die Tröpfchen auch bei sehr niedrigen Temperaturen immer wieder die gleiche Sprungbewegung zeigten", sagte Anand. "Es stellt sich heraus, dass PSLs sehr geschickt darin sind, diese freigesetzte Wärme einzufangen.

"Diese Qualität, kombiniert mit der Tatsache, dass kondensierte Wassertropfen auf diesen gekühlten PSLs extrem beweglich werden, führt dazu, dass die Frostbildung deutlich verzögert wird. Ja, an einem bestimmten Punkt bildet sich irgendwann Eis, und das ist unvermeidlich, aber einige der von uns getesteten PSLs sind wasserlöslich, was zu ihrer Frostschutzeigenschaft beiträgt und dazu beitragen kann, die Eisbildung viel länger zu verzögern als selbst die fortschrittlichen Anti-Icing-Beschichtungen".

Anand und Chatterjee sahen den gleichen frostverzögernden Effekt bei den PSLs, auch wenn sie als extrem dünne Schichten auf Objekte aufgebracht wurden.

"In unseren ersten Experimenten war die von uns verwendete PSL-Beschichtung etwa 3 Millimeter dick. Aber wir haben sie auch als sehr dünne Schichten, wie einen Film, getestet und dabei immer noch den gleichen Effekt der Frostverzögerung gesehen", sagte Anand. "Das bedeutet, dass wir möglicherweise PSLs verwenden können, um Objekte wie Autofrontscheiben oder Turbinenschaufeln zu beschichten, ohne die Funktionalität des Objekts zu beeinträchtigen."

In weiteren Experimenten fanden die Forscher heraus, dass PSLs eine große Bandbreite an optischen Transparenzen aufweisen, sich nach dem Zerkratzen selbst reparieren können und flüssig getragene Verunreinigungen reinigen können.

"Die einzigartigen Eigenschaften von PSLs, die wir in diesem Beitrag zum ersten Mal beschreiben, machen sie zu hervorragenden Kandidaten für Materialien der nächsten Generation, um Frost und Eisbildung auf Oberflächen zu verhindern", sagte Anand.

Da es sich bei PSLs um Feststoffe bei niedrigen Temperaturen handelt, erwartet er, dass sie nicht so oft wie flüssige Vereisungsschutzmittel aufgetragen werden müssen, weil sie ein besseres Durchhaltevermögen haben.

"Aber natürlich müssen wir zusätzliche Experimente durchführen, um ihre Grenzen zu bestimmen und herauszufinden, ob es Möglichkeiten gibt, ihre Eis-/Frostabweisenden Fähigkeiten weiter zu maximieren", sagte er.

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