ISSN 2304-6600 (Online)
ISSN 1997-0935 (Print)



Строительное материаловедение

Исследование кинетики замерзания капли воды на супергидрофобной поверхности покрытий

  • Логанина Валентина Ивановна - Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (ПГУАС)
DOI: 10.22227/1997-0935.2019.4.435-441
Страницы: 435-441
Введение. Для предотвращения обледенения крыш зданий, опор линий электропередач применяют антиобледенительные покрытия. Одной из характеристик антиобледенительных свойств сверхгидрофобных поверхностей является задержка кристаллизации капель на таких поверхностях. В научно-технической литературе отмечается значительное запаздывание кристаллизации капель воды на супергидрофобных подложках. Однако в ряде работ отмечается, что время запаздывания кристаллизации на гидрофильных подложках больше соответствующих значений на супергидрофобных поверхностях. Исследование кинетики замерзания капли воды на супергидрофобной поверхности с целью оценки эффективности ее применения является актуальной научно-технической задачей. Материалы и методы. Для оценки кинетики замерзания капли воды на супергидрофобной поверхности был проведен эксперимент: капля воды наносилась на супергидрофобную поверхность растворной подложки, которую помещали в морозильную камеру с температурой –18 °С. Исследования динамики замерзания капли на поверхности проводили с помощью тепловизора Testo 875-1. Для создания супергидрофобной поверхности в качестве наполнителя применяли аэросил марки R 972 с плотностью ρ = 2360 кг/м3, размерами частиц 16 нм и удельной поверхностью Sуд = 12 000 м2/кг. В качестве связующего использовали силиконовую смолу SILRES® MSE 100 10-процентной концентрации. Полученные растворы наносили на растворные подложки. Степень гидрофобности оценивали по величине краевого угла смачивания (θ°). Результаты. Результаты исследований распределения температуры на поверхности капли воды свидетельствуют о неравномерности ее распределения. Процесс замерзания капли — многостадийный. В начальный период наблюдается перенос тепла от поверхности к капле воды. Затем следует процесс замораживания капли, который проявляется в движении фронта замерзания от подложки вверх. Выводы. Выявлено, что распределение температуры на поверхности капли воды является неравномерным. При замерзании капля воды имеет заостренную вершину.
  • супергидрофобность;
  • краевой угол смачивания;
  • температура замерзания;
  • тепловой поток;
Литература
  1. Шилова О.А., Проскурина О.И., Антипов В.Н., Хамова Т.В., Есипова Н.Е., Пугачев К.Э. и др. Золь-гель синтез и гидрофобные свойства антифрикционных покрытий для использования в высокооборотных минитурбогенераторах // Физика и химия стекла. 2014. Т. 40. № 3. С. 419–425.
  2. Бойнович Л.Б., Емельяненко А.М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии. 2008. Т. 77. № 7. С. 619–638.
  3. Jung S., Dorrestijn M., Raps D., Das A., Megaridis C.M., Poulikakos D. Are superhydrophobic surfaces best for icephobicity? // Langmuir. 2011. Vol. 27. Issue 6. Pp. 3059–3066. DOI: 10.1021/la104762g
  4. Tianlong Y., Shixiang L., Wenguo X., Rabah B. Preparation of superhydrophobic/superoleophilic copper coated titanium mesh with excellent ice-phobic and water-oil separation performance // Applied Surface Science. 2019. Vol. 476. Pp. 353–362. DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.01.117
  5. Suzuki S., Nakajima A., Yoshida N., Sakai M., Hashimoto A., Kameshima Y. et al. Freezing of water droplets on silicon surfaces coated with various silanes // Chemical Physics Letters. 2007. Vol. 445. Issue 1–3. Pp. 37–41. DOI: 10.1016/j.cplett.2007.07.066
  6. Shirtcliffe N.J., McHale G., Newton M.I., Perry C.C. Intrinsically superhydrophobic organosilica sol-gel foams // Langmuir. 2003. Vol. 19. Nо. 14. Pp. 5626–5631. DOI: 10.1021/la034204f
  7. Гринац Э.С., Миллер А.Б., Потапов Ю.Ф., Стасенко А.Л. Экспериментальные и теоретические исследования процессов обледенения наномодифицированных супергидрофобных и обычных поверхностей // Вестник МГОУ. Сер.: Физика — Математика. 2013. № 3. С. 84–92.
  8. Пат. 2162872 РФ, МПК C09K3/18. Гидрофобная антиобледенительная композиция / Алесковская Е.В.; Дубинский Я.А.; Токарев В.В., заявитель и патентообладатель ООО Фирма «Северная пирамида»; Дубинский Яков Абрамович; Токарев Вячеслав Викторович. № 99114484/04, заяв. 07.07.1999; опубл. 10.02.2001.
  9. Кондрашов С.В., Пыхтин А.А., Соловьянчик Л.В., Большаков В.А., Павлюк Б.Ф., Бадамшина Э.Р. и др. Исследование зависимости адгезии льда к полиуретановым покрытиям от их физико-механических свойств // Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ». 2019. № 3. DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-3-87-95
  10. Mingming J., Yizhou S., Xinyi L., Jie T., Yuehan X., Haifeng C. et al. A combination structure of microblock and nanohair fabricated by chemical etching for excellent water repellency and icephobicity // Applied Surface Science. 2018. Vol. 455. Pp. 883–890. DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.06.043
  11. Lin G., Zhang Q., Dikin D.A., Jie Y. Constrained droplet base in condensed water on carbon nanoparticle coating for delayed freezing// Extreme Mechanics Letters. 2018. Vol. 24. Pp. 38–46. DOI: 10.1016/j.eml.2018.09.001
  12. Xiaofei Y., Weidong L., Yuan W. Freezing delay, frost accumulation and droplets condensation properties of micro- or hierarchically-structured silicon surfaces // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 126.  Pp. 442–451. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.04.165
  13. Alizadeh A., Yamada M., Li R., Shang W., Otta S., Zhong S. et al. Dynamics of ice nucleation on water repellent surfaces // Langmuir. 2012. Vol. 28. Issue 6. Pp. 3180–3186. DOI: 10.1021/la2045256
  14. Wang H., He G., Tian Q. Effects of nano-fluorocarbon coating on icing // Applied Surface Science. 2012. Vol. 258. Issue 18. Pp. 7219–7224. DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.04.043
  15. Fuchs N.A. Evaporation and droplet growth in gaseous media. London : Pergamon Press, 1959.
  16. Madeleine S., Thomas O., Schremb M., Marschelke C., Tee H.T., Wurm F.R. et al. Supercooled water drops do not freeze during impact on hybrid janus particle-based surfaces // Chemistry of Materials. 2019. Vol. 31. Issue 1. Pp. 112–123. DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03183
  17. Chi J., Weiqu L., Maiping Y. Robust fabrication of superhydrophobic and photocatalytic self-cleaning cotton textiles for oil-water separation via thiol-ene click reaction // Journal of materials science. 2019. Vol. 54. Issue 9. Pp. 7369–7382.
  18. Lakshmi R.V., Bharathidasan T., Parthasarathi Bera, Bharathibai J. Basu. Fabrication of superhydrophobic and oleophobic sol-gel nanocomposite coating // Surface & Coatings Technology. 2012. Vol. 206. Issue 19–20. Pp. 3888–3894. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.03.044
  19. Nosonovsky M., Bhushan B. Superhydrophobic surfaces and emerging applications: Non-adhesion, energy, green engineering // Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2009. Vol. 14. Issue 4. Рp. ­270–280. DOI: 10.1016/j.cocis.2009.05.004
  20. Venkateswara R.A., Latthe S.S., Nadargi D.Y., Hirashima H., Ganesan V. Preparation of MTMS based transparent superhydrophobic silica films by sol-gel method // Journal of Colloid and Interface Science. 2009. Vol. 332. Nо. 2. Pp. 484–490. DOI: 10.1016/j.jcis.2009.01.012
  21. Логанина В.И. Выбор концентрации полимера при разработке рецептуры состава для антиобледенительного покрытия // Вестник ПГУАС: строительство, наука и образование. 2019. № 1 (8). С. 19–22.
СКАЧАТЬ (RUS)