Materialer kan forsinke frost op til 300 gange længere tid end eksisterende belægninger mod isdannelse

De fleste teknikker til forebyggelse af frost- og isdannelse på overflader er stærkt afhængige af opvarmning eller flydende kemikalier, der skal genanvendes gentagne gange, fordi de let skylles væk. Selv avancerede anti-ismaterialer har problemer med at fungere under forhold med høj luftfugtighed og under nul-forhold, når frost og isdannelse går i overkørsel.

Nu, forskere fra University of Illinois ved Chicago College of Engineering beskriver for første gang flere unikke egenskaber ved materialer kendt som faseskiftende væsker, eller PSL'er, der holder løfte som næste generations anti-ismaterialer. PSL'er kan forsinke is- og frostdannelse op til 300 gange længere end state-of-the-art belægninger, der udvikles i laboratorier. Deres resultater offentliggøres i tidsskriftet Avancerede materialer .

"Is og frost udgør farer for mennesker og kan beskadige maskiner og reducere funktionaliteten af ​​nogle teknologier, især dem, der vedrører energi og transport, så vi har været interesserede i at finde mulige måder at overvinde deres skadelige virkninger på, og faseskiftende væsker er meget lovende kandidater, "sagde Sushant Anand, adjunkt i maskin- og industriteknik og tilsvarende forfatter til papiret.

PSL'er er en delmængde af faseændringsmaterialer, der har smeltepunkter højere end vandets frysepunkt, som er 0 grader Celsius, hvilket betyder, at de ville være faste stoffer ved en række temperaturer tæt på det, ved hvilket vand fryser. Eksempler på sådanne materialer omfatter cyclohexan, cyclooctan, dimethylsulfoxid, glycerol, og mere.

"Ved temperaturer under nul, alle PSL'er bliver solide. Så, på en vinterdag, du kunne belægge en overflade, hvor du ikke ønsker isning med et PSL -materiale, og det ville blive der meget længere end de fleste afisningsvæsker, som kræver hyppig genanvendelse, "sagde Rukmava Chatterjee, en doktorand ved UIC College of Engineering og den første forfatter til papiret.

Mens forskere har kendt til faseændringsmaterialer i lang tid, deres unikke frostvæske- og frostbeskyttelsesegenskaber er ikke blevet undersøgt før, Forklarede Chatterjee. For årtier siden, Daniel Beysens, forskningsdirektør for fysik og mekanik i heterogene medielaboratorium ved Université de recherche Paris Sciences et Lettres og en medforfatter på papiret, havde observeret, at når materialer som cyclohexan blev afkølet lige under deres smeltepunkter, vanddråber, der kondenserer på overfladen, ville bevæge sig uberegneligt.

"Vi havde set på denne uregelmæssige bevægelse før, og vi havde vist, at det stammede fra smeltningen af ​​cyclohexanen induceret af varmen, der frigives til disse materialer under kondensering af vanddråber, "Sagde Anand.

I deres nuværende forskning, Anand og Chatterjee afkølede en række PSL'er til -15 grader Celsius, gør dem alle solide. Under høj luftfugtighed, de bemærkede, at de størknede PSL'er smeltede direkte nedenunder og i umiddelbar nærhed af vanddråber, der kondenserede på PSL'erne.

"Vi forventede, at den uregelmæssige dråbe bevægelse ville stoppe ved afkøling af overfladen til -15C. Men til vores overraskelse, vi fandt ud af, at dråberne blev ved med at vise den samme hoppebevægelse, selv ved meget lave temperaturer, "Anand sagde." Det viser sig, at PSL'er er ekstremt dygtige til at fange denne frigivne varme.

"Denne kvalitet, kombineret med, at kondenserede vanddråber bliver ekstremt mobile på disse afkølede PSL'er betyder, at dannelsen af ​​frost forsinkes betydeligt. Ja, på et bestemt tidspunkt, is dannes til sidst, og det er uundgåeligt, men nogle af de PSL'er, vi testede, er vandopløselige, og dette bidrager til deres frostvæskeegenskaber og kan medvirke til at forsinke isdannelse meget længere end selv de avancerede anti-isbelægninger. "

Anand og Chatterjee oplevede den samme frostforsinkende effekt med PSL'erne, selv når de blev påført som ekstremt tynde lag på genstande.

"I vores første sæt eksperimenter, PSL -belægningen, vi brugte, var omkring 3 millimeter tyk. Men vi testede dem også som meget tynde belægninger, som en film, og så stadig den samme fryseforsinkelseseffekt, "Anand sagde." Det betyder, at vi potentielt kan bruge PSL'er til at dække genstande som bilruder eller turbineblade uden at gå på kompromis med objektets funktionalitet. "

I yderligere forsøg, forskerne fandt ud af, at PSL'er har en lang række optiske transparenter, kan reparere sig selv efter at være blevet ridset og kan rense væskebårne forurenende stoffer.

"PSL'ers unikke egenskaber, som vi beskriver for første gang i dette papir, make them excellent candidates for next-generation materials to prevent frost and ice development on surfaces, " Anand said.

Because PSLs are solids at low temperatures, he anticipates that they wouldn't need to be applied as often as liquid anti-icing agents because they would have better staying power.

"Men, selvfølgelig, we need to conduct additional experiments to determine their limits and figure out if there are ways we can further maximize their ice/frost-repelling abilities, " han sagde.