Superhydrofobiciteit in de strijd tegen ijs

Het ontstaan van ijs op vleugels en propellers van een vliegtuig, drone of windturbine resulteert in een verlaagde lift of verhoogd verbruik. IJsvorming wordt dan ook actief en passief bestreden. Onlangs is aangetoond dat het superhydrofoob maken van het oppervlak in bepaalde weersomstandigheden deze ijsvorming kan tegengaan.

In allerlei sectoren is ijsvorming een probleem dat nadelen tot gevolg heeft voor de werking van allerlei systemen in uiteenlopende sectoren, gaande van de luchtvaart tot windenergie. Superhydrofobe oppervlakken zouden hier een uitkomst kunnen bieden. Een recent experimenteel onderzoek naar de bevochtigbaarheidseffecten op het dynamische proces van ijsafzetting aan het oppervlak van de propeller van een drone toonde aan dat het superhydrofoob maken van dat oppervlak onder bepaalde weersomstandigheden deze ijsvorming kan tegengaan.

Onderstaande figuur toont het effect dat een superhydrofoob oppervlak tegenover een hydrofiel oppervlak heeft op de ijsaanwas op de propeller van een drone.  Bij een hydrofoob oppervlak is er minder ijsafzetting. Dit komt doordat de druppels er gedeeltelijk van afspringen. Het ijs dat toch nog gevormd wordt, schudt sneller los van de propeller in vergelijking met op een hydrofiel oppervlak.

Boven: hydrofiel oppervlak, onder: hydrofoob oppervlak

Superhydrofobe oppervlakken kunnen op verschillende manieren bekomen worden, onder meer via coatings of femtoseconde-lasertexturering.

Soort oppervlak en omstandigheden

Belangrijk in de benadering om ijsvorming tegen te gaan met behulp van hydrofobe oppervlakken is dat men rekening houdt met het soort oppervlak en de omstandigheden. Superhydrofobiciteit wordt verkregen door kleine oppervlaktestructuren te maken. Indien er voorafgaandelijk een periode van hoge luchtvochtigheid en dalende temperatuur heeft plaatsgevonden, kan er zich rijm hebben afgezet die de superhydrofobiciteit teniet doet. Dit wordt getoond in onderstaande figuur met de opspringende druppel. Eenmaal het oppervlak bedekt is met ijs, vervalt het hydrofobe karakter. Vallende druppels kunnen bijgevolg aanvriezen. Bovendien wordt het oppervlak vergroot door deze oppervlaktestructuur, waardoor het ijs sterker kan hechten en dus moeilijker mechanisch te verwijderen is. Een mogelijke piste is alsnog het ijs te verwijderen door verwarming. Een groter oppervlak zou kunnen leiden tot een grotere warmteafgifte. 

Een superhydrofoob oppervlak (a) met (c) en zonder (b) rijm onder impact van een druppel. Zolang het oppervlak ijsvrij is, springt de druppel eraf, maar als er rijm aanwezig is, vriest de druppel vast. 

IJsadhesie vergroot lineair met het oppervlakte/aantal microstructuren

Ook Sirris onderzoekt hoe oppervlakken beschermd kunnen worden tegen ijsvorming, en hoe ijsvorming te monitoren indien dit een onwenselijke en gevaarlijke situatie kan veroorzaken bij bepaalde applicaties. In het kader van COOCK-project Fighting Icing en het H2020 Newskin-project volgen we de state of the art op en doen we zelf vergelijkende testen met een vernieuwde ijsspraytest-set-up die in staat is grote oppervlakken te testen met verschillende types ijsvorming. Deze nieuwe ijstestmogelijkheid is opgebouwd in onze grote klimaatkamer op onze site in Antwerpen.

IJsspray-array en ijstest in klimaatkamer van Sirris

Meer weten over de mogelijkheden met superhydrofobe oppervlakken? Neem contact met ons op!

Deze blog werd geschreven in het kader van de COOCK-projecten Surfacescript en Fighting Icing.

Bronnen

An experimental study of surface wettability effects on dynamic ice accretion process over an UAS propeller model, Y. Liu et al, Aerospace Science and Technology 73, p. 164 (2018)

Frost formation and ice adhesion on superhydrophobic surfaces, K.K. Varanasi et al, Applied Phys. Letters 97, 234102 (2010)