Properties of icephobic surfaces in different icing conditions
Stenroos, Christian (2015)
Stenroos, Christian
2015
Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-10-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201509241605
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201509241605
Tiivistelmä
Icing inflicts serious problems for different branches of industries by decreasing efficiency, productivity and safety. Aviation, off-shore platforms, sea vessels, power network and wind power suffer from the problems that icing causes. Ice accretion causes external loads on the structures, which can collapse structures or danger the safety. For example ice accretion on the aircraft wing decreases its lifting abilities and may result the loss of controlling. Typically ice is hard to remove from the surface. Therefore many methods have been developed in order to melt or detach accreted ice from the surface. The most commonly utilized methods are based on electrothermal heating, where interface between ice and substrate is heated until the ice detaches. Also deicing chemicals are used on roads and airplane wings.
These abovementioned methods are not environmentally friendly options and therefore different types of coatings for anti-icing solutions have been studied in the literature. Fluorine and silicone containing polymer coatings have been showed to offer icephobic properties. Furthermore superhydrophobic coatings have been studied due to their water repellency and low ice adhesion strengths have been discovered. However superhydrophobic coatings will lose their performance in different icing conditions, which is why it is crucial to study the formation mechanisms of different ice types. Large number of factors such as water droplet size, temperature and wind speed has an effect on icing, its harshness and formation of different ice types. Moreover, influence of different properties on ice adhesion has similar complexity than icing event. Wetting behaviour, surface roughness, surface chemistry and icing conditions have an effect on ice adhesion strength.
The primary aim of this thesis was to study the effect of different icing conditions on the formation of different ice types and furthermore their effect on ice adhesion strength. Ice accretions were performed in the icing wind tunnel in nine different icing conditions. Ice adhesion strength of variety of coatings and surfaces was evaluated with centrifugal ice adhesion test. It was discovered that ice adhesion strength is influenced by the ice type, wetting behaviour and surface chemistry. Nevertheless correlation between ice adhesion strength and the influencing factors needs to be further studied. Jäätyminen aiheuttaa vakavia ongelmia eri teollisuuden toimialoille vähentäen hyötysuhdetta, tuottavuutta ja turvallisuutta. Ilmailu, öljyn porauslautat, merialukset, sähköverkosto and tuulivoima kärsivät erityisesti ongelmista, joita jäätyminen aiheuttaa. Jään kertyminen aiheuttaa rakenteiden kuormittumista, mikä voi romahduttaa rakenteita tai vaarantaa turvallisuutta. Esimerkiksi jään kertyminen lentokoneen siipeen heikentää sen nostokykyä ja voi aiheuttaa koneen ohjauksen menettämisen. Tyypillisesti jäätä on hankala irrottaa pinnoilta. Tämän vuoksi useita eri menetelmiä on kehitetty sulattamaan tai irrottamaan kertynyt jää pinnoilta. Yleisimmin hyödynnetyt menetelmät perustuvat sähkötermiseen lämmityselementtiin, mikä perustuu jään ja pinnan välisen rajapinnan lämmittämiseen kunnes jää irtoaa pinnasta. Lisäksi jäänpoistokemikaaleja on käytetty teillä ja lentokoneen siivillä.
Edellä mainitut menetelmät eivät ole ympäristöystävällisiä vaihtoehtoja and sen johdosta erityyppisiä pinnoitteita on tutkittu kirjallisuudessa. Fluoria ja silikonia sisältävät polymeeripinnoitteet ovat osoittaneet jäänesto-ominaisuuksia. Lisäksi superhydrofobisia pintoja on tutkittu laajalti niiden veden hylkimisominaisuuksien takia, ja on havaittu matalia jään adheesiovoimia. Kuitenkin superhydrofobisten pintojen suorituskyky heikkenee merkittävästi eri jäätymisolosuhteissa. Useat eri tekijät, kuten pisarakoko, lämpötila ja tuulen nopeus vaikuttavat jäätymiseen, sen rankkuuteen ja eri jäätyyppien muodostumiseen. Lisäksi jään adheesion vaikuttavien tekijöiden lukumäärä on yhtä moninainen kuin jäätapahtumaan vaikuttavien tekijöiden määrä. Kastuvuuskäyttäytyminen, pinnankarheus, pintakemia ja jäätymisolosuhteet vaikuttavat jään adheesiovoimaan.
Tämän diplomityön päätavoite on tutkia eri jäätymisolosuhteiden vaikutusta eri jäätyyppien muodostumiseen ja jään adheesiovoimaan. Jään kerrytykset suoritettiin jäätävässä tuulitunnelissa yhdeksässä eri jäätymisolosuhteessa. Eri pintojen jään adheesiovoima mitattiin sentrifugaalisella jään adheesiotestillä. Jäätyypin, kastumiskäyttäytymisen ja pintakemian havaittiin vaikuttuvan jään adheesiovoimaan Korrelaatio jään adheesiovoiman ja siihen vaikuttuvien tekijöiden välillä vaatii silti lisätutkimusta.
These abovementioned methods are not environmentally friendly options and therefore different types of coatings for anti-icing solutions have been studied in the literature. Fluorine and silicone containing polymer coatings have been showed to offer icephobic properties. Furthermore superhydrophobic coatings have been studied due to their water repellency and low ice adhesion strengths have been discovered. However superhydrophobic coatings will lose their performance in different icing conditions, which is why it is crucial to study the formation mechanisms of different ice types. Large number of factors such as water droplet size, temperature and wind speed has an effect on icing, its harshness and formation of different ice types. Moreover, influence of different properties on ice adhesion has similar complexity than icing event. Wetting behaviour, surface roughness, surface chemistry and icing conditions have an effect on ice adhesion strength.
The primary aim of this thesis was to study the effect of different icing conditions on the formation of different ice types and furthermore their effect on ice adhesion strength. Ice accretions were performed in the icing wind tunnel in nine different icing conditions. Ice adhesion strength of variety of coatings and surfaces was evaluated with centrifugal ice adhesion test. It was discovered that ice adhesion strength is influenced by the ice type, wetting behaviour and surface chemistry. Nevertheless correlation between ice adhesion strength and the influencing factors needs to be further studied.
Edellä mainitut menetelmät eivät ole ympäristöystävällisiä vaihtoehtoja and sen johdosta erityyppisiä pinnoitteita on tutkittu kirjallisuudessa. Fluoria ja silikonia sisältävät polymeeripinnoitteet ovat osoittaneet jäänesto-ominaisuuksia. Lisäksi superhydrofobisia pintoja on tutkittu laajalti niiden veden hylkimisominaisuuksien takia, ja on havaittu matalia jään adheesiovoimia. Kuitenkin superhydrofobisten pintojen suorituskyky heikkenee merkittävästi eri jäätymisolosuhteissa. Useat eri tekijät, kuten pisarakoko, lämpötila ja tuulen nopeus vaikuttavat jäätymiseen, sen rankkuuteen ja eri jäätyyppien muodostumiseen. Lisäksi jään adheesion vaikuttavien tekijöiden lukumäärä on yhtä moninainen kuin jäätapahtumaan vaikuttavien tekijöiden määrä. Kastuvuuskäyttäytyminen, pinnankarheus, pintakemia ja jäätymisolosuhteet vaikuttavat jään adheesiovoimaan.
Tämän diplomityön päätavoite on tutkia eri jäätymisolosuhteiden vaikutusta eri jäätyyppien muodostumiseen ja jään adheesiovoimaan. Jään kerrytykset suoritettiin jäätävässä tuulitunnelissa yhdeksässä eri jäätymisolosuhteessa. Eri pintojen jään adheesiovoima mitattiin sentrifugaalisella jään adheesiotestillä. Jäätyypin, kastumiskäyttäytymisen ja pintakemian havaittiin vaikuttuvan jään adheesiovoimaan Korrelaatio jään adheesiovoiman ja siihen vaikuttuvien tekijöiden välillä vaatii silti lisätutkimusta.