DE102009024320B4 - Coatings with ice-repellent and freezing point-lowering properties, process for their preparation and use - Google Patents
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Abstract
Beschichtung mit eisabweisenden und gefrierpunktsenkenden Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus geätztem nanopartikulärem SiO2, R-SiO3/2, mit R = Alkylrest oder Fluoralkylrest mit 1–18 Kohlenstoffatomen, Al2O3und/oder TiO2 besteht, in deren Oberfläche Fluorverbindungen eingebunden sind.Coating with ice-repellent and freezing-point-lowering properties, characterized in that the coating consists of etched nanoparticulate SiO 2, R-SiO 3/2, with R = alkyl radical or fluoroalkyl radical having 1-18 carbon atoms, Al 2 O 3 and / or TiO 2, in the surface of which fluorine compounds are incorporated.
Description
Die Erfindung betrifft eine dauerhafte eisabweisende und gefrierpunktsenkende Ausrüstung von Materialoberflächen auf Basis geätzter Metalloxid-Beschichtungen. Durch die Beschichtung wird ein antiadhäsives Verhalten gegenüber umströmender Medien bis in den Temperaturbereich des Flüssig-Festphasenüberganges hinein erzielt.The invention relates to a permanent ice-repellent and freezing-point lowering finishing of material surfaces based on etched metal oxide coatings. The coating achieves an anti-adhesive behavior with respect to the surrounding media up to the temperature range of the liquid-solid phase transition.
Das Vereisen von technischen Anlagen und Geräten z. B. von Flugzeugtragflächen, Kraftwerken, Schleusentoren, technischen Transportmitteln im maritimen Kontext, Hochspannungsleitungen ist unerwünscht. Eis- und Rauhreifbildung führen zur Senkung des Wirkungsgrades bis hin zur Funktionsunfähigkeit von technischen Anlagen. Bei Betreibern von Anlagen im Außenbereich besteht darum die verstärkte Nachfrage nach antiadhäsiven Beschichtungen. Konkret bei Windkraftanlagen müssen Rotorblätter und Türme gegen Vereisung geschützt werden. Bei einer Vereisung der Rotorblätter bilden sich potentiell kiloschwere Eisschichten, die sich durch die Fliehkraft lösen können. Unter ungünstigen Bedingungen fliegen solche Eisschichten, Geschossen gleich, mehrere hundert Meter weit. Windkraftanlagen dürfen deshalb bei entsprechender Wetterlage nicht betrieben werden, was unerwünschte Standzeiten der Anlagen zur Folge hat. Auch das Vereisen von Starkstromleitungen und Telekommunikationseinrichtungen kann ein großes wirtschaftliches Problem darstellen. Das notwendige Enteisen ist in jedem Fall aufwändig und verursacht zusätzliche Kosten. Eis-, wasser- und schmutzabweisende Beschichtungen können die Effektivität von technischen Anlagen und Geräten erheblich verbessern.The icing of technical equipment and devices z. As of aircraft wings, power plants, floodgates, technical means of transport in the maritime context, high voltage power lines is undesirable. Ice and hoarfrosting lead to a reduction in efficiency up to the inability of technical systems. Operators of outdoor facilities therefore have an increased demand for anti-adhesive coatings. Specifically in wind turbines rotor blades and towers must be protected against icing. With icing of the rotor blades, potentially heavy ice layers are formed, which can be released by the centrifugal force. Under unfavorable conditions such ice layers fly, projectiles equal, several hundred meters far. Wind turbines may therefore not be operated in the appropriate weather conditions, resulting in undesirable downtime of the plants result. The icing of power lines and telecommunications equipment can also pose a major economic problem. The necessary deicing is in any case costly and causes additional costs. Ice-, water- and dirt-repellent coatings can considerably improve the effectiveness of technical systems and equipment.
Die Entwicklung von eisabweisenden Beschichtungen hat für metallische Oberflächen eine besondere Bedeutung. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Eis liegt leicht über dem der gebräuchlichen Metalle, aber weit unterhalb des Wärmeausdehnungskoeffizienten von vielen Polymeren. Wenn innere Spannungen im Eis aufgrund hoher Unterkühlungsraten nicht ausgeglichen werden können, würde das bei stark differierendem Wärmeausdehnungsverhalten für Eisschichten zum Bruch führen und die Eisschichten könnten abbröckeln, während sie auf Metallen um so fester anhaften würden.The development of ice-repellent coatings has a special significance for metallic surfaces. The coefficient of thermal expansion of ice is slightly above that of common metals, but far below the coefficient of thermal expansion of many polymers. If internal tensions in the ice can not be balanced due to high subcooling rates, this would lead to breakage with widely differing thermal expansion behavior for ice sheets, and the ice sheets could crumble while adhering to metals all the more.
Ein großer Teil der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konzentrierte sich bisher auf konstruktive Maßnahmen, die das Anhaften von Eis verhindern sollen und auf Mechanismen zum Entfernen der Eisschicht. Nur ein kleiner Teil der Arbeiten war bislang darauf ausgerichtet, die Oberflächen der Werkstoffe so zu verändern, dass ein Überfrieren erschwert oder verhindert werden kann.Much of the research and development has so far focused on constructive measures to prevent the adhesion of ice and mechanisms for removing the ice. Only a small part of the work has so far been aimed at changing the surfaces of the materials so that over-freezing can be hindered or prevented.
Nun werden zunehmend Entwicklungsergebnisse eisabweisender Beschichtungen bekannt, denen Mechanismen zur Schwächung zwischenmolekularer Kräfte an der Grenzfläche von Oberfläche und Eis zugrunde liegen. Als die Ursachen für Eisadhäsion werden elektrostatische Anziehungskräfte, Wasserstoffbrückenbindungen sowie die van der Waals-Bindungen diskutiert. Eis besteht aus polaren Wassermolekülen, die mit jeder Art von Oberfläche stark wechselwirken, deren dielektrische Polarisation von der des Eises abweicht.Developmental results of ice-repellent coatings are increasingly becoming known, based on mechanisms for weakening intermolecular forces at the interface of surface and ice. As the causes of ice adhesion, electrostatic attractions, hydrogen bonds, and van der Waals bonds are discussed. Ice consists of polar water molecules that strongly interact with any type of surface whose dielectric polarization differs from that of the ice.
So wurde versucht, die Adhäsionskraft des Eises über ihren Anteil an elektrostatischen Anziehungskräften zu minimieren. Über eine konstante elektrische Gleichspannung sind diese Kräfte beeinflussbar. Zwischen elektrisch isolierender Beschichtung und Eis wird ein feinmaschiges Netz aufgebracht, das den elektrischen Kontakt realisiert /
Bekannt ist, dass Wasser an Oberflächen mit verminderter Oberflächenenergie gut abperlen kann. Laut einem weitverbreiteten Gedankenmodell sollen diese hydrophoben Oberflächen auch die Adhäsion des Eises vermindern. In mehreren Arbeiten wird auf die eisabweisenden Eigenschaften hydrophober Oberflächen Bezug genommen. Eine Minimierung der Oberflächenenergie kann man z. B. mit silikonverstärkten Oberflächen erreichen. Die Oberflächen zeigen dann eine minimale Wechselwirkung mit anderen Substanzen. Derartige Systeme wurden als eisadhäsionsreduzierende Systeme vorgestellt /
Bisher ist allerdings unklar, ob eine Grundhydrophobie des Beschichtungssystems für seine eisabweisenden Eigenschaften notwendig ist. Die gezielte Beeinflussung der Oberflächenrauhigkeit bzw. die Rolle der Minimierung der Oberflächenrauigkeit wird ebenfalls kontrovers diskutiert. Aktuelle und auch eigene Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Hydrophobie und Oberflächenrauigkeit lassen keine klare Tendenz erkennen /Laforte, Caroline, J.-L. Laforte, J.-C. Laforte; How a solid coating can reduce the adhesion of Ice on a Structure, The Tenth International Workshop an Atmospheric Icing of Structures, IWAIS 2002/. Insgesamt können Schichtsysteme mit hydrophobierenden Eigenschaften die Adhäsion des anhaftenden Eises vermindern und damit mechanische Prozesse des Eisentfernens erleichtern. Sie können gefrierverzögernd wirken, es jedoch nicht verhindern.So far, however, it is unclear whether a basic hydrophobicity of the coating system is necessary for its ice-repellent properties. The targeted influence on the surface roughness or the role of minimizing the surface roughness is also discussed controversially. Current and own investigations on the interaction between hydrophobicity and surface roughness show no clear tendency / Laforte, Caroline, J.-L. Laforte, J.-C. Laforte; The Tenth International Workshop on Atmospheric Icing of Structures, IWAIS 2002 /. Altogether, layer systems with hydrophobizing Properties reduce the adhesion of adhering ice and thus facilitate mechanical processes of ice removal. They can have a freeze-delay effect, but they can not prevent it.
Bekannt sind Beschichtungen mit verbesserten Reflexionseigenschaften. So lehrt
Zusätzliche Effekte werden durch eine heterogene Oberflächenstrukturierung aus Komponenten mit unterschiedlicher Hydrophobie erwartet. Hierzu sind zwei Ansätze bekannt, die sich jeweils der Technologie der Sol-Gel Schichtherstellung bedienen. SiO2-Grundschichten zeigten üblicherweise ein eher hydrophiles Verhalten, Randwinkelmessungen erbringen ein Ergebnis von ~40°. TiO2-Schichten zeigten auch kein ausgeprägt hydrophobes Verhalten, Randwinkelmessungen liegen bei ~60°. Durch eine Partikelverstärkung von Sol-Gel Schichten, vorrangig mit Silikonpartikeln, aber auch anderen, nicht namentlich aufgeführten organischen sowie anorganischen Beimengungen wird eine Modifizierung des Hydrophil-Hydrophob-Verhaltens vorgenommen /
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Beschichtungen mit verbesserten eisabweisenden und gefrierpunktsenkenden Eigenschaften zu schaffen. Erreicht werden soll, dass nicht nur die vollständige Vereisung verzögert wird, sondern gefrierpunktsenkende Eigenschaften erzielt werden.It is therefore an object of the invention to provide coatings with improved ice-repellent and freezing point-lowering properties. It should be achieved that not only the complete icing is delayed, but freezing point lowering properties are achieved.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Beschichtung mit eisabweisenden und gefrierpunktsenkenden Eigenschaften sowie durch ein Verfahren zu deren Herstellung und ihre Verwendung gemäß der Merkmale der Patentansprüche 1, 4 und 7 gelöst. Weitere Ausgestaltungen beinhalten die Merkmale der nachgeordneten Ansprüche 2 und 3 sowie 5 und 6.According to the invention the object is achieved by a coating with ice-repellent and freezing point-lowering properties and by a process for their preparation and their use according to the features of claims 1, 4 and 7. Further embodiments include the features of the subordinate claims 2 and 3 as well as 5 and 6.
Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Beschichtung eine Schichtdicke 400–800 nm und eine Rauheit von 200 bis 2000 nm auf.Advantageously, the coating according to the invention has a layer thickness of 400-800 nm and a roughness of 200 to 2000 nm.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Beschichtung aus TiO2/SiO2-Mischoxiden mit einem Anteil von 70–80 mol-% TiO2.According to an advantageous embodiment of the invention, the coating consists of TiO 2 / SiO 2 mixed oxides with a proportion of 70-80 mol% TiO 2 .
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen nanopartikulären Oxidbeschichtung werden unter Nutzung der Sol-Gel-Technik Sole verwendet, die durch saure oder alkalische Hydrolyse der entsprechenden Silicium-, Aluminium- oder Titanalkoxide hergestellt werden, und nach Beschichtung beliebiger Materialoberflächen stabile Schichten aus SiO2, R-SiO3/2 (R = Alkylrest oder Fluoralkylrest mit 1–18 Kohlenstoffatomen), Al2O3 und/oder TiO2 bilden. Die Herstellung derartiger nanopartikulärer Oxidschichten kann auch aus der Gasphase (CVD, Sputtern, thermische Verdampfung) erfolgen.To produce the nanoparticulate oxide coating according to the invention, sols prepared by acidic or alkaline hydrolysis of the corresponding silicon, aluminum or titanium alkoxides are used using the sol-gel technique, and stable layers of SiO 2 , R-SiO after coating any material surfaces 3/2 (R = alkyl radical or fluoroalkyl radical having 1-18 carbon atoms), Al 2 O 3 and / or TiO 2 form. The preparation of such nanoparticulate oxide layers can also be carried out from the gas phase (CVD, sputtering, thermal evaporation).
Die erfindungsgemäßen Beschichtungen weisen eine Schichtdicke von ca. 400–800 nm, bevorzugt von 450–600 nm auf. Diese Schichten bilden ein hochelastisches, überwiegend anorganisch keramisches Netzwerk, das sich auch komplizierten Untergrundstrukturen anpasst. Nach Trocknung und Temperung auf Temperaturen über 400°C werden die Schichten mit einer fluoridhaltigen wässrigen oder alkoholischen Lösung geätzt. Durch den Ätzprozess und dessen zeitlicher Variation können Eigenschaften eingestellt werden, die ein antiadhäsives Verhalten gegenüber umströmender Medien bis in den Temperaturbereich des Flüssig-Festphasenüberganges wässriger Lösungen hinein fördern. Erzielt wird eine Oberflächenrauheit in der Größenordnung von Ra = 300–450 nm, begleitet von einer flächigen Strukturierung der Oberfläche in der Größenordnung von 200–2000 nm. Diese Oberflächengestaltung erlaubt einen Eingriff in die auftretenden laminaren und turbulenten Strömungsformen im Grenzschichtbereich des Strömungsfeldes des umströmten erfindungsgemäß beschichteten Elementes. Die sich aufbauende Wandschubspannung wird genutzt, um eventuell anhaftende Eiskristallkeime sofort abzulösen und durch das umströmende Medium von der beschichteten Oberfläche des Bauteils wegzureißen. Aufgrund der Interaktion mit dem umströmenden Medium wird das Überfrieren bzw. die Rauhreifbildung der beschichteten Bauteile innerhalb eines Unterkühlungsbereiches von 5–2 Kelvin unter dem jeweiligen Gefrierpunkt längerzeitig bzw. vollständig vermieden. Darüber hinaus ist die Eisanhaftung an den erfindungsgemäßen Beschichtungen grundlegend vermindert.The coatings of the invention have a layer thickness of about 400-800 nm, preferably from 450-600 nm. These layers form a highly elastic, predominantly inorganic ceramic network, which also adapts to complicated underground structures. After drying and tempering to temperatures above 400 ° C, the layers are etched with a fluoride-containing aqueous or alcoholic solution. Through the etching process and its temporal variation, it is possible to set properties which have an anti-adhesive behavior with respect to the surrounding media up to the temperature range of the liquid phase. Promote solid phase transition of aqueous solutions. This results in a surface roughness in the order of Ra = 300-450 nm, accompanied by a surface structuring of the surface in the order of 200-2000 nm. This surface design allows intervention in the occurring laminar and turbulent flow forms in the boundary layer region of the flow field of the flow around the invention coated element. The build-up wall shear stress is used to immediately dissolve any adhering ice crystal nuclei and tear away from the coated surface of the component by the flowing medium. Due to the interaction with the circulating medium, the freezing or frosting of the coated components within a subcooling range of 5-2 Kelvin below the respective freezing point is avoided for a longer time or completely. In addition, the ice adhesion to the coatings according to the invention is fundamentally reduced.
Zur Erfindung gehören auch Gegenstände, wie z. B. Bauteile, Bauelemente, Werkstücke oder Körper mit der erfindungsgemäßen Beschichtung.The invention also includes items such. As components, components, workpieces or body with the coating of the invention.
Erfindungsgemäß werden die Beschichtungen mit eisabweisenden und gefrierpunktsenkenden Eigenschaften wie folgt hergestellt: According to the invention, the coatings having ice-repellent and freezing-point-lowering properties are prepared as follows:
(1) Beschichtung einer Materialoberfläche durch Tauchen, Sprühen, Gießen mit einem nanopartikulären Oxidsol(1) Coating a material surface by dipping, spraying, casting with a nanoparticulate oxide sol
Das Sol wird unter Nutzung der Sol-Gel-Technik durch saure oder alkalische Hydrolyse der entsprechenden Silicium-, Aluminium- oder Titanalkoxide hergestellt und bildet nach Beschichtung beliebiger Materialoberflächen stabile nanopartikuläre Schichten aus SiO2, R-SiO3/2 (R = Alkylrest oder Fluoralkylrest mit 1–18 Kohlenstoffatomen), Al2O3 und/oder TiO2. Die Herstellung der Beschichtungslösungen kann auch durch Dispergierung von nanopartikulären kommerziellen TiO2 (z. B. Degussa P25®) in SiO2- bzw. Al2O3-Nanosolen bzw. nanopartikulären SiO2 (z. B. Lydox®, Nyakol®, Levasil®) in TiO2-Nanosolen erfolgen. Besonders vorteilhaft sind Nanosole aus TiO2/SiO2-Mischoxiden, die 70–80 mol-% TiO2 enthalten. Dieses Nanosol enthält Partikel bis zu einer Größe von ~250 nm. Das Nanosol wird durch Tauchen, Sprühen, Gießen oder andere gebräuchliche Beschichtungstechniken auf die Materialoberfläche aufgebracht.The sol is prepared using the sol-gel technique by acidic or alkaline hydrolysis of the corresponding silicon, aluminum or titanium alkoxides and forms after coating any material surfaces stable nanoparticulate layers of SiO 2 , R-SiO 3/2 (R = alkyl or Fluoroalkyl radical having 1-18 carbon atoms), Al 2 O 3 and / or TiO 2 . The preparation of the coating solutions can also by dispersing nanoparticulate commercial TiO 2 (Degussa P25 ® eg.) In SiO 2 -. Or Al 2 O 3 -Nanosolen or nanoparticulate SiO 2 (eg Lydox ®, ® Nyakol, Levasil® ®) carried out two -Nanosolen in TiO. Nanosols made of TiO 2 / SiO 2 mixed oxides containing 70-80 mol% of TiO 2 are particularly advantageous. This nanosol contains particles up to a size of ~ 250 nm. The nanosol is applied to the surface of the material by dipping, spraying, pouring or other common coating techniques.
(2) Trocknen und Tempern der Schicht oberhalb 400°C(2) drying and annealing the layer above 400 ° C
Der aufgebrachte dünne Film wird zunächst luftgetrocknet, liegt im Ergebnis amorph vor und enthält noch organischen Restbestände. Darum schließt sich eine Wärmebehandlung an. Das Tempern bei Temperaturen über 400°C dient dem Zweck der Vernetzung und Teilkristallisierung des aufgetragenen Filmes sowie der Pyrolyse, d. h. der Entfernung organischer Reste.The applied thin film is first air-dried, is in the result amorphous and still contains organic residues. This is followed by a heat treatment. The annealing at temperatures above 400 ° C serves the purpose of crosslinking and partial crystallization of the applied film and the pyrolysis, d. H. the removal of organic residues.
(3) Ätzen der Schicht durch eine fluoridhaltige wässrige oder alkoholische Lösung(3) Etch the layer through a fluoride-containing aqueous or alcoholic solution
Nach Trocknung und Temperung auf Temperaturen über 400°C werden die Schichten mit einer fluoridhaltigen wässrigen oder alkoholischen Lösung geätzt. Dazu wird eine 0.1 bis 10%-ige wässrige Flusssäure oder eine 1–10% wässrige Lösung von NH4F oder NH4HF2 (NH4F × HF) verwendet. Dabei werden gleichzeitig einerseits chemisch gebundene organische oder anorganische fluorhaltige Komplexe dauerhaft in die oberflächennahen Schichtbereiche eingebracht und andererseits eine definierte Oberflächenrauigkeit und Oberflächenstruktur erzeugt. Die Dauer des Ätzvorganges wird auf Bauteilgröße und Ätzlösungsvolumen abgestimmt. Sie dient der bereichsweisen gezielten Funktionalisierung und Einstellung der Oberflächenstrukturierung in der Größenordnung von 200–2000 nm.After drying and tempering to temperatures above 400 ° C, the layers are etched with a fluoride-containing aqueous or alcoholic solution. For this purpose, a 0.1 to 10% aqueous hydrofluoric acid or a 1-10% aqueous solution of NH 4 F or NH 4 HF 2 (NH 4 F × HF) is used. On the one hand chemically bonded organic or inorganic fluorine-containing complexes are permanently introduced into the near-surface layer areas and on the other hand generates a defined surface roughness and surface structure. The duration of the etching process is matched to component size and Ätzlösungsvolumen. It serves the purposeful functionalization and adjustment of surface structuring in the order of 200-2000 nm.
Die Schichtdicken der erfindungsgemäßen Sol-Gel-Schichten betragen im Durchschnitt 400 – 800 nm. Die geringe Schichtdicke ist eine Grundvoraussetzung für die Haftungseigenschaften und notwendige Elastizität der glasartigen Schichten. Die eingestellte Porosität ist notwendig, um den Strömungsvorgang an der Grenzfläche vom umströmenden Medium zum Beschichtungssystem gezielt zu beeinflussen und Eisanhaftungen zu verhindern. Bei diesem Ätzvorgang entstehen auf der Oberfläche komplizierte fluorhaltige Verbindungen. Hinweise darauf geben IR-spektroskopische Untersuchungen des geätzten und fertig gestellten Schichtsystems. Bei den fluorhaltigen Verbindungen handelt es sich um Verbindungen, in denen der Oxidsauerstoff teilweise durch Fluor ersetzt wurde, z. B. SiOF2, TiOF2 und deren Gemische bzw. Wasserstoff aus organischen Molekülketten partiell durch Fluor ersetzt wurde, z. B. CF3.The layer thicknesses of the sol-gel layers according to the invention are on average 400-800 nm. The small layer thickness is a prerequisite for the adhesion properties and necessary elasticity of the glassy layers. The set porosity is necessary in order to influence the flow process at the interface of the medium flowing around the coating system targeted and to prevent Eisanhaftungen. In this etching process complex fluorine-containing compounds are formed on the surface. Indications for this are provided by IR spectroscopic investigations of the etched and finished layer system. The fluorine-containing compounds are compounds in which the oxide oxygen has been partially replaced by fluorine, e.g. As SiOF 2 , TiOF 2 and their mixtures or hydrogen from organic molecular chains has been partially replaced by fluorine, z. B. CF 3 .
Die Hydrophobizität der Beschichtung wurde anhand der Kontaktwinkelmessungen bewertet. Die Schichten zeigen mit einem Kontaktwinkel von 85°–90° hydrophobe Eigenschaften. Die so beschichteten Gegenstände erlauben im Falle des Überfrierens ein leichteres Abheben der Eisschicht.The hydrophobicity of the coating was evaluated by the contact angle measurements. The layers show hydrophobic properties with a contact angle of 85 ° -90 °. The objects coated in this way allow the ice layer to lift off more easily in the event of over-frosting.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungen aus Grundsols und verankerten fluorhaltigen Schichtbestandteilen wirken gefrierverzögernd, da sie eine Reduzierung der Oberflächenspannung erreichen. Die gleichmäßig eingebrachte Oberflächenstrukturierung führt zu einer Beeinflussung der Strömungsbedingungen des angrenzenden umströmenden Mediums (Kühlwasser, Luftmassen). Dieser Mechanismus bewirkt die deutliche Gefrierpunktsenkung. Die Oberflächenstrukturierung verändert den Strömungswiderstand im oberflächennahen Bereich so, dass ein Abscheren der Eiskristallite einsetzen kann, die sich als heterogene Kristallisationskeime auf der beschichteten Oberfläche zu bilden beginnen.The coatings according to the invention of base sol and anchored fluorine-containing layer constituents have a freeze-delay effect, since they achieve a reduction in the surface tension. The evenly introduced surface structuring leads to an influence on the flow conditions of the adjacent flowing medium (cooling water, air masses). This mechanism causes the significant freezing point depression. The surface structuring changes the flow resistance in the near-surface region so that a shearing of the ice crystallites can begin, which begin to form as heterogeneous crystallization nuclei on the coated surface.
Durch die Beschichtung mit dem erfindungsgemäßen Schichtsystem wird erreicht, dass nicht nur die vollständige Vereisung verzögert wird, sondern gefrierpunktsenkende Eigenschaften erzielt werden. Die erfindungsgemäßen Beschichtungen eignen sich für den Applikationsbereich Kühlsysteme und Wärmetauscher: für Rohrinnenauskleidungen in der Kühltechnik, für die Beschichtung von Eisbreigeneratoren in der Kühltechnik. Darüber hinaus ist ein Einsatz überall dort möglich, wo Strömung eines umgebenden Mediums auftritt. Auf der Basis der Erfindung wird es möglich, Verbesserungen in Bezug auf den witterungsbeeinflussten Betrieb von technischen Anlagen zu erreichen. Denkbar ist der Einsatz des beschriebenen Beschichtungssystems für die Beschichtung von witterungsbeeinflussten Rotorblättern. Die Beschichtung eignet sich gleichzeitig für Anwendungen mit antibakteriellem Anforderungen oder Easy-to-clean-Anforderungen. Vorteilhaft ist die Beschichtung von metallischen oder keramischen bzw. glasartigen Oberflächen.By coating with the layer system according to the invention is achieved that not only the complete icing is delayed, but freezing point lowering properties are achieved. The coatings according to the invention are suitable for the application area of cooling systems and heat exchangers: for inner tube linings in cooling technology, for the coating of Eisbreigeneratoren in cooling technology. In addition, use is possible wherever flow of a surrounding medium occurs. On the basis of the invention it becomes possible to achieve improvements with regard to the weather-influenced operation of technical installations. It is conceivable to use the coating system described for the coating of weather-affected rotor blades. The coating is also suitable for applications with antibacterial requirements or easy-to-clean requirements. The coating of metallic or ceramic or glassy surfaces is advantageous.
Anhand beigefügter
Ein Teststück eines Aluminiumwerkstoffes, EN AW-A1 99,5, wird mittels mechanischer Politur für eine Sol-Gelbeschichtung vorbereitet und im Ultraschallbad gereinigt. Im Tauchverfahren wird ein Sol-Gelgemisch aus einer 4%-igen TEOT (Tetraethoxyorthotitanat/TEOS(Tetraethoxyorthosilikat)-Lösung im molaren Mischungsverhältnis 75%/25% bei Raumtemperatur beschichtet und bei Raumtemperatur getrocknet. Die Beschichtung wird bei 500°C getempert. Im Ergebnis dieser Wärmebehandlung bilden sich ursprünglich amorphe Bereiche des aufgebrachten Soles in teils kristalline Bereiche um. Gleichzeitig steigt der Grad der Vernetzung der aufgebrachten Sol-Gel-Schicht, d. h. es steigt die Anzahl der gebildeten Silanolbindungen O-Si-O unter weiterer Abspaltung von OH-Gruppen. Das beschichtete Teststück wird in 10%-iger Flusssäure 5 min unter Schwenken geätzt. Anschließend wird der Ätzprozess unter fließenden Wasser gestoppt und das Teststück für 20 min unter fließendem Wasser gespült.A test piece of an aluminum material, EN AW-A1 99.5, is prepared by mechanical polishing for a sol-gel coating and cleaned in an ultrasonic bath. In the dipping method, a sol-gel mixture of a 4% TEOT (tetraethoxyorthotitanate / TEOS (tetraethoxyorthosilicate) solution in a molar mixing ratio of 75% / 25% is coated at room temperature and dried at room temperature The coating is tempered at 500 ° C. As a result At the same time, the degree of crosslinking of the applied sol-gel layer increases, ie the number of silanol bonds O-Si-O formed with further cleavage of OH groups increases The coated test piece is etched with stirring in 10% hydrofluoric acid for 5 minutes, then the etching process is stopped under running water and the test piece is rinsed for 20 minutes under running water.
Getestet wurden die Teststücke in einer Vereisungsanlage, mit deren Hilfe Eiskristallisation in strömenden Wasser oder strömender Luft realisiert werden kann. Die Experimente können visuell, mittels Mikroskop und mittels Filmaufzeichnung verfolgt werden. Kern dieses Messaufbaus ist eine kompakte Vereisungsanlage, die die Untersuchung von Eisbildungsbedingungen in wasserführenden Anlagen in sehr detaillierter Form ermöglicht. Das Eis wird in dieser Kammer auf den beschichteten Stirnflächen von Aluminiumkörpern gebildet (10 × 40 mm), die senkrecht zum Strömungskanal angebracht wurden. Die Probentemperatur wird einerseits durch die Temperatur des Kühlmittels des Kreislaufsystems eingestellt und kann darüber hinaus durch ein separates, Computer gesteuertes Kühlsystem über Peltierelemente eingestellt werden.The test pieces were tested in an icing system, with the help of which ice crystallization in flowing water or flowing air can be realized. The experiments can be followed visually, by microscope and by film recording. The core of this measurement set-up is a compact icing system that enables the study of ice formation conditions in water-bearing systems in very detailed form. The ice is formed in this chamber on the coated end faces of aluminum bodies (10 x 40 mm), which were mounted perpendicular to the flow channel. The sample temperature is adjusted on the one hand by the temperature of the coolant of the circulatory system and can also be adjusted by a separate, computer-controlled cooling system via Peltier elements.
Getestet wurden die Proben unter zwei Gesichtspunkten. Einmal wird mit Hilfe eines dynamischen Strömungstests (Medium: destilliertes Wasser, Strömungsgeschwindigkeit ≤ 1,5 m/s) die Temperatur des beschichteten Werkstückes gesenkt (Kühlrate 1 K/min) gesenkt und es wird die Temperatur ermittelt, bei der die Probe vereist. Das heißt, es wird der Moment erfasst, in dem sich in der Flüssigkeit bzw. bevorzugt an den Grenzflächen von Probe zu umströmenden Medium erste stabile Kristallkeime bilden können. Zwecks Vergleichbarkeit wurden alle Versuche mit der gleichen Kühlrate durchgeführt. Mit den erfindungsgemäß beschichteten und geätzten Proben werden Unterkühlungsraten von bis zu 5 Kelvin im Vergleich zu unbeschichteten Teststücken erreicht.The samples were tested under two aspects. Once, using a dynamic flow test (medium: distilled water, flow rate ≤ 1.5 m / s), the temperature of the coated workpiece is lowered (cooling rate 1 K / min) and the temperature at which the sample is frozen is determined. That is, the moment is detected in which first stable crystal nuclei can form in the liquid or preferably at the boundary surfaces of the sample to be flowed around the medium. For the sake of comparability, all experiments were carried out at the same cooling rate. With the inventively coated and etched samples supercooling rates of up to 5 Kelvin are achieved in comparison to uncoated test pieces.
Zum Anderen wurden Dauerversuche unter konstanter Unterkühlungstemperatur durchgeführt. Da die Eisbildungstemperatur stets auch von der Unterkühlungsgeschwindigkeit/Kühlrate abhängen wird, liefern diese Dauerversuche unter konstanter Kühlung weitere wichtige Informationen. Diese Tests wiederum wurden durchgeführt, indem die Proben bei konstant gehaltener Temperatur beobachtet wurden und die Zeit bis zum Versagen durch Überfrieren gemessen wurde. Als Referenzprobe wurde wiederum eine unbeschichtete Aluminiumprobe eingesetzt. Das beschriebene Beschichtungssystem erlaubt, verglichen mit dem unbeschichteten Substratmaterial, der Aluminiumlegierung, eine beständige Unterkühlung von 2 Kelvin.On the other hand, long-term tests were carried out under a constant supercooling temperature. Since the ice formation temperature will always depend on the supercooling rate / cooling rate, these endurance tests under constant cooling provide further important information. These tests, in turn, were performed by observing the samples at a constant temperature and measuring the time to failure by freezing. The reference sample used again was an uncoated aluminum sample. The described coating system allows for a constant supercooling of 2 Kelvin compared to the uncoated substrate material, the aluminum alloy.
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