Durable Arctic Icephobic Materials (AIM)

Etter at vi har testet mange kommersielle belegg i den førstfase for å lære sammenhenger mellom is adhesjon og andre fysiske parametere, fortsatte vi med å designe og produsere våre egne isfobiske belegg ved hjelp av forskjellige strategier. Hensikten er å sammenligne og velge den beste strategien på slutten. Generelt er mykt materiale lovende å oppnå lav isadhesjonsstyrke, men de ekstremt myke materialer er imidlertid ikke mekanisk robuste. Hovedfokuset på dette prosjektet er mekanisk holdbarhet. Vi innså at mange biologiske systemer har selvhelbredende egenskaper som betyr at de er i stand til å reparere skadene selv. Ved å legge til selvhelbredende egenskaper til de myke materialene, kan det være et godt løfte om å forlenge levetiden til isfobiske belegg. Basert på denne hypotesen, har vi fremstillet en rekke selvhelbredende isfobiske belegg og funnet en type belegg kan oppnå en ultra lav is adhesjonsstyrke. Vi tar derfor dette belegget som utgangspunkt og testet belegget opptil 30 ising / avisnings sykluser for å karakterisere levetiden. Det er funnet at is adhesjonsstyrke av dette belegget øker med test syklusene, men det forblir fortsatt svært lavt (rundt 12,5 kPa) etter 30 sykluser. I tillegg til den selvhelbredende strategien har en annen strategi for å realisere isobobiske overflater ved å smøre smøremidler til polymer fått stor oppmerksomhet. Disse isofobiske belegg finnes i marked laget ved å inføre smøremidler er enten midlertidig isofobiske, kjemisk ustabil eller mekanisk svak. I den siste perioden har det blitt gjort to fremskritt i prosjeket. For det første forsøkte vi å løse utfording i smøremiddelbaserte overflater ved å utvikle bioinspirerte smøremiddel-regenererbare isofobiske belegg. De hudlignende beleggene vi utviklet i prosjektet, kunne gjenopprette overflatesmøremiddel konstant ved intern restspenning på grunn av faseseparasjon, og overleve mer enn 15 sykluser av torking / regenereringstester, som viser en langsiktig isisadhesjonsstyrke under 70 kPa. For det andre har vi designet og fabriketert en ny klasse av slitesterkt isofobiske belegg. Det nye belegget er basert på tørr nanoporøs polydimetylsiloksan (PDMS med vektforhold 10: 1) elastomer som er kjemisk stabil og mekanisk robust. Uten overflat smøremidler samt å ofre tverrbindingsdensiteten av elastomer når den stabile isadhesjonsstyrken ca. 16,8 ± 5,8 kPa etter 50 is / de-ising sykluser. I tillegg har de isofobiske belegget utmerket kjemisk stabilitet og mekanisk robusthet, og isadhesjonsstyrken er alle mindre enn 30,0 kPa etter syre / base / salt / organisk løsningsmiddelkorrosjon og 1000 slitasje-sykluser. I perioden 2018-2019 er to nye metoder videreutviklet for å syntetisere holdbare anti-ising belegg med høye ytelser. Først fortsatte vi å forbedre det selvhelbredende belegget som ble utviklet i det tidlige stadiet av prosjektet. For første gang kombinerte vi ultrasnelle selvhelbredende eigenskaper med gjennomsiktighet, noe som er viktig for anti-isdannelsen på solcellepaneler, vinduer og sensorer. Vårt nye belegg kan gjenopprette mer enn 80% av den ultimate strekkfastheten i løpet av 45 minutter etter leging ved romtemperatur etter innføring av et mekanisk kutt. Dette er sannsynligvis de raskeste selvhelbredende isfobe materialene som er rapportert. Belegget viste en stabil isadhesjonsstyrke rundt 50 kPa etter 20 is- / avisingssykluser, og holder lignende isadhesjonsstyrke etter mekanisk skade. Denne eksepsjonelle robustheten gjør belegget egnet for anti-isingsapplikasjoner der det krever høy mekanisk utholdenhet. Belegget på glass viser veldig lik gjennomsiktighet som det nakne glasset. Belegget er også resirkulerbart på grunn av dissosierbare tverrbindinger. I den siste perioden av prosjektet (2019-2020) er to høydepunkter verdt å nevne. For å få bukt med kostnads- og holdbarhetsproblemene til de nåværende antisingsmaterialene, utviklet vi en bærekraftig og rimelig elektrolytthydrogel, som både kan forhindre dannelse av is / frost i ekstremt lang tid og redusere is-adhesjon styrke til ultra-lav verdi ( Pa-nivå) i et innstillbart temperaturvindu ned til -48 ° C. Den laveste is-adhesjonen av våre tidligere antisingsmaterialer er rundt 1 kPa, mens is-adhesjonsstyrken til det elektrolytthydrogel baserte nye antisingsmaterialet er 3 størrelsesordener lavere. I tillegg har vi utviklet et annet elastomerbasert antisingsmateriale. Det er en kjent avveining mellom den elastiske modulen og seigheten for konvensjonelle elastomermaterialer. Det nye materialet vi utviklet bryter ned denne avveiningen og er både sterk og tøff. Vi har engasjert teknologioverføringskontoret (TTO) til NTNU for å utnytte potensielle kommersielle verdier av dette spennende materialet.

1) This project made NTNU clearly visible in international anti-icing research front 2) Provide feasible solutions to the durability problem of current anti-icing materials 3) built up a solid foundation for surface phobicity research in Norway.

Icing on offshore structures represents a severe risk for human safety and major limiting factor for Arctic exploration and operation. Any progress in ice management technology will result in huge energy saving across many fields. Nanostructured materials are gaining increasing importance in anti-icing applications due to their ability to control hierarchical roughness levels and to modify the energy of the underlying surface. Despite the pervasiveness of the icing problem and research progress made, the fundamentals of icephobicity have received relatively little attention in the scientific literature and it is not widely understood which attributes must be tuned to systematically design icephobic materials that are resistant to icing. One of the bottlenecks in deploying current anti-icing materials for Arctic applications is their unsatisfactory mechanical durability. The primary objective of the AIM project is to develop and test bio-inspired robust icephobic materials which can survive multiple harsh environmental cycles and impacts. The secondary objectives are to elucidate the icephobic mechanisms by nanotechnology; to develop reliable test methods for Arctic icephobic materials with special focus on mechanical resilience and transferability of laboratory to real Arctic environments; educate one PhD and one post doc in the field of Arctic icephobic materials and lay down a foundation for future industry oriented research activities for establishing material guidelines for Arctic exploration and operation.