Novel coatings with low adhesion to ice

Atmosfærisk ising på menneskelagde strukturer slik som skip, vindmøller og høyspentledninger er en utfordring som kan utgjøre en sikkerhets-risiko og senker effektiviteten. Is-oppbygning vil også i mange tilfeller være nødvendig å fjerne for at utstyret skal være sikkert i bruk. Det finnes både aktive og passive metoder for å hindre eller fjerne is på en overflate. De aktive metodene kjenner de fleste seg igjen i når de skraper is av bilvinduene en kald vinterdag. Eller kanskje du varmer opp bilen mens du spiser frokost og kan sette deg inn i en varm og is-fri bil når du kjører av gårde til jobb. Disse to metodene er også de mest brukte aktive metodene for å fjerne fastfryst is. Mekanisk fjerning av is er tidkrevende og kanskje ikke alltid praktisk. Fjerning av is med varme er energikrevende. Det er også vanlig å fjerne is med kjemikalier, som kan utgjøre en risiko for miljøet. Alle disse metodene krever en del arbeid og er ikke spesielt kostnadseffektive. Alternativet til aktiv is fjerning er ved passive metoder. En overflate som er designet for å fjerne ising uten bruk av kjemikalier, varme eller mekanisk arbeid vil gjøre det langt enklere å betjene utstyr der ising kan være et problem. Men hvordan vet man om en overflate eller belegg egner seg til passiv fjerning av is? En strategi er å lage belegg som har veldig lav vedheft til is, men dette må jo måles med en eller annen metode. En mye brukt metode er å teste is-vedheft er fryse fast en form med is på belegget og deretter måle den horisontale kraften som er nødvendig for å separere is-formen fra belegget. Utfordringen er at det ofte brukes spesialprodusert utstyr for å måle denne kraften, og formene som blir benyttet kan variere i form og i materialtype, hvor begge er viktige for resultatet. Det er derfor ikke mulig å sammenlikne is-vedheftverdier på tvers av laboratorier. Vi har utviklet en metode som kan bidra til å standardisere denne måten å teste is-vedheft. Ved å bruke 3D-printede former kan selve designet på formen og materialet den består av lettere reproduseres av andre. For å nøyaktig måle kraften for å fjerne formen fra belegget, ble det brukt en type instrument som normalt brukes til å måle styrken til materialer slik som polymerkompositter. Dette instrumentet er veldig vanlig på et laboratorium som forsker på polymerkompositter. Is-vedheften som ble målt med denne metoden ble også sammenliknet med friksjonen mellom belegget og is. Her målte vi den maksimale friksjonen mellom belegget og is like før belegget begynte å bevege seg bortover isen. Det viste seg at denne typen friksjonsmålinger også egnet seg for å evaluere beleggets is-vedhefts-egenskaper, samtidig som at det ga mer informasjon om hvorfor noen belegg har veldig lav vedheft til is. Det finnes i dag flere teknologier som er lovende for å motvirke ising. Den kanskje mest omtalte teknologien er såkalte superhydrofobiske overflater (SHS). SHS, også kjent som «lotus effekt», er overflater med en veldig fin 3-dimensjonal struktur hvor puter av luft blir fanget mellom overflaten og vanndråpene og resulterer i en nær perfekt sfærisk vanndråpe som lett kan prelle av overflaten før den fryser. En annen lovende strategi for lav is-vedheft er å benytte porøse materialer hvor oljer med lav overflate-energi smører grensesjiktet mellom belegget og isen (SLIPS). Oljen i SLIPS holdes på plass av svake molekylære krefter og vil samtidig redusere beleggets vedheft til is betydelig. Selv om SLIPS holder godt på disse oljene, så er det uunngåelig at oljene forsvinner over tid og is-vedheften øker betraktelig. I vårt forskningsprosjekt har vi fokusert på en liknende strategi som SLIPS, men hvor vi har laget polymerstrukturer med silikonoljer som er permanent forankret i polymeren. Disse silikonoljene vil søke opp mot overflaten av belegget og vil virke frastøtende mot vann og is, samtidig som at de ikke vil forsvinne over tid. Vi undersøkte også hvordan is-vedheften til belegget ble endret ved å feste vanntiltrekkende molekyler til polymeren. Det kan kanskje høres rart ut å tilsette vanntiltrekkende molekyler når det er ønskelig å frastøte vann og is, men i naturen finnes det planter som bruker denne strategien for å unngå at is binder seg til planten. Plantene bruker proteiner som kan redusere frysepunktet til vann og det er denne effekten vi også ønsket å studere i våre polymerer. Det viste seg at for den typen polymerstrukturer vi undersøkte, så var det de vannavstøtende silikonoljene som var viktigst for å oppnå lav is-vedheft. Selv om silikonoljene var permanent bundet til polymeren, så kunne de dekke hele overflaten som gjorde at vanndråper lett kunne skli av og is-vedheften var veldig lav for disse beleggene.

Bedriften har oppnådd en betydelig kompetanseheving på mekanismer som kan bidra til å redusere is-vedheft på organiske overflatebelegg, utvikling av malingsprodukter med lav is-vedheft samt praktisk testing av disse. Videre har kandidaten tilegnet seg viktig kunnskap innen materialteknologi og polymerkjemi samt en mer systematisk og vitenskapelig tilnærming til prosjekter. Det har også blitt etablert en kanal på tvers av bedriften og forskningsinstitusjonen som fremmer videre samarbeid. Den spesifikke kunnskapen som er oppnådd i prosjektet vil bli brukt for å utvikle nye malingsprodukter.

Det er et økende problem med ising på menneskelagde strukturer som opererer i arktisk klima. Dette kan utgjøre en sikkerhetsrisiko og er tid- og kostnadskrevende. For vindmøller som opererer i kaldt klima vil is dannes på vindmøllebladene og senke effektiviteten til møllene betraktelig. Ved økt menneskelig aktivitet i arktis fra olje-og gass-utvinning og åpning av nordøst-passasjen for skipstrafikk, er det også et økende behov for funksjonelle malinger som forenkler manuell fjerning av atmosfærisk ising. Det har de siste årene vært et økt fokus på utvikling av funksjonelle malinger med en overflate som har lav adhesjon til is. Hvor det før var superhydrofobiske overflater som dominerte innen dette området, har det de siste årene blitt publisert lovende resultateter med andre typer materialer. Eksempler på dette er belegg med kvasi-flytende overflater hvor det flytende medium enten er en type olje eller bundet vann med redusert frysepunkt og andre materialer med spesielle, elastiske egenskaper. Vårt prosjekt vil fokusere på syntese av nye polymere forbindelser hvor vi fokuserer på kjemi og egenskaper fra kjent litteratur som har vist å redusert adhesjon til is samt å optimalisere andre egenskaper ved polymeren som er kritisk ved en potensiell kommersialisering av et malingsprodukt.