Покрытие выдержало почти миллион ударов горячей воды, прежде чем появились признаки износа.
Американские исследователи разработали многослойное изолирующее супергидрофобное покрытие (MISH), которое отталкивает воду, близкую к кипящей, горячее молоко, кофе и гороховый суп, благодаря чему никогда не намокающие поверхности сохраняют свои свойства даже при высоких температурах.
Ученые из Университета Райса быстро нашли решение проблемы супергидрофобных поверхностей, экспериментируя с тепловым потоком материала, а не сосредотачиваясь исключительно на его химическом составе и текстуре.
Сверхгидрофобные поверхности обладают высокой водоотталкивающей способностью. Они имитируют форму листа лотоса, заставляя капли воды скатываться даже при небольшом наклоне. Однако горячей водой они остаются своим главным недостатком.
При температуре 40 градусов Цельсия (104 градуса по Фаренгейту) многие из этих покрытий резко теряют свои водоотталкивающие свойства. Вместо того чтобы стекать, горячие капли начинают прилипать и впитываться в текстуру поверхности, оставляя после себя влажные пятна.
Решение проблемы перегрева
Для решения этой проблемы команда разработала покрытие, отталкивающее воду даже при температуре капель, приближающейся к 194 градусам по Фаренгейту (90 градусам по Цельсию). Конструкция MISH представляет собой двухслойную систему. Она включает в себя изолирующий нижний слой (напыляемая полиуретановая пена) и микротекстурированное супергидрофобное верхнее покрытие (коммерчески доступное напыляемое покрытие).
Нижний слой замедляет передачу тепла от капли к поверхности. Он предотвращает быстрый цикл испарения-конденсации, который обычно разрушает захваченные воздушные карманы, ответственные за водоотталкивающие свойства.
«Изолирующий слой уменьшает охлаждение горячей капли на границе раздела фаз, что, в свою очередь, снижает циклы испарения и повторной конденсации, которые обычно приводят к затоплению поверхности конденсатом», — сказал Дэниел Дж. Престон, доктор философии, доцент кафедры машиностроения в Университете Райса и ведущий автор исследования.
«Меньшее количество конденсата в текстуре поверхности означает меньшее количество жидких мостиков, что сохраняет водоотталкивающие свойства», — добавил Престон. Без этих конденсатных мостиков даже капли, близкие к температуре кипения, продолжают скользить.
Он пояснил, что ранее эта задача была сложной и могла стоить в 4000 раз дороже, чем их метод. «Мы также показали, что это работает за пределами лаборатории, в реальных условиях, на больших и изогнутых поверхностях, от труб и чаш до промышленного оборудования», — отметил Престон.
Реальные испытания
Ученые подвергли образцы покрытий недельному воздействию горячих капель, совершив почти два миллиона ударов. Традиционные покрытия разрушились практически мгновенно.
Между тем, поверхности MISH, особенно те, которые имели более толстый слой изоляции, сохраняли водоотталкивающие свойства более 80 часов, или около миллиона ударов, прежде чем постепенно разрушаться.
По словам исследователей, слабым местом оказалась не сама концепция, а готовый верхний слой покрытия. Стратегия теплоизоляции осталась неизменной, что указывает на то, что будущие версии могут прослужить еще дольше благодаря более прочным внешним слоям.
Чтобы доказать масштабируемость концепции за пределами лаборатории, команда нанесла покрытие на большие металлические пластины, изогнутые трубы и обычные кухонные жидкости, такие как горячее молоко, кофе и даже гороховый суп. Эти жидкости оставляли менее одного процента осадка на поверхностях, обработанных MISH. Для сравнения, на стандартных покрытиях они оставляли более 31 процента.
«Мы воодушевлены потенциальными областями применения этого подхода, но есть и возможности для дальнейшего совершенствования», — заявил Престон. В настоящее время команда изучает более прочные и термостойкие верхние слои, а также архитектуры покрытий, выходящие за рамки простых методов распыления.
«Как только удается предотвратить прилипание горячих жидкостей, многие последующие проблемы начинают исчезать», — заключил Престон в пресс-релизе. «Именно это делает данный метод таким интересным; он открывает возможности для создания поверхностей, которые ведут себя так, как мы их спроектировали, даже в суровых условиях».
Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Исправление: В предыдущей версии этой статьи была допущена ошибка в переводе в градусы Цельсия. Температура ранее была указана как 40°F, что неверно. Правильно должно быть 104°F (40°C), и статья была исправлена соответствующим образом.
Sourse: interestingengineering.com
