Wetenschappers onderzoeken ijsbestendige coatings

Enkel cruciale zones

IJsvorming is een groot probleem in veel industrieën en kan leiden tot stilstand, veiligheidsrisico's, productbreuk of extra brandstof- of elektriciteitskosten. Actieve ijsbestrijdingssystemen verhogen echter de bedrijfskosten en worden vaak alleen toegepast op cruciale zones. Het potentieel van coatings, als stand-alone systeem of als add-on oplossing, wordt nog niet volledig begrepen of geëvalueerd. Bedrijven vertrouwen op het gebruik van de-icing chemicaliën, elektrisch aangedreven verwarmingssystemen of pneumatische opblaasbare laarzen om ijs te verwijderen. Dergelijke actieve anti-icing systemen verhogen de operationele kosten en worden vaak alleen toegepast op cruciale zones.

Ideaal scenario

Coatings worden gewoonlijk aangebracht als een beschermende laag om het binnendringen van water te minimaliseren, om corrosie te voorkomen of als een duurzame decoratieve afwerking. Anti-ijscoatings worden geformuleerd om ijs en waterdruppels af te stoten, om ijskernen op oppervlakken te onderdrukken of om de ijsaanhechting te verminderen. Dit kan worden bereikt door de elasticiteitsmodulus te verlagen, de oppervlakte-energie te verlagen, smeervloeistof vrij te laten of door interface-slip te introduceren. In een ideaal scenario wordt ijsafzetting vertraagd of wordt ijs alleen verwijderd door de kracht van het eigen gewicht of door de wind.

Het onderzoek in Michigan

Volgens het bericht van de Universiteit van Michigan (UM of UMich) is het doel van het project om coatings te ontwikkelen met stoffen die de vriestemperatuur van water kunnen veranderen, de structuur van gevormd ijs kunnen veranderen, de groei van ijskristallen op oppervlakken in goede banen kunnen leiden en kunnen beïnvloeden hoe sterk ijs zich aan oppervlakken hecht. Het team legt uit dat de traditionele materialen die gebruikt worden om deze problemen aan te pakken aanzienlijke nadelen hebben. Zo kan strooizout weliswaar voorkomen dat trottoirs en straten bevriezen, maar het tast ook beton aan en komt via afvloeiing in zoet water terecht, met negatieve gevolgen voor het waterleven. Daarnaast kan het besproeien van vliegtuigen met ontijzingsvloeistoffen helpen om wintervluchten veilig te houden, maar de chemicaliën in die vloeistoffen zijn giftig en kunnen dus ook water en waterwegen vervuilen.

Het is tot nu toe een hele uitdaging geweest om ijsvorming urenlang in vrieskou te voorkomen

Planten, dieren en microben

"De afgelopen zeven of acht jaar heeft mijn groep oppervlakken gemaakt die zeer weinig aan ijs hechten. Zulke ijsafstotende coatings kunnen zeer nuttig zijn voor een aantal toepassingen, zoals windturbines, hoogspanningsleidingen of vliegtuigvleugels", aldus Anish Tuteja, hoofdonderzoeker van het project en hoogleraar materiaalwetenschappen en techniek aan de Universiteit van Michigan. "Voor veel andere toepassingen zou het echter voordelig zijn om ijsvorming volledig te elimineren. Het is tot nu toe een hele uitdaging geweest om ijsvorming urenlang in vrieskou te voorkomen."

Om deze doelen te bereiken, kijkt het onderzoeksteam naar planten, dieren en microben voor inspiratie. Dit komt omdat bepaalde organismen moleculen produceren die hen in staat stellen om te overleven na het bevriezen van hun lichaam of die hun lichaam volledig tegenhouden van bevriezing. Houtkikkers produceren bijvoorbeeld antivrieslipiden om te voorkomen dat ijs hun celmembranen beschadigt wanneer ze in de winter bevriezen. Ze produceren ze chemicaliën om hun cellen te beschermen tegen schade door ijs en verlagen ze de temperatuur waarbij water bevriest. Het team verklaarde dat dit de laboratoria van Tuteja een uitgangspunt gaf bij het ontwerpen van nieuwe ontdooiproducten.

Biologisch afbreekbare alternatieven

Daarnaast produceren andere organismen "ijsnucleërende" moleculen, die ijsvorming stimuleren bij warmere temperaturen dan normaal. De bacterie Pseudomonas syringae bijvoorbeeld maakt ijskernvormende eiwitten aan om plantenbladeren te bevriezen, waardoor plantencellen uit elkaar vallen zodat de bacterie bij de voedingsstoffen binnenin kan komen.

Met deze nieuwe natuurlijke moleculen in het laboratorium proberen de onderzoekers minder giftige en biologisch afbreekbare alternatieven te vinden voor de huidige ontijzingschemicaliën, maar ook moleculaire cocktails voor gloednieuwe technologieën. "Als je de moleculen in de juiste verhoudingen combineert, kan het vriespunt meer dalen dan wat haalbaar zou zijn met elke molecule afzonderlijk", aldus Tuteja die verder verklaarde ‘dat de researchers de effectiviteit van meer dan 5.000 ijsvormende en antivriesmoleculen moet meten in het eerste jaar van het project.

Andere ijswerende coatings

• In november 2021 kondigde Zentek Ltd., een Canadees ontwikkelings- en commercialiseringsbedrijf, de ontwikkeling aan van een nieuwe, op koolstof gebaseerde, met nanotechnologie versterkte ijsafstotende coating.
• In april 2022 kondigden onderzoekers van de Universiteit van Illinois Chicago aan dat ze milieuveilige, vorstbestendige coatings voor de lucht- en ruimtevaartindustrie hadden ontwikkeld in de vorm van polymere oplossingen, emulsies, crèmes en gels. Deze formuleringen konden zonder voorbehandeling of oppervlaktebehandelingen aangebracht worden op aluminium, staal, koper, glas, plastic of andere industriële oppervlakken.
• Een team onderzoekers van de Universiteit van Toledo ontwikkelde een stripcoating die ervoor zorgde dat opgehoopte sneeuw van zonnepanelen gleed zonder de efficiëntie ervan te beïnvloeden. De coatings kunnen relatief eenvoudig worden aangebracht op zowel nieuwe als bestaande zonne-installaties.

Sirris

Sirris is een collectief centrum van de Belgische technologische industrie dat door Agoria in 1949 werd opgericht en zich richt op onder meer productinnovatie. Ter voorbereiding van de benchmarktests voor coatings hebben hun experts contact gehad met leveranciers over de hele wereld en hebben ze verschillende coatingtechnologieën geïdentificeerd.

Hydrofobische anti-ijs coatings

Duurzame elastomere coatings zijn aangepast met hydrofobe middelen of groepen zoals siliconen of fluoriden om de oppervlakte-energie te verlagen. Hydrofobische siliconenacrylaten en gemodificeerde polyurethaancoatings worden gebruikt op windbladen of zeeschepen.

Hydrofobische nano-coatings en (hybride) sol-gel coatings bieden de optie van transparante antivriescoatings die gebruikt kunnen worden op windschermen, glazen afdekkingen of op optische sensoren. Ze combineren een goede weerbestendigheid met een lage ijskleefkracht.

‘Vloeistofachtige' oppervlakken

Polydimethylsiloxaan bindmiddelen of middelen doordrenkt met smeervloeistoffen kunnen naar het coatingoppervlak migreren om een zeer dunne vloeibare laag te vormen op het grensvlak van coating en ijs. Dergelijke coatings kunnen de aanhechting van ijs verminderen, maar hebben te lijden onder uitputting van de smeervloeistof en een lage slijtvastheid.

Superhydrofobische coatings

Superhydrofobische coatings zijn gebaseerd op het lotusbladeffect waarbij waterdruppels van het oppervlak stuiteren door een dubbel ruwheidseffect in combinatie met polymeren met een lage oppervlakte-energie. Verschillende bedrijven verkopen deze coatings als anti-ijscoatings, hoewel ze vaak niet duurzaam zijn en de toepassing beperkt is tot minder veeleisende toepassingen. Deze coatings worden gebruikt om de vorming van sneeuw en ijs op satellietschotels, geleidingskabel, condensorunits, ... te voorkomen.

Breuken creëren

Om duurzamere oppervlakken te creëren, richt het onderzoek zich op de replicatie van gestructureerde oppervlakken met behulp van laser- of ablatietechnologieën. Er werd een nieuw type coating ontwikkeld om de verwijdering van ijs te vergemakkelijken door een combinatie van flexibele bindmiddelen en hardere segmenten in de coatingstructuur. Als het ijsoppervlak wordt belast, ontstaan er meerdere breukzijden waardoor het ijs gemakkelijker wordt verwijderd.

Hitte-induceerbare anti-ijs coatings

Thermisch verwarmbare coatings bestaan uit geleidende deeltjes die warmte genereren wanneer er elektrische stroom wordt toegepast. Ze zijn verkrijgbaar als verf of als geprepareerde tape en kunnen worden gebruikt op grotere oppervlakken zoals vliegtuigvleugels of propellerbladen.

COOCK-project Fighting Icing

Bij het COOCK-project Fighting Icing onderzoekt Sirris nieuwe ijsdetectiemethoden en een reeks antivriescoatings. De focus van het project ligt op het demonstreren van het potentieel van ijsbestrijdingssystemen onder realistische omstandigheden, met een focus op het onderzoeken van belangrijke aspecten, zoals duurzaamheid en herstelbaarheid van coatings, potentiële energiebesparing van coatings wanneer ze worden gebruikt in combinatie met actieve de-icing-systemen.