ПОНИЖАЮЩЕЕ ТЕМПЕРАТУРУ ЗАМЕРЗАНИЯ ПОКРЫТИЕ ИЗ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ НА ЛОПАСТИ РОТОРОВ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ
FREEZING POINT-REDUCING COATING FROM SYNTHETIC FILM FOR APPLICATION OF WIND-GENERATORS ON ROTOR BLADES

Настоящее изобретение относится к лопастям роторов агрегатов, в частности ветрогенераторов, с противообледенительным покрытием, а также к способу их получения и их применению.
Ветросиловые установки, называемые также ветрогенераторами (WEA), служат для выработки электроэнергии. Ветрогенераторы состоят, как правило, из таких компонентов как фундамент, вышка, гондола и ротор. Установленный на гондоле ротор содержит втулку или головку ротора, вращающийся вал и обычно также три лопасти. Такие роторы могут быть выполнены также как ротор Дарье, Н-ротор или ротор Савониуса.
Эксплуатация таких ветрогенераторов протекает, как известно, под влиянием атмосферных условий и, соответственно, отличается частым воздействием дождей, конденсата или снега. Такие осадки оседают при соответствующих условиях окружающей среды в виде льда также и на лопасти ротора ветрогенератора. Проблемой, наряду с прочими, оказывается также и то, что добавочный вес этих осадков, оказываемый на лопасть, может привести к дисбалансу ротора, так что ветрогенератор нужно будет часто отключать, и/или в известных случаях могут даже возникнуть повреждения. Образующееся ледяное покрытие ведет, как правило, к дополнительной шероховатости поверхности лопасти и, как следствие, к дополнительному шуму от ветра. Изменяющаяся динамика вращения снижает эффективность ветрогенератора, следствием чего является уменьшение прибыли, на что могут отрицательно повлиять также простои, становящиеся неизбежными, когда требуется ремонт. Наконец, осадки, в частности лед, сбрасываются в окружающую среду и тем самым ставят под угрозу безопасность окрестностей. Краткий обзор технических проблем, связанных с образованием осадков на лопастях роторов ветрогенераторов, можно найти, например, в работе Seifert, Taramelin, Final Report, Deutsches Windenergieinstitut Wilhelmshaven, JOU2-CT93-0366, DEWI 1996.
Для решения вышеназванных проблем лопасти часто обогревают изнутри электронагревательными матами, которые вделаны в лопасти, горячим воздухом или микроволнами. Для этого необходимо комплектовать лопасти датчиками, которые регистрируют образование льда и включают и выключают нагревательные системы.
В ежегоднике , 2011, т.67, с. 184-191, описываются противообледенительные покрытия, полученные обработкой плазмой низкого давления с применением фторсодержащих газообразных мономеров.
В основе настоящего изобретения стоит техническая задача устранить вышеуказанные затруднения, в частности разработать не требующие больших затрат, эффективные и надежные технические решения, благодаря которым предотвращается примерзание осадков к лопастям роторов, в частности роторов ветрогенераторов.
В частности, должно быть найдено техническое решение, которое обеспечит длительную, предпочтительно постоянную, и эффективную защиту от обледенения, предпочтительно экономически эффективным и легким в осуществлении способом.
Лежащая в основе настоящего изобретения техническая задача решена посредством отличительных признаков, изложенных в независимых пунктах формулы изобретения.
Таким образом, настоящее изобретение относится, в частности, к лопасти ротора, содержащего нанесенное на по меньшей мере одну поверхность лопасти противообледенительное покрытие толщиной до 500 нм, предпочтительно от 10 до 500 нм, причем это покрытие имеет структурирование, предпочтительно микронного диапазона.
Предпочтительно на по меньшей мере одну поверхность лопасти ротора наносится по меньшей мере один, предпочтительно ровно один мономолекулярный слой противообледенительного покрытия.
Предпочтительно структурирование противообледенительного покрытия имеет микронный диапазон, предпочтительно имеет форму точечного или линейного рисунка.
Таким образом, настоящее изобретение относится предпочтительно к лопасти ротора, содержащей понижающее температуру замерзания противообледенительное покрытие толщиной от 10 до 500 нм, нанесенное на по меньшей мере одну поверхность лопасти, причем это покрытие имеет структурирование микронного диапазона.
Соответственно, противообледенительное покрытие, предусматриваемое согласно изобретению, предпочтительно имеет структурирование микронного диапазона, в частности топографическую структуру, в частности точечное или линейное изображение.
Предпочтительно противообледенительное покрытие имеет топографическое структурирование, в частности структурное изображение, предпочтительно микроструктурирование, предпочтительно в форме точечного или линейного изображения.
В предпочтительном варианте осуществления противообледенительное покрытие получено предпочтительно путем обработки плазмой низкого давления.
В особенно предпочтительном варианте осуществления противообледенительное покрытие в дополнение к структурированию микронного диапазона имеет также структурирование в нанометровом диапазоне. В особенно предпочтительном варианте осуществления противообледенительное покрытие является противообледенительным покрытием, которое имеет структурирование микронного диапазона, а также созданное обработкой плазмой низкого давления структурирование нанометрового диапазона.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение относится к вышеуказанной лопасти ротора, причем структурирование в микронном диапазоне имеет форму точечного или линейного повторяющегося изображения.
Предпочтительно противообледенительное покрытие понижает температуру замерзания.
Настоящее изобретение в предпочтительном варианте осуществления относится также к лопасти ротора, причем нанесенное по меньшей мере на одну поверхность лопасти противообледенительное покрытие толщиной до 500 нм содержит а) от 15 до 75 ат. % фтора и b) от 25 до 85 ат. % других компонентов (в каждом случае определено методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (X-ray photoelectron spectroscopy, РФЭС) и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия), причем противообледенительное покрытие предпочтительно имеет структурирование, в частности топографическое структурирование, в частности структурное изображение, в частности, точечное или линейное изображение.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение относится также к лопасти ротора, причем нанесенное на по меньшей мере одну поверхность лопасти противообледенительное покрытие толщиной до 500 нм содержит i) от 25 до 29 ат. % кремния, от 22 до 45 ат. % кислорода и от 26 до 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия), причем противообледенительное покрытие предпочтительно имеет структурирование, в частности топографическое структурирование, в частности структурное изображение, в частности, точечное или линейное изображение.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение относится также к лопасти ротора, содержащей понижающее температуру замерзания противообледенительное покрытие толщиной от 50 до 500 нм, нанесенное по меньшей мере на одну поверхность лопасти, содержащее от 25 до 29 ат. % кремния (Si), от 22 до 45 ат. % кислорода (О) и от 26 до 49 ат. % углерода (С) (в каждом случае определено методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС, X-ray photoelectron spectroscopy и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия), предпочтительно 29 ат. % кремния, 22 ат. % кислорода и 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия).
Такое покрытие, предпочтительно содержащее кремний, кислород и углерод, далее будет называться покрытием силиконового типа.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения покрытие силиконового типа содержит водород, при необходимости до 50 ат. %.
В предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение решает лежащую в его основе техническую задачу также тем, что предлагает лопасть ротора, содержащую нанесенное по меньшей мере на одну поверхность лопасти понижающее температуру замерзания противообледенительное покрытие толщиной от 10 до 200 нм, содержащее, а предпочтительно состоящее из а) 15-75 ат. % фтора и b) 25-85 ат. % других компонентов (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия).
Такой особенно предпочтительный вариант осуществления покрытия согласно настоящему изобретению также будет называться в дальнейшем фторсодержащим покрытием.
В особенно предпочтительном варианте осуществления другими компонентами фторсодержащего покрытия являются один или несколько компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, кислорода и углерода.
Противообледенительное покрытие согласно изобретению, нанесенное на одну, предпочтительно обычную, лопасть ротора, снижает и/или задерживает образование льда на лопасти, что выгодно, и приводит к снижению температуры замерзания. Уменьшается адгезия льда. Соответственно, лопасть защищается от эрозии из-за ветра, дождя, снега и столкновений с птицами. Предпочтительно противообледенительное покрытие имеется на лопасти ротора перманентно и, соответственно, действует постоянно, что является особым преимуществом по сравнению с включаемыми и выключаемыми системами обогрева. Поэтому изобретение дает также экономическую выгоду, в частности, тем, что повышается прибыль от ветрогенераторов, особенно в холодных северных регионах или в местах, расположенных на возвышенности, в частности, в зимние месяцы, кроме того, снижается или предотвращается угроза окружению благодаря уменьшению разлета льда.
Предусмотренное согласно изобретению покрытие лопасти ротора в одном особенно предпочтительном варианте осуществления может использоваться в комбинации с известными снижающими или предотвращающими обледенение системами, например, нагревательными матами, системами воздушного отопления, системами СВЧ-нагрева или подобным. Рассматриваемое противообледенительное покрытие позволяет согласно изобретению также дооборудовать обычные лопасти, при необходимости также снабженные противообледенительными системами. Это является преимуществом по сравнению с уже известными противообледенительными системами, которыми, как правило, нельзя дооборудовать лопасти роторов.
В связи с настоящим изобретением под ротором понимается вращающаяся часть машины или агрегата, в частности ротор аэродинамического действия. Обычно ротор содержит втулку или головку, а также лопасти и вращающийся вал. Под ротором в связи с настоящим изобретения понимаются также роторы Дарье, Н-роторы и роторы Савониуса.
В связи с настоящим изобретением под выражением "лопасть ротора" понимается также система лопастей, в частности, несколько лопастей.
В связи с настоящим изобретением под лопастью ротора понимается, в частности, лопасть ротора агрегата, в частности, ветрогенератора, летательного аппарата, в частности, воздушного судна, в частности, вертолета, винтового самолета, гидросамолета, модели самолета или подобного.
В соответствием с изобретением предлагается также лопасть ротора, причем покрытие имеет силу адгезии льда <200 кПа.
Предусматриваемое согласно изобретению противообледенительное покрытие предпочтительно является гидрофобным и олеофобным.
Согласно изобретению предлагается также лопасть ротора, фторсодержащее покрытие которой предпочтительно содержит полимерные фторуглеродные слои.
Настоящее изобретение в предпочтительном варианте осуществления относится к вышеуказанной лопасти ротора, которая имеет покрытие с антиадгезионными свойствами, причем фторсодержащее покрытие содержит слои фторуглеродных полимеров.
Согласно изобретению предлагается также лопасть ротора, причем покрытие нанесено предпочтительно непосредственно на поверхность лопасти.
Атомные процентные доли содержащихся в противообледенительном покрытии элементов рассчитываются на все противообледенительное покрытие и в сумме дают 100 ат. % противообледенительного покрытия как целого.
В связи с настоящим изобретением под изображением понимается неизменная структура, в соответствии с которой регулярно повторяется структурный признак, например точка или линия. Таким образом, случайное распределение структурных элементов не является изображением.
В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения структурирование, в частности структурное изображение, в частности точечное или линейное изображение, создано на периодической основе.
Согласно изобретению предпочтительно предлагается лопасть ротора, у которой покрытие находится на подложке, в частности пленке, и посредством подложки, в частности пленки, наносится на поверхность лопасти, в частности, крепится к ней, например приклеивается.
Согласно изобретению предлагается также лопасть ротора, причем покрытие наносится на поверхность лопасти на подложке из синтетического материала.
Согласно изобретению предлагается также лопасть ротора, причем покрытие наносится на лопасть или подложку путем обработки плазмой низкого давления.
Противообледенительное покрытие, нанесенное согласно изобретению на лопасть ротора, предпочтительно обычную, снижает и/или предпочтительно задерживает образование льда на лопасти и в предпочтительном варианте осуществления приводит к снижению температуры замерзания. Адгезия льда снижается. Соответственно, лопасть ротора защищена от льда и снега. Предпочтительно противообледенительное покрытие перманентно находится на лопасти ротора и, соответственно, действует постоянно.
Согласно изобретению предлагается также лопасть ротора, причем точечное или линейное изображение имеет периодичность (Р) 20 мкм, 40 мкм, 80 мкм, 100 мкм, 120 мкм, 140 мкм или 180 мкм.
Под периодичностью понимается расстояние, отделяющее точки или линии друг от друга.
Согласно изобретению предлагается также лопасть ротора, причем высота структуры (Н) линейного изображения составляет 5 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 40 мкм, 80 мкм, 100 мкм, 120 мкм, 140 мкм или 180 мкм.
Согласно изобретению предлагается также лопасть ротора, причем диаметр точек точечного изображения составляет 20 мкм, 40 мкм, 80 мкм, 100 мкм, 120 мкм, 140 мкм или 180 мкм.
В следующем предпочтительном варианте осуществления точечное или линейное изображение имеет периодичность Р с шагом в диапазоне от 1 до 1000 мкм, от 10 до 900, в частности от 10 до 300 мкм, предпочтительно от 10 до 200 мкм, например, 20 мкм, 40 мкм, 80 мкм, 100 мкм, 120 мкм, 140 мкм или 180 мкм.
В следующем предпочтительном варианте осуществления лопасть ротора имеет высоту структуры линейного изображения в интервале от 1 до 1000 мкм, от 10 до 900 мкм, в частности от 10 до 300 мкм, предпочтительно от 10 до 200 мкм, например, 20 мкм, 40 мкм, 80 мкм, 100 мкм, 120 мкм, 140 мкм или 180 мкм.
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, диаметр точек точечного изображения составляет от 1 до 1000 мкм, от 10 до 900 мкм, в частности от 10 до 200 мкм, например, 20 мкм, 40 мкм, 80 мкм, 100 мкм, 120 мкм, 140 мкм или 180 мкм.
Настоящее изобретение предлагает также ротор, содержащий по меньшей мере одну лопасть, предпочтительно две или три лопасти согласно настоящему изобретению.
Изобретение относится также к агрегату, в частности, ветрогенератору или летательному аппарату, в частности, самолету или модели самолета, содержащему по меньшей мере один ротор по настоящему изобретению.
Изобретение относится также к способу получения имеющей покрытие лопасти ротора по настоящему изобретению, причем понижающее температуру замерзания противообледенительное покрытие толщиной от 10 до 500 нм наносится на поверхность лопасти путем обработки плазмой низкого давления и в поверхности создается структурирование, в частности поверхностное структурирование, микронного диапазона.
Согласно изобретению предлагается также способ получения имеющей покрытие лопасти ротора по настоящему изобретению, в соответствии с которым понижающее температуру замерзания противообледенительное покрытие толщиной от 10 до 200 нм, содержащее а) от 15 до 75 ат. % фтора и b) от 25 до 85 ат. % других компонентов (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия), наносят методом обработки плазмой низкого давления на поверхность лопасти и в поверхности создают структурирование, в частности поверхностное структурирование микронного диапазона, в частности, в виде точечного или линейного изображения.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу получения имеющей покрытие лопасти ротора, в соответствии с которым понижающее температуру замерзания противообледенительное покрытие толщиной от 50 до 500 нм, содержащее от 25 до 29 ат. % кремния, от 22 до 45 ат. % кислорода и от 26 до 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС), предпочтительно 29 ат. % кремния, 22 ат. % кислорода и 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия) наносится на поверхность лопасти путем обработки плазмой низкого давления и в поверхности создается структурирование, в частности поверхностное структурирование микронного диапазона. В особенно предпочтительном варианте осуществления это понижающее температуру замерзания противообледенительное покрытие из гексаметилдисилоксана толщиной от 50 до 500 нм наносят на поверхность лопасти путем обработки плазмой низкого давления и в поверхности создают структурирование микронного диапазона.
Если, как в следующем варианте осуществления, противообледенительное покрытие, в частности, фторсодержащее покрытие или покрытие силиконового типа, нанесено не прямо на лопасть ротора, а находится на подложке и через эту подложку наносится на лопасть, то сначала противообледенительное покрытие наносят на подложку, создают в нем структурирование, а затем поддерживаемое таким образом противообледенительное покрытие наносят на лопасть.
Согласно изобретению предлагается также способ получения имеющей покрытие лопасти ротора, в соответствии с которым подложку с покрытием, в частности, пленку с покрытием, предпочтительно синтетическую пленку, имеющую понижающее точку замерзания противообледенительное покрытие а) толщиной 50-500 нм, содержащее от 25 до 29 ат. % кремния, от 22 до 45 ат. % кислорода и от 26 до 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС), предпочтительно 29 ат. % кремния, 22 ат. % кислорода и 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия), или b) толщиной 10-200 нм, содержащее а) от 15 до 75 ат. % фтора и b) от 25 до 85 ат. % других компонентов (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия) и имеющее структурирование, в частности, в форме точечного или линейного изображения, в частности, пленку, содержащую противообледенительное покрытие по настоящему изобретению, наносят на поверхность, в частности, наружную поверхность лопасти, и закрепляют, например приклеивают.
Согласно изобретению предлагается также применение покрытия, в частности покрытия, находящегося на подложке, представляющего собой а) фторсодержащее покрытие, содержащее от 15 до 75 ат. % фтора и b) от 25 до 85 ат. % других компонентов, или b) покрытие силиконового типа, то есть покрытие, содержащее кремний, кислород и углерод, причем это содержащее кремний, кислород и углерод покрытие предпочтительно содержит от 25 до 29 ат. %, предпочтительно 29 ат. % кремния, предпочтительно от 22 до 45 ат. %, предпочтительно 42 ат. % кислорода и предпочтительно от 26 до 49 ат. %, в частности, 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия) для нанесения по меньшей мере на одну поверхность лопасти ротора, в частности, для предотвращения образования льда, прилипания льда или того и другого.
Согласно изобретению предлагается также применение (i) покрытия, содержащего от 15 до 75 ат. % фтора и от 25 до 85 ат. % других компонентов (в каждом случае определено методом РФЭС), или (ii) покрытия, содержащего кремний, кислород и углерод, причем это содержащее кремний, кислород и углерод покрытие предпочтительно содержит от 25 до 29 ат. %, предпочтительно 29 ат. % кремния, предпочтительно от 22 до 45 ат. %, предпочтительно 42 ат. % кислорода и предпочтительно от 26 до 49 ат. %, в частности, 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия), для нанесения по меньшей мере на одну поверхность лопасти ротора для уменьшения силы прилипания льда по меньшей мере к одной поверхности лопасти.
Согласно изобретению предлагается также применение (i) покрытия, содержащего от 15 до 75 ат. % фтора и от 25 до 85 ат. % других компонентов (в каждом случае определено методом РФЭС), или (ii) покрытия, содержащего кремний, кислород и углерод, причем это содержащее кремний, кислород и углерод покрытие предпочтительно содержит от 25 до 29 ат. %, предпочтительно 29 ат. % кремния, предпочтительно от 22 до 45 ат. %, предпочтительно 42 ат. % кислорода и предпочтительно от 26 до 49 ат. %, в частности, 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия), для нанесения по меньшей мере на одну поверхность лопасти ротора для понижения температуры замерзания.
Согласно изобретению предлагается также синтетическая пленка, содержащая понижающее температуру замерзания противообледенительное покрытие, а именно фторсодержащее покрытие толщиной от 10 до 200 нм, содержащее а) от 15 до 75 ат. % фтора и b) от 25 до 85 ат. % других компонентов (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия), или покрытие силиконового типа, то есть покрытие, содержащее кремний, кислород и углерод, толщиной от 50 до 500 нм, причем это содержащее кремний, кислород и углерод покрытие предпочтительно содержит от 25 до 29 ат. %, предпочтительно 29 ат. % кремния, предпочтительно от 22 до 45 ат. %, предпочтительно 42 ат. % кислорода и предпочтительно от 26 до 49 ат. %, в частности, 49 ат. % углерода, причем эти покрытия имеют структурирование, в частности, в форме точечного или линейного изображения.
Настоящее изобретение предусматривает также снабжение поверхности лопасти ротора покрытием, факультативно на подложке, которое, с одной стороны, уменьшает адгезию льда, в частности, предотвращает, а с другой стороны, снижает температуру замерзания воды, так что вода на поверхности не замерзает или замерзает позднее, то есть при еще более низкой температуре.
Не желая связывать себя теорией, полагают, что согласно изобретению особенно предпочтительный эффект понижения температуры замерзания обеспечивается, с одной стороны, благодаря предлагаемой изобретением топографии или структурированию нанометрового диапазона в сочетании с применением покрытия, отвечающего количественным и качественным дефинициям согласно изобретению. Предполагается, без какого-либо теоретического объяснения, что в результате комбинации этих двух технических аспектов замерзание капель замедляется или даже предотвращается. В частности, некоторая шероховатость покрытия, достигаемая согласно изобретению не создает никаких зародышей кристаллизации подходящего размера для образования льда на поверхности. Не превышается определенный радиус типичных поверхностных кластеров и, тем самым, предотвращается образование льда. Указанная нанометровая топография имеет стохастическую природу, а не задается маской. Согласно изобретению эта структура нанометрового диапазона получается предпочтительно в результате осуществления процесса плазменного нанесения покрытия, в частности, путем обработки плазмой низкого давления, предпочтительно ионной бомбардировкой и полимеризацией. Усиливается также наблюдаемое согласно изобретению уменьшение адгезии, благодаря, без привязки к теории, поверхностному структурированию микронного диапазона. В особенно предпочтительном варианте осуществления шероховатость Ra (средняя шероховатость) составляет согласно измерениям по Scanscala, от 2 до 2 мкм (направление xy), предпочтительно от 0,2 нм до 22 нм.
Выбором различных технологических параметров, таких как тип и количество используемого плазменного газа, температура, давление и время обработки, можно создавать очень тонкие структуры нанометрового диапазона, в частности, наноструктурированные слои. Эти структуры имеют размер всего несколько нанометров, но влияют на смачивающую способность и, тем самым, на характеристики образования льда и противообледенительные свойства: если нанести воду на поверхность пленки, то она сожмется в шаровидные капельки, которые затем отрываются от поверхности вследствие лишь минимального взаимодействия с ней.
Согласно изобретению применяемое покрытие предпочтительно ведет к понижению температуры замерзания, в частности, по меньшей мере на 3°C. В результате этого эффекта так называемого "surface-induced pre-melting" (предварительное расплавление, индуцированное поверхностью), зародыши кристаллизации льда плавятся на покрытии, в частности покрытой пленке, при 0°C, а замерзание наблюдается только по меньшей мере при -6°C. Таким образом, температура объемного замерзания воды понижается благодаря наличию плазменного покрытия на пленке, тем самым затрудняется обледенение.
Таким образом, согласно настоящему изобретению предусматривается, чтобы лопасть ротора имела поверхность, в частности, наружную поверхность, в частности, всю наружную поверхность, содержащую покрытие, имеющее антиадгезионные свойства в отношении льда. Согласно изобретению это покрытие также называют противообледенительным покрытием.
В связи с настоящим изобретением под антиадгезионными свойствами в отношении льда понимается, что сцепление льда с наружной поверхностью лопасти ротора очень слабое, то есть, что лед можно относительно легко удалить с этой поверхности.
В связи с настоящим изобретением адгезию льда определяют по испытанию на удаление льда. Согласно этому испытанию, воду, в частности, капли воды, замораживают на поверхности, адгезию льда к которой требуется определить. В воду, в частности, водяные капли, вмораживается канюля, в которую можно удалять замерзшие капли воды с поверхности. Затем капли с поверхности отдирают по вертикали и измеряют приложенную силу. Частное от деления силы на поверхность (F/A, сила/поверхность) дает адгезию льда.
В связи с настоящим изобретением под структурированием микронного диапазона понимается структурирование, в частности поверхностное структурирование, в частности топографическое структурирование, структуры которого имеют, например, возвышения или углубления микронного диапазона, или расстояние между возвышениями и углублениями находится в микронном диапазоне, в частности, в диапазоне от 1 до 1000 мкм, предпочтительно от 10 до 900 мкм, в частности от 10 до 300 мкм, в частности, от 20 до 300 мкм.
Такие возвышения могут иметь вид точек или линий. Структура может иметь ненулевые размеры в любом пространственном направлении, то есть можно говорить о высоте, ширине, длине или о двух или трех из указанных ориентаций структуры.
В связи с настоящим изобретением под структурированием нанометрового диапазона понимается структурирование, в частности поверхностное структурирование, в частности топографическое структурирование, структуры которого, например, возвышения или углубления имеют размеры в нанометровом диапазоне, или расстояния между возвышениями или между углублениями находятся в нанометровом диапазоне, в частности, диапазоне от 0,01 до 800 нм, в частности, от 0,1 до 700 нм, в частности, от 0,1 до 500 нм, в частности, от 0,1 до 100 нм, в частности, от 0,1 до 50 нм, в частности, от 0,1 до 40 нм, в частности, от 0,1 до 30 нм, в частности, от 0,02 до 50 нм, в частности, от 0,02 до 40 нм, в частности, от 0,02 до 30 нм, в частности, от 0,02 до 20 нм.
Предпочтительно предусмотренное противообледенительное покрытие согласно изобретению в предпочтительном варианте осуществления отличается наличием структурирования микронного диапазона, в частности, двух- или трехмерного структурирования.
Согласно изобретению предпочтительно достигается, в частности, благодаря наличию структурирования, в частности в виде изображения, в частности точечного или линейного изображения, предотвращение слияния, т.е. коалесценции, образующихся или осаждающихся на покрытую поверхность капель с образованием более крупных элементов.
В предпочтительном варианте осуществления структурирование может обеспечиваться через тип материала, в частности гидрофильность и/или силу сцепления льда, и/или форму геометрического рельефа, в частности топографического структурирования. Предусмотренное структурирование, в частности топографическое структурирование, в одном предпочтительном варианте осуществления может давать структурно гетерогенную поверхность, в частности, такую, которая в определенных областях, задаваемых линейным или точечным изображением, вызывает худшее или лучшее сцепление со льдом, чем в других, определяемых изображением областях, так что получается разная адгезия льда к поверхности, что приводит к изломам и тем самым к менее стабильному процессу сцепления льда. Соответственно, линейное или точечное изображение может, например, приводить к худшей адгезии льда на линиях или точках поверхности. В одном предпочтительном варианте осуществления линейное или точечное изображение может состоять из гидрофильных линий или точек, таким образом, создается лучшая адгезия льда на линиях или точках, что на поверхности, покрытой гидрофобным покрытием, приводит к целенаправленному росту кристаллов льда в гидрофильных областях, в результате чего несвязанные кристаллы льда легче отрываются.
В следующем варианте осуществления точечное или линейное изображение может быть более гидрофобным, чем противообледенительное покрытие, и это также приводит к гетерогенному структурированию поверхности.
В связи с настоящим изобретением под структурированием микронного диапазона понимается структурирование, в частности поверхностное структурирование, в частности топографическое структурирование, структуры которого, например, возвышения или углубления, имеют размеры микронного диапазона, или расстояния между возвышениями или между углублениями находятся в микронном диапазоне, в частности в диапазоне от 1 до 1000 мкм, предпочтительно от 10 до 900 мкм, в частности от 10 до 300 мкм, в частности от 10 до 200 мкм, в частности от 20 до 300 мкм.
Такие возвышения могут иметь вид точек или линий. Структура может иметь ненулевые размеры в любом пространственном направлении, то есть можно говорить о высоте, ширине, длине или о двух или трех из указанных ориентаций структуры.
В связи с настоящим изобретением под структурированием нанометрового диапазона понимается структурирование, в частности поверхностное структурирование, в частности топографическое структурирование, структуры которого, например, возвышения или углубления, имеют размеры нанометрового диапазона, или расстояние между возвышениями или между углублениями находится в нанометровом диапазоне, в частности, в диапазоне от 0,01 до 800 нм, в частности, от 0,1 до 700 нм, в частности, от 0,1 до 500 нм, в частности, от 0,1 до 100 нм, в частности, от 0,1 до 50 нм, в частности, от 0,1 до 40 нм, в частности, от 0,1 до 30 нм, в частности, от 0,02 до 50 нм, в частности, от 0,02 до 40 нм, в частности, от 0,02 до 30 нм, в частности, от 0,02 до 20 нм.
В особенно предпочтительном варианте осуществления структурирование, в частности топографическое структурирование, в частности, микронного диапазона, означает, что покрытие позволяет распознать на его поверхности структуру, в частности, микронного масштаба, например, трехмерную структуру, в частности, в виде углублений и/или возвышений, в частности в форме линий или точек. В предпочтительном варианте осуществления трехмерное структурирование дополнительно отличается определенными областями разной гидрофильности и/или гидрофобности, соответственно, адгезии льда. Структурирование может также быть двухмерным структурированием, причем структура создается, например, только разным качеством поверхности, например, определенными областями с разной гидрофильностью, соответственно гидрофобностью, и/или с разной адгезией льда, предпочтительно также в виде точечного или линейного изображения.
Предпочтительный согласно изобретению способ, предусматривающий нанесение покрытия, предпочтительно гидрофобного и олеофобного, на поверхность лопасти ротора в комбинации со структурированием, в частности топографическим структурированием, в частности в виде точечного или линейного изображения, приводит к уменьшению адгезии воды, уменьшению образования льда и/или к уменьшению адгезии льда. Предусмотренное согласно изобретению противообледенительное покрытие приводит к сниженной адгезии льда, то есть лед может срываться по существу без остатка.
В особенно предпочтительном варианте осуществления предусмотрен способ создания структурирования, например способ тиснения. В этом предпочтительном варианте осуществления покрываемую поверхность сначала структурируют, в частности, подвергают тиснению, а затем наносят предусмотренное противообледенительное покрытие. Альтернативно на поверхность сначала наносят противообледенительное покрытие, а затем структурируют, в частности, подвергают тиснению. В следующем варианте осуществления можно предусмотреть нанесение лишь частичного покрытия на подлежащую покрытию поверхность, например, покрыть ее по меньшей мере одной маской и нанести покрытие, так что в этом случае процесс структурирования, а именно применение маски при покрытии, протекает одновременно с самим покрытием.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления фторсодержащее противообледенительное покрытие содержит от 15 до 75 ат. % фтора, в частности от 15 до 60 ат. % фтора, предпочтительно от 20 до 55 ат. %, предпочтительно от 25 до 50 ат. % фтора, в частности, содержит от 30 до 50 ат. % фтора.
В следующем предпочтительном варианте осуществления фторсодержащее противообледенительное покрытие содержит от 25 до 85 ат. %, предпочтительно от 40 до 85 ат. %, предпочтительно от 45 до 80 ат. %, предпочтительно от 50 до 75 ат. %, в частности, от 50 до 70 ат. % других компонентов.
В качестве другого компонента фторсодержащее покрытие предпочтительно содержит от 0,1 до 4,9 ат. % кислорода. В качестве другого компонента фторсодержащее покрытие предпочтительно содержит водород. В качестве другого компонента фторсодержащее покрытие предпочтительно содержит углерод. В качестве других компонентов фторсодержащее покрытие предпочтительно содержит кислород, водород и углерод. В качестве других компонентов фторсодержащее покрытие предпочтительно содержит кислород и водород. В качестве других компонентов фторсодержащее покрытие предпочтительно содержит углерод и водород.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления фторсодержащее покрытие содержит от 15 до 75 ат. %, предпочтительно от 15 до 60 ат. %, предпочтительно от 20 до 55 ат. %, предпочтительно от 25 до 50 ат. % фтора и от 25 до 85 ат. %, предпочтительно от 40 до 85 ат. %, предпочтительно от 45 до 80 ат. %, предпочтительно от 50 до 75 ат. % углерода и водорода.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что лопасть ротора имеет покрытие непосредственно на поверхности, в частности на наружной поверхности.
В следующем предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что лопасть ротора содержит предлагаемое изобретением покрытие на подложке, в частности, что покрытие находится на поверхности, в частности наружной поверхности подложки, нанесенной на лопасть.
В следующем предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что лопасть ротора содержит предлагаемое изобретением покрытие на подложке, т.е. что покрытие нанесено на поверхность, в частности наружную поверхность, лопасти посредством подложки.
В особенно предпочтительном варианте осуществления подложка может иметь толщину от 0,003 до 0, 300 мм, в частности от 0,003 до 0,05 мм, в частности от 0,150 до 0, 300 мм, в частности 0,150 мм или 0,300 мм.
В особенно предпочтительном варианте осуществления эта подложка является подложкой из проводящих полимеров, в частности полимеров с собственной проводимостью (ICP, Inherent Conductive Polymers = с собственной проводимостью полимеры), полимеров с проводящим покрытием или полимеров с несобственной проводимостью, то есть наполненных полимеров, например, наполненных техническим углеродом, углеродными нанотрубками, графеном, металлическими волокнами или сажей, или она является подложкой из лака или пластмассы, в частности, полиуретана (ПУ), полиамида, полиимида, поликарбоната, ПЭТ (полиэтилентерефталат), ПММА (полиметилметакрилат), ПЭ (полиэтилен), ПП (полипропилен), АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол) или ПВХ (поливинилхлорид).
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения подложка для покрытия является пленкой, в частности, из проводящих полимеров, в частности, полимеров с собственной проводимостью (ICP, inherent conductive polymers), полимеров с проводящим покрытием или полимеров с несобственной проводимостью, то есть наполненных, полимеров, то есть полимеров, наполненных, например, техническим углеродом, углеродными нанотрубками, графеном, металлическими волокнами или сажей, или она является подложкой из лака или пластмассы, в частности, из ПУ, полиамида, полимида, поликарбоната, ПММА, ПЭТ, ПЭ, ПП, АБС и/или ПВХ. Синтетическая пленка предпочтительно является самоклеящейся синтетической пленкой. Подложки, покрытые Согласно изобретению, в частности, синтетические пленки, можно наносить на поверхность подлежащей покрытию лопасти ротора, например приклеивать или припрессовывать при повышенной температуре. Это выгодно тем, что пленки на поверхности лопасти ротора можно легко заменить, когда они будут сильно изношены. Согласно изобретению для этого изношенные пленки удаляют и заменяют на новые пленки с покрытием.
В следующем предпочтительном варианте осуществления подложка может также представлять собой лаковую пленку, лаковую фольгу или слой лака, в частности, толщиной от 0,003 до 0,300 мм, в частности, от 0, 003 до 0, 050 мм, в частности, от 0,150 до 0,300 мм, в частности, 0,150 мм или 0,300 мм.
В особенно предпочтительном варианте осуществления поверхность лопасти ротора может быть поверхностью из пластмассы, лаковой поверхностью, металлической поверхностью или поверхностью из композитного материала. Пластмассовая поверхность лопасти ротора может быть образована, например, из ПУ, полиамида, полимида, поликарбоната, ПЭТ, ПЭ, ПП, АБС или ПВХ. Металлическая поверхность может быть образована, например, из высококачественной стали, алюминия и/или магния. Лаковая поверхность может быть, например, лаковой пленкой или слоем лака.
В особенно предпочтительном варианте осуществления эта подложка является подложкой из лака или пластмассы, в частности, из полиуретана (ПУ), полиамида, полиимида, поликарбоната, ПММА (полиметилметакрилат), ICP, ПЭТ, ПЭ (полиэтилен), АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол) или ПВХ (поливинилхлорид).
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения подложка для покрытия является пленкой, в частности, из синтетического материала, в частности синтетической пленкой из ПУ, полиамида, полиимида, поликарбоната, ПММА (полиметилметакрилат), ПЭТ, ПЭ, АБС и/или ПВХ. Предпочтительно синтетическая пленка является самоклеящейся синтетической пленкой. Подложки, покрытые согласно изобретению, в частности синтетические пленки, могут наноситься на поверхность подлежащей покрытию лопасти ротора, например, наклеиваться или припрессовываться под нагревом. Это выгодно тем, что пленки на поверхности лопасти ротора можно легко заменить, когда они будут сильно изношены. Согласно изобретению для этого изношенные пленки удаляют и заменяют новыми пленками с покрытием.
В следующем предпочтительном варианте осуществления подложка может быть также лаковой пленкой, лаковой фольгой или слоем лака, в частности, толщиной от 0,003 до 0,050 мм.
В особенно предпочтительном варианте осуществления поверхность покрываемой лопасти ротора может быть пластмассовой поверхностью, лаковой поверхностью, металлической поверхностью или поверхностью, образованной из композитного материала. Пластмассовая поверхность лопасти ротора может быть выполнена, например, из ПУ, полиамида, полиимида, поликарбоната, ПЭТ, ПЭ, АБС или ПВХ. В предпочтительном варианте осуществления лопасть ротора выполнена из пластмасс, упрочненных стекловолокнами или углеродными волокнами. Металлическая поверхность может состоять, например, из высококачественной стали, меди, алюминия и/или магния. Лаковая поверхность может быть, например, лаковой пленкой или слоем лака.
В особенно предпочтительном варианте осуществления противообледенительное покрытие согласно изобретению, предпочтительно нанесенное на поверхность лопасти ротора, напрямую или посредством подложки, отличается тем, что сила сцепления льда, называемая здесь также адгезией льда, меньше или равна 200 кПа, предпочтительно <200 кПа, предпочтительно ≤150 кПа, в частности, ≤95 кПа, в частности, <95 кПа.
В особенно предпочтительном варианте осуществления покрытие имеет максимальную толщину ≤200 нм, предпочтительно <200 нм, предпочтительно ≤150 нм, предпочтительно ≤100 нм, предпочтительно ≤50 нм, в частности, <50 нм.
В следующем предпочтительном варианте осуществления противообледенительное покрытие имеет минимальную толщину ≥5 нм, в частности, ≥10 нм, в частности, ≥20 нм, в частности, ≥25 нм.
В особенно предпочтительном варианте осуществления краевой угол смачивания водой, то есть наступающий угол смачивания и отступающий угол смачивания водой на противообледенительном покрытии больше 80°, предпочтительно оба угла превышают 100°.
В связи с настоящим изобретением угол смачивания водой и поверхностную энергию предпочтительно определяют согласно работам a) , М., Oehr, С, Comments on "An Essay on Contact Angle Measurements" by Strobel and Lyons. Plasma Processes and Polymers 8, 19-24 (2011), b) Gao, L., McCarthy, T.J. How Wenzel and Cassie Were Wrong. Langmuir 23, 3762-3765 (2007), c) Blake, T. D. The physics of moving wetting lines. Journal of Colloid and Interface Science 299, 1-13 (2006), или в d) Morra, M., Occhiello, E., Garbassi, F. Knowledge about polymer surfaces from contact angle measurements. Advances in Colloid and Interface Science 32, 79-116 (1990).
Анализ методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) предпочтительно проводится в соответствии с "Surface Analysis by Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy", Edited by David Briggs and John T. Grant (2003), ISBN 1-901019-04-7, опубликовано в ассоциации с IM Publications.
В особенно предпочтительном варианте осуществления противообледенительное покрытие имеет поверхностную энергию ≤30 мДж/м, в частности, <30 мДж/м, в частности, ≤21 мДж/м, в частности, <21 мДж/м.
В особенно предпочтительном варианте осуществления лопасть ротора отличается тем, что покрытие, нанесенное на поверхность напрямую или через подложку, было нанесено на поверхность лопасти, соответственно подложки, путем обработки плазмой низкого давления. Такие способы известны и описаны, например, Haupt et al. в Plasma Process. Polym., (2008), 5, 33-43, и в Vakuum in Forschung und Praxis, 17 (2005), N 6, 329-335. Такие способы описаны также в заявках WO 2007/012472 А1 и DE 10/2005034764 А1.
2
2
3
4
4
2
3
6
4
8
Согласно изобретению в одном предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что подлежащая покрытию лопасть ротора или подлежащая покрытию подложка находится в газовой атмосфере низкого давления, например, при давлении <1 мбар, и для нанесения покрытия используются технологические газы, например, Ar, N или О, а также соответствующий исходный материал для образования полимера в целях получения фторсодержащих покрытий, например, газообразные мономеры, такие как трифторметан CHF, тетрафторметан CF, смеси CF и Н, гексафторпропан CF или октафторциклобутан CF. Для получения покрытий силиконового типа в качестве исходного вещества предпочтительно используется гексаметилдисилоксан (HMDSO). В результате возбуждения высокочастотной плазмы, например, частотой 13,56 МГц, между двумя электродами, молекулы газа ионизируются, фрагментируются и активируются, так что образуется плазма. В плазменной фазе, соответственно, на подлежащей покрытию поверхности протекают химические реакции, которые приводят к образованию ковалентных связей между полученным плазменной полимеризацией продуктом и покрываемой поверхностью.
n
2n
3
6
4
8
5
10
В одном предпочтительном варианте осуществления покрытие лопасти ротора с антиадгезионными свойствами в отношении льда может быть получено путем обработки плазмой низкого давления, при этом в результате высокочастотного разряда между по меньшей мере двумя электродами, из реакционноспособного газа, который содержит, например, циклические фторуглеродные соединения или HMDSO, создается плазма, и слои фторуглеродных полимеров или слои силиконового типа осаждаются на упругий проводник. В предпочтительном варианте осуществления для фторсодержащих покрытий предпочтительно применяются циклические фторуглеродные соединения типа перфторциклоалканов CF с n=3, 4 или 5, например, перфторциклопропан CF или перфторциклобутан CF, или перфторциклопентан CF.
В особенно предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, кроме того, чтобы поверхностное структурирование, в частности топографическое структурирование поверхности, в частности точечное или линейное изображение, создавалось способом структурирования, например, тиснением подложки, например, тиснением пленки, в частности, перед покрытием. Затем на готовую тисненую пленку наносят покрытие. Согласно изобретению покрытие подложки, например нетисненой пленки, можно также нанести частично и затем осуществить структурирование, например, подложки, например пленки, применяя маски во время покрытия для структурирования и покрытия.
Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления предусматривается наносить точечное или линейное изображение согласно изобретению посредством тиснения пленки.
В следующем предпочтительном варианте осуществления предусматривается наносить точечное или линейное изображение на нетисненую подложку, в частности, пленку, применяя маски при покрытии, чтобы одновременно происходило структурирование и покрытие.
В особенно предпочтительном варианте осуществления в случае применения покрытий на подложке, в частности покрытий на пленочной подложке, предусматривается покрывать пленку непрерывно, например, способом роликового типа, например, с ролика на ролик, или наносить покрытие в периодическом режиме.
Если лопасть ротора покрывается напрямую, это в предпочтительном варианте осуществления осуществляют в периодическом режиме.
Согласно изобретению можно также покрывать лопасть ротора непосредственно перед применением. В результате получается, что очень выгодно, особенно безупречное и естественно неиспользованное покрытие поверхности без повреждений слоя, например, царапинами.
Настоящее изобретение относится также к способу получения лопасти ротора по изобретению.
Изобретение относится также к способу получения покрытой лопасти ротора, причем противообледенительное покрытие, предпочтительно понижающее температуру замерзания, толщиной до 500 нм, предпочтительно от 10 до 200 нм, наносят на поверхность лопасти путем обработки плазмой низкого давления и в поверхности создают структурирование, в частности поверхностное структурирование микронного диапазона.
В одном предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу получения покрытой лопасти ротора, в соответствии с которым противообледенительное покрытие, предпочтительно понижающее температуру замерзания, толщиной до 500 нм, предпочтительно от 10 до 200 нм, содержащее от 25 до 29 ат. % кремния, от 22 до 45 ат. % кислорода и от 26 до 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС), предпочтительно 29 ат. % кремния, 22 ат. % кислорода и 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия) наносят на поверхность лопасти путем обработки плазмой низкого давления, и в поверхности создают структурирование, в частности поверхностное структурирование микронного диапазона. В особенно предпочтительном варианте осуществления это предпочтительно снижающее температуру замерзания противообледенительное покрытие из гексаметилдисилоксана толщиной до 500 нм, предпочтительно от 10 до 200 нм, наносят на поверхность лопасти путем обработки плазмой низкого давления и в поверхности создают структурирование микронного диапазона.
Если, как в следующем варианте осуществления, противообледенительное покрытие, в частности фторсодержащее покрытие или покрытие силиконового типа, нанесено не прямо на лопасть ротора, а находится на подложке и с помощью подложки наносится на лопасть, то противообледенительное покрытие сначала наносят на подложку, там осуществляют структурирование и затем такое противообледенительное покрытие на подложке наносят на лопасть ротора.
Согласно изобретению предлагается также способ получения покрытой лопасти ротора по настоящему изобретению, в соответствии с которым подложка с покрытием, в частности пленка с покрытием, предпочтительно синтетическая пленка, содержащая противообледенительное покрытие, предпочтительно понижающее температуру замерзания, а) толщиной от 10 до 200 нм, содержащее от 25 до 29 ат. % кремния, от 22 до 45 ат. % кислорода и от 26 до 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС), предпочтительно 29 ат. % кремния, 22 ат. % кислорода и 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС и выражено в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия), или b) толщиной от 10 до 200 нм, содержащее а) от 15 до 75 ат. % фтора и b) от 25 до 85 ат. % других компонентов (в каждом случае определено методом РФЭС и выражено в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия), и включающее структурирование, в частности, в форме точечного или линейного изображения, в частности, содержащее противообледенительное покрытие по настоящему изобретению, наносят на поверхность, в частности наружную поверхность лопасти ротора, и фиксируют, например приклеивают.
Таким образом, изобретение относится, в частности, также к способу получения лопасти ротора, в соответствии с которым противообледенительное покрытие толщиной от 10 до 200 нм, содержащее от 15 до 75 ат. %, предпочтительно от 15 до 60 ат. % фтора и от 25 до 85 ат. %, предпочтительно от 40 до 85 ат. % других компонентов (в каждом случае определено методом РФЭС и выражено в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия) снабжают структурированием, в частности топографическим структурированием, в частности, точечным или линейным изображением, и наносят напрямую или на подложке на лопасть, в частности путем обработки плазмой низкого давления, и путем структурирования для создания структурирования, в частности топографического структурирования, в частности двух- или трехмерного поверхностного структурирования.
Согласно изобретению в одном особенно предпочтительном варианте осуществления можно предусмотреть, чтобы структурирование проводилось отдельно от нанесения покрытия, то есть, например, структурировать подложку тиснением и затем провести полное или частичное покрытие структурированной поверхности. Согласно изобретению предпочтительно также сначала осуществить покрытие поверхности и затем ее структурировать, например, подвергнуть тиснению. В следующем варианте осуществления можно также предусмотреть, чтобы структурирование и покрытие осуществлялись одновременно, например, покрывая поверхность частично, например, с использованием маски, то есть исключить определенные области поверхности из покрытия, так что структурирование и покрытие протекают одновременно.
Согласно изобретению предлагается также применение фторсодержащего покрытия, в частности покрытия, находящегося на подложке, содержащего фторсодержащее покрытие, содержащее а) от 15 до 75 ат. % фтора и b) от 25 до 85 ат. % других компонентов, или применение покрытия силиконового типа, то есть покрытия, содержащего кремний, кислород и углерод, в частности покрытия, находящегося на подложке, причем это содержащее кремний, кислород и углерод покрытие предпочтительно содержит от 25 до 29 ат. %, предпочтительно 29 ат. % кремния, предпочтительно от 22 до 45 ат. %, предпочтительно 42 ат. % кислорода и предпочтительно от 26 до 49 ат. %, в частности, 49 ат. % углерода (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия) для нанесения на по меньшей мере одну поверхность лопасти ротора, в частности, для уменьшения образования льда, адгезии льда или того и другого.
Настоящее изобретение относится также к применению покрытия, содержащего, в частности, состоящего из 15-75 ат. % фтора, предпочтительно 15-60 ат. % фтора и 25-85 ат. %, предпочтительно 40-85 ат. % других компонентов (в каждом случае определено методом РФЭС и указано в расчете на 100 ат. % противообледенительного покрытия) для покрытия, в частности, для поверхностно-структурированного покрытия, по меньшей мере одной поверхности лопасти ротора.
Следующие выгодные варианты осуществления изобретения выявляются из зависимых пунктов формулы изобретения.
Далее настоящее изобретение поясняется подробнее на следующих примерах и относящимся к ним фигурам.
Фиг. 1 показывает полученный на атомно-силовом микроскопе снимок фторсодержащего плазменного покрытия с протиобледенительным эффектом, нанесенного на полиуретановую пленку.
Фиг. 2 показывает термографический снимок жидкой капли воды на охлажденном до -30°C фторсодержащем плазменном покрытии на полиуретановой пленке.
Фиг. 3 показывает микроснимки замерзшей капли воды на а) поверхности ПТФЭ, b) полученном плазменной обработкой фторсодержащем противообледенительном покрытии на полиуретановой пленке, и с) поверхности стекла. Образуются разные формы льда, которые с разной силой сцепляются с поверхностью.
Фиг. 4 показывает в сравнении силу сцепления льда на различных поверхностях, не соответствующих изобретению.
Фиг. 5 показывает в сравнении силу сцепления льда на различных полиуретановых пленках, функционализованных согласно изобретению. Позициями Р2-Р11 и Р13-Р15 обозначены разные плазменные покрытия.
2
Фиг. 6 показывает трехкомпонентную диаграмму распределения элементов для серий I-IV (РФЭС-измерения), заштрихованные кружки: серии I и II (варианты с изменением потока О), незаштрихованные кружки: серии III и IV (переменная мощность) и одна прямоугольная точка: стехиометрия чистого HMDSO.
2
3
3
2
2
2
Фиг. 7 показывает снимки в атомно-силовом микроскопе (по-английски atomic force microscopy: AFM) (поле 2×2 мкм) 2 слоев серии II (Р=160 Вт): а) Ф(О)=220 Нсм/мин; b) Ф(O)=60 Нсм/мин и с) анализ шероховатости (поле 2×2 мкм) слоев серий I и II.
Фиг. 8 схематически показывает применяемый согласно изобретению шаблон структурирования, в частности,
Фиг. 8.1: линейное изображение и
Фиг. 8.2: точечное изображение покрытия, которое может применяться согласно изобретению.
Фиг. 8.1 показывает покрытие поверхности со структурированием в виде линейного изображения. Благодаря линейному изображению достигается особенно плохое сцепление льда. Схематически показана периодичность Р и высота структуры Н, причем периодичность может составлять 20, 40, 80, 100, 120, 140, 180 мкм, а высота Н 20, 40, 80, 100, 120, 140, 180 мкм (режим Кейси-Бакстера (гетерогенное смачивание)).
Фиг. 8.2 показывает альтернативно применимое линейное изображение, состоящее из гидрофильных точек с углом смачивания <10°, которое на гидрофобной поверхности с противообледенительным покрытием позволяет получить целенаправленный рост кристаллов льда в заданных точках, так что образующиеся там кристаллы льда, которые не связаны между собой, могут легко отрываться в набегающем потоке воздуха. Предпочтительно периодичность Р составляет 20, 40, 80, 100, 120, 140, 180 мкм. Диаметр D гидрофильных точек может составлять 20, 40, 80, 100, 120, 140 или 180 мкм.
Пример 1
Понижение температуры замерзания
Жидкую каплю воды наносят на непокрытую контрольную пленку из полиуретана и одновременно на покрытую полиуретановую пленку (состав согласно ЭСХЛ (электронная спектроскопия для химического анализа) (доказательство наличия водорода невозможно): 51 ат. % фтора и 49 ат. % углерода и водорода). Покрытие полиуретановой пленки проводят способом обработки плазмой низкого давления (Haupt et al., Vakuum in Forschung und Praxis, 2005, 17(6), 329-335). Затем поверхность охлаждают ниже 0°C. Оказалось, что на непокрытой контрольной пленке капля находится в затвердевшей форме (Т=-5,4°C), тогда как на покрытой пленке она остается жидкой (Т=-6°C).
Пример 2
Свойства покрытия, понижающего температуру замерзания
Фиг. 1 показывает топографию, в частности структурирование нанометрового диапазона (снимок в атомно-силовой микроскоп) фторсодержащего плазменного покрытия (состав согласно ЭСХЛ (доказательство наличия водорода невозможно): 51 ат. % фтора и 49 ат. % углерода и водорода) на полиуретановой пленке с противообледенительным эффектом. Такие поверхности имеют поверхностную энергию меньше 20 мДж/м.
2
3
2
2
3
Благодаря обработке поверхностей плазмой можно устанавливать желаемую поверхностную энергию в особенно широком диапазоне. Поверхностная энергия падает в порядке указания функциональных поверхностных групп: -СН>-CH>-CF>-CFH>-CF, которые связаны с поверхностью.
Во льду молекула воды является объемно-фиксированной и образует максимально возможное число водородных мостиков: четыре. В результате возникает регулярная кристаллическая решетка. При нормальном давлении лед находится в стабильной гексагональной модификации. При этом атомы кислорода координированы почти тетраэдрически с четырьмя другими соседями через водородные мостики. На фазовой диаграмме вода имеет больше твердых модификаций, чем любое другое вещество: 13 кристаллических, 5 аморфных, а также 1 жидкую, 1 сверхкритическую и 1 газообразную. Однако в нашей биосфере, т.е. на высоте над уровнем моря до 60 км, лед кристаллизируется преимущественно в гексагональную сингонию. Зародыши кристаллизации, то есть загрязнения, как частицы пыли и подобное, способствуют образованию кристаллов, так как кристаллизующиеся молекулы воды наращиваются на них. Напротив, очень чистую (дистиллированную) воду можно переохладить до -70°C.
Фиг. 2 показывает термографический снимок, снятый ИК-камерой, которая может бесконтактно измерить мельчайшее изменение температуры капли воды (еще жидкой), на охлажденном до примерно -30°C фторсодержащем плазменном покрытии на полиуретановой пленке (состав согласно ЭСХЛ (доказательство наличия водорода невозможно): 51 ат. % фтора и 49 ат. % углерода и водорода). Сама капля имеет вскоре после попадания на поверхность температуру около -8°C и еще находится в жидком переохлажденном состоянии, перед тем как замерзнуть через несколько минут при еще более низкой температуре.
На разных поверхностях капли воды замерзают при этом в разных формах. Решающим является химический состав и шероховатость поверхности, оба этих фактора влияют на поверхностную энергию и, тем самым, также на образование льда и противообледенительные свойства поверхности. Чем более водоотталкивающей, т.е. чем более гидрофобной является поверхность, тем больше капли стягиваются и сжимаются. Согласно настоящему изобретению поверхности силиконового типа или поверхности, содержащие фтор и углерод, которые получены описанным здесь способом функционализации плазменной обработкой, соответствуют этим требованиям. В отличие от них, металлические или стекловидные поверхности очень хорошо смачиваются (т.е. угол смачивания водой меньше 50°): капля растекается на, соответственно, большую площадь и сравнительно быстро замерзает. Общим для всех превратившихся в лед капель является характерная остроконечная поверхность капли, которая обусловлена аномальным увеличением объема воды в результате замерзания.
Фиг. 3 показывает в качестве примера замерзшие капли воды на трех разных поверхностях с разной поверхностной энергией. При этом пленка, покрытая фторуглеродным плазменным покрытием согласно изобретению (состав согласно ЭСХЛ (доказательство наличия водорода невозможно): 51 ат. % фтора и 49 ат. % углерода и водорода) (фиг. 3b), обнаруживает смачиваемость, близкую к смачиваемости поверхности из ПТФЭ (политетрафторэтилен), но без какого-либо покрытия (фиг. 3а). Относительно хорошо смачиваются металлические или стекловидные поверхности, как показано на фиг. 3с).
При адгезии две конденсированные фазы входят в контакт и образуют границу раздела. Адгезионное состояние отличается механической связностью участвующих фаз, которая вызвана молекулярными взаимодействиями на границе раздела. При разделении этих двух тел должна прикладываться сила адгезии как механическая сила, при этом возникают две новые поверхности, а граница раздела исчезает.
Прочность сцепления льда вызвана разными силами. Сила притяжения между поверхностью льда и поверхностью основы обусловлена электростатическими силами, силами Ван-дер-Ваальса и силой водородных мостиков. Усилие отрыва определяется электростатическими силами, силами Ван-дер-Ваальса и капиллярными силами.
В исследованиях, проведенных согласно настоящему изобретению, адгезию льда к разным синтетическим материалам сравнивали с адгезией к поверхностям с плазменным покрытием.
Для этого небольшой цилиндр, наполненный жидкой водой, устанавливают непосредственно над поверхностью. Затем воду замораживают на поверхности в условиях регулируемой температуры (-20°C) и влажности воздуха в среде (отн. влажность воздуха <1%). Сила, отнесенная к площади цилиндра со льдом, которая необходима, чтобы оторвать цилиндр с замерзшей водой от поверхности, и дает при этом адгезию (сила на единицу площади). На фиг. 4 в сравнении представлены силы сцепления льда на некоторых поверхностях.
Используемые на фиг. 4 сокращения для сравнительных материалов означают: HDPE - полиэтилен высокой плотности, PU - полиуретан, PVC - поливинилхлорид, PET - полиэтилентерефталат, РОМ - полиоксиэтилен, LDPE - полиэтилен низкой плотности.
Как видно из диаграммы, поверхности из силикона и PTFE без покрытий имеют наименьшие силы сцепления льда. В случае стеклянных поверхностей происходит когезионный излом во льду, т.е. лед нельзя удалить с поверхности механическим отрывом: кристаллы льда разрываются в своей структуре и расщепляются. При этом остатки льда остаются на поверхности.
Напротив, на пленках, покрытых согласно изобретению плазменным покрытием, можно существенно влиять на силу сцепления льда. Фиг. 5 показывает в сравнении результаты измерений силы сцепления льда на различных полиуретановых пленках с нанесенным в плазме покрытием. Индексы Р2-Р11 и Р13-Р15 означают различные типы плазменного покрытия.
Показанные на фиг. 5 покрытия Р2-Р5 представляют собой плазменные покрытия силиконового типа согласно настоящему изобретению. Можно видеть, что покрытие Р4 имеет особенно выгодные свойства (состав: кремний 29 ат. %, кислород 22 ат. %, углерод 49 ат. %). Покрытия Р2, РЗ и Р5 содержат кремний, кислород и углерод, каждый в диапазоне содержаний 25-29 ат. % кремния, 22-45 ат. % кислорода и 26-49 ат. % углерода.
Покрытие Р11 представляет собой фторсодержащее покрытие по настоящему изобретению. Остальные показанные покрытия являются плазменными покрытиями с отличающимися, но соответствующими изобретению составами.
Можно четко видеть, что покрытия имеют низкую силу адгезии льда по сравнению с полиуретановой или алюминиевой поверхностью без покрытий. Покрытия с такими низкими значениями адгезии предназначены для придания противообледенительной функции.
Пример 3
Полученный плазменной полимеризацией (pp) слой HMDSO для понижения температуры замерзания
Высококачественные кремнийорганические слои можно получить осаждением плазмохимическим способом из газовой фазы с использованием мономера гексаметилдисилоксана (HMDSO).
3
3
3
3
Для осаждения слоев применяется мономер гексаметилдисилоксан (HMDSO: (CH)SiOSi(СН)). HMDSO не ядовит, имеет относительно высокое давление паров (98 мбар при 310 K) и поэтому легок в обращении.
Органический или неорганический характер плазменных покрытий из HMDSO существенно зависит от вносимой мощности плазмы. Повышение мощности плазмы ведет к увеличению энергии электронов и, тем самым, к более сильному фрагментированию молекул-предшественников в плазме. Молекулы HMDSO расщепляются в результате ударов электронов, и возникают свободные радикалы. Содержание кислорода в плазме можно также заметно повысить путем подвода кислорода.
Набор параметров для серий покрытий приведен в таблице 1.
3
-6
Кроме того, осаждали плазменно-полимерное покрытие из чистого HMDSO без подвода кислорода (Ф(HMDSO)=60 Нсм/мин, Р=160 Вт, t=2 мин, р=40⋅10 бар).
РФЭС-анализ
Для обеих серий при высоких потоках кислорода наблюдается насыщение встраивания кислорода, которое при более высоких мощностях плазмы устанавливается раньше. В области насыщения отношение O/Si соответствует стехиометрии неорганических, кварцеподобных слоев. При меньшей подаче кислорода повышается органическая доля в слоях в результате встраивания углеводородных групп, которые имеются в плазме из-за низкого фрагментирования. В результате слои становятся мягче и больше похожими на полимер. Это представляет особый интерес для понижения температуры замерзания благодаря топографии и составу силиконового типа.
Результаты РФЭС-анализа серий I-IV приведены на фиг. 6 в форме трехкомпонентной диаграммы распределения элементов. Можно видеть, что изменение мощности плазмы и соотношения газов в смеси определяют прежде всего содержание углерода и кислорода в покрытиях. Напротив, содержание кремния при переходе от покрытий полимерного типа к покрытиям стекловидного типа повышается лишь немного с примерно 24 до примерно 31 ат. %. Кроме того, видно, что при выбранных изменениях параметров можно целенаправленно устанавливать область между полимерным слоем из чистого HMDSO и стекловидными слоями.
2
3
При интерпретации результатов РФЭС следует обратить внимание, что водород этим методом обнаружить нельзя. Однако в HMDSO-слоях без подвода кислорода он может составлять до 50 ат. % и даже больше. В случае стекловидных слоев это содержание, напротив, заметно меньше. Исследования методом инфракрасной спектроскопии на основе преобразования Фурье показывают, что водород находится в основном в виде групп СН и СН. Кроме того, в спектрах также часто встречаются полосы колебательного спектра СН, SiH и ОН, которые, однако, выражены заметно слабее.
Топография плазменно-полимеризованных (pp) слоев HMDSO
2
Топография поверхности влияет, во-первых, на смачиваемость жидкостями, а во-вторых, топография (в частности, шероховатость) является фактором, который определяет совместно с другими способность понижения температуры замерзания поверхности. Для изображения топографии поверхности использовали атомно-силовой микроскоп. Снимки делались в режиме "Tapping". Фиг. 7а) и 7b) показывают в сравнении АСМ-снимки стекловидного слоя и слоя полимерного типа (область измерения 2×2 мкм). Топография поверхности стекловидных слоев обнаруживает полукруглые агломераты разного размера, которые не встречаются в слоях полимерного типа. При этом эффект подложки можно исключить, так как все образцы осаждали на одинаковых подложках и с идентичной предварительной обработкой. Кроме того, экспериментальные исследования показывают, что выбранная плазменная обработка не вызывает значительных изменений шероховатости кремниевой подложки.
2
На фиг. 7с) приведены среднеквадратичные (RMS: Root Mean Square) шероховатости, определенные с помощью атомно-силового микроскопа (AFM)), слоев серий I и II в зависимости от потока кислорода. Среднеквадратичные шероховатости определяли по меньшей мере в трех разных местах каждого образца. Показанная статистическая ошибка значения среднеквадратичной шероховатости получается из стандартных отклонений отдельных измерений. Минимальная шероховатость слоев составляет для обеих серий примерно 0,38 нм при потоке кислорода 60 Нсм/мин. Она линейно возрастает с увеличением потока кислорода из-за увеличения числа агломератов, которые становятся к тому крупнее.
Пример 4
Покрытие лопасти ротора
Покрытие как нанесенных на лопасть ротора пленок, так и самой лопасти осуществляли путем обработки плазмой низкого давления.
Структуры можно получить тиснением (горячим) полиуретановых пленок с помощью штампа (например, из высококачественной стали). При этом поверхность нагревают на короткое время (менее 2 минут) до температуры 100-130°C и штампом надавливают на поверхность. Можно нагревать пленку или штамп. Структура штампа переносится теперь на пленку. Этот способ можно также осуществлять в непрерывном режиме посредством роликов. Штамп находится при этом на одном ролике, а пленка роликами переносится к роликовому штампу. Там при давлении до 30 бар и указанной температуре осуществляется тиснение структуры. Таким образом, этот способ также осуществляется непрерывно с "ролика на ролик". Затем проводится покрытие поверхности тисненых структур указанной обработкой плазмой низкого давления.