СПОСОБ ЗАЩИТЫ КРОВЛИ КРЫШИ МАТЕРИАЛЬНОГО ОБЪЕКТА ОТ ОБРАЗОВАНИЯ СОСУЛЬКИ НА ЕЕ КРОМКЕ
METHOD OF PROTECTING BUILDING ROOFING AGAINST FORMATION OF ICICLES ON ITS EDGE

Предлагаемое изобретение относится к областям народного хозяйства, связанным с защитой от образования сосулек на кромках кровель крыш различного рода материальных объектов: домов, складских построек и т.д.
Образование сосулек большого размера на кромках кровель крыш и последующее их падение может приводить к тяжелым и трагическим последствиям, не говоря о том, что борьба с этим явлением требует больших материальных затрат.
Известен способ нанесения покрытия на металлическую пластину (см. патент Японии JP 4338960 В2, 1999 г., МПК B05D 5/08 - аналог). Покрытие наносят для получения высоких антифрикционных свойств поверхности материала. Однако неизвестны гидрофобные свойства такого покрытия.
Известен также способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность детали (см. патент России Ru 2381077 C1, 2008 г., МПК B05D 5/08 - аналог). Покрытие наносят осаждением частиц алюминия на предварительно подготовленную поверхность с последующим микродуговым оксидированием осажденного слоя. Поскольку в патенте нет сведений о гидрофобных свойствах покрытия, не представляется возможным использовать предлагаемый способ для решаемой задачи.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ, заключающийся в том, что на поверхность материального объекта наносят гидрофобное покрытие (см. патент ВОИС Wo 2009005465 А1, 2008 г., МПК B05D 5/08). Способ основан на получении жидкого растворителя под давлением, в который добавляется гидрофобное растворимое вещество, выпадающее в осадок (или кристаллизующееся) после расширения жидкости при низком давлении. Однако способ трудновыполним практически, так как при открытии отверстия в сосуде и истечении из него в окружающую среду при значительном перепаде давления реализуются большие скорости истечения, что не гарантирует равномерного распределения частиц по поверхности, а следовательно, качество такого гидрофобного покрытия будет низким.
Решаемой задачей изобретения является защита кровли крыши материального объекта от образования сосульки на ее кромке.
Технический результат в заявляемом способе защиты кровли крыши материального объекта от образования сосульки на ее кромке достигается за счет того, что в способе, заключающемся в том, что на поверхность кровли крыши материального объекта наносят гидрофобное покрытие, причем покрытие выбирают с краевым углом смачивания более 120°, на котором шарообразная капля воды при перекатывании не оставляет мокрого следа, при этом покрытие наносят полосой, ширину которой выбирают не менее 50 мм, считая от кромки.
Поскольку в качестве гидрофобного покрытия с θ более 120°, в первую очередь, целесообразно использовать смазку (пасту), принципиально важным моментом является нанесение ее не на всю поверхность кровли, а в виде узкой полосы вдоль ее кромки. При этом создаются нормальные, безопасные условия для работы обслуживающего персонала практически на всей кровле крыши (например, замена листов кровли, заделка трещин и т.д.) и, кроме того, достигается значительная экономия в расходовании дорогостоящего покрытия.
Предлагаемое изобретение, заключающееся в нанесении на поверхность кровли крыши материального объекта гидрофобного покрытия с краевым углом смачивания более 120°, позволяет также в значительной мере уменьшить (а при угле θ, стремящемся к 180°, и исключить) прилипание жидкости (воды) к поверхности и, таким образом, избежать образования пограничного слоя на поверхности омываемого материального объекта. В этих условиях сопротивление движению объекта, связанное с трением в пограничном слое, будет стремиться к нулю.
На фиг.1 изображена схема действия поверхностных натяжений в передней точке А капли воды на гидрофильной поверхности (краевой угол смачивания θ меньше 30°).
На фиг.2 изображена схема действия поверхностных натяжений в передней точке А капли воды на гидрофобной поверхности (краевой угол смачивания θ больше 120°).
На фиг.3 представлено фото (вид сверху) заполненной водой полиэтиленовой крышки с графитным кругом.
На фиг.4 представлено фото с увеличением ×4 (вид сверху) капли воды на антисмачиваемой поверхности (краевой угол смачивания θ составлял примерно 125°, а)) и капли воды на смачиваемой поверхности (краевой угол смачивания θ составлял примерно 30°, б)).
На фиг.5 изображена схема экспериментальной установки, с помощью которой подтверждена возможность осуществления и эффективность предложенного способа.
На фиг.6 представлено фото сосульки, образовавшейся на кромке кровли из наждачной бумаги.
На фиг.7 представлено фото сосульки, образовавшейся на кромке кровли из наждачной бумаги с нанесенной полосой из модифицированной графитной смазки.
Схема действия поверхностных натяжений в передней точке капли воды на гидрофильной поверхности (краевой угол смачивания θ меньше примерно 30°) материального объекта имеет следующие особенности (фиг.1): на поверхности раздела фаз материальный объект (в дальнейшем описании объект) - жидкость (вода) - происходят физико-химические процессы, в результате чего возникает явление смачиваемости, что проявляется в способности растекания капли жидкости на поверхности объекта. Количественно смачиваемость определяется значением краевого угла смачивания θ. Поверхность объекта, для которой угол θ меньше примерно 30°, называется гидрофильной, т.е. хорошо смачиваемой водой. Поверхность объекта, для которой угол θ больше примерно 120°, называется гидрофобной, т.е. плохо смачиваемой водой. Можно считать, поверхности с углом θ от 30 до 90° - слабогидрофильными, а поверхности с углом θ от 90 до 120° - слабогидрофобными.
ж-г
о-ж
о-г
о-ж
о-г
о-ж
ж-г
ж-г
о-ж
Как известно, растекание капли жидкости (воды) 1 на поверхности объекта 2 происходит до тех пор, пока не уравновесят друг друга действующие виды поверхностных натяжений: 3 - поверхностное натяжение на границе жидкость - газ (σ); 4 - поверхностное натяжение на границе объект - жидкость (σ); 5 - поверхностное натяжение на границе объект - газ (σ). Поскольку |σ|>σ для гидрофильной поверхности объекта (θ<30°), проекция поверхностного натяжения σ на ось Х отрицательна (фиг.1), а поверхностное натяжение σ располагается в первой четверти. В случае гидрофобной поверхности с углом смачивания больше 120° (фиг.2) поверхностное натяжение σ переходит во вторую четверть, а поверхностное натяжение σ в передней точке капли А изменяет направление действия на противоположное по сравнению со случаем смачиваемой поверхности (θ<30°).
При больших значениях краевого угла смачивания θ=120-180° по существу проявляется качественно новое явление - явление антисмачиваемости, что характеризуется либо отсутствием, либо резким сокращением способности капли растекаться на поверхности материального объекта.
Примером такой антисмачиваемой поверхности при контакте с водой служит любая поверхность с нанесенным мелкодисперсным порошком графита.
Так, если нанести порошок графита на поверхность полиэтиленовой крышки в виде круга (графитного круга), а затем осторожно наливать воду, то вода заполнит всю крышку, за исключением графитного круга. Для контрастности вода была подкрашена. В жидкости образуется своего рода мениск, когда поверхность воды достаточно круто обрывается на границах графитного круга (фиг.3). В опытах глубина такой «сухой» воронки достигала примерно 3,5 мм.
Были проведены также эксперименты с отдельной каплей воды на такой антисмачиваемой поверхности. На фиг.4а представлено фото капли воды (вид сверху) на антисмачиваемой поверхности (поверхность наждачной бумаги была обработана графитным порошком). Угол смачивания составил θ≈125°. Здесь же для сравнения приведено фото капли воды на поверхности наждачной бумаги без графитного порошка (фиг.4б): угол смачивания был θ≈30°. Видно, что размеры капли воды на антисмачиваемой поверхности получаются в 1,6 раза меньше из-за интенсивного проявления поверхностного натяжения.
В экспериментах капля воды на антисмачиваемой поверхности уподобляется капле ртути. Во-первых, капля принимает шарообразную форму, во-вторых, даже при небольших наклонах антисмачиваемой поверхности капля перекатывается подобно бильярдному шару, и, в-третьих, при перекатывании по антисмачиваемой поверхности капля не оставляет мокрого следа.
Были проведены эксперименты по образованию сосульки на кромке кровли модельной крыши и по оценке эффективности защиты в соответствии с предлагаемым способом.
Для экспериментального подтверждения реализации и эффективности предложенного способа спроектирована и изготовлена экспериментальная установка с модельной крышей со съемными листами кровли, схема которой приведена на фиг.5.
Экспериментальная установка включала следующие части: опорную плиту 1, стропила 2, обрешетку 3, съемный лист кровли 4, основание 5.
Исследование защиты кровли от образования сосульки осуществлялось следующим образом.
На крыше, размещенной на опорной плите 1 и состоящей из стропил 2 и обрешетки 3, укреплялась кровля 4, представляющая собой лист размером 200×200 мм. С помощью шурупов опорная плита 1 крыши крепилась к основанию 5. Угол наклона кровли к горизонту выбран ~30°. С помощью проволочных хомутов на кровле закреплялась полиэтиленовая бутылка с водой (на фиг.5 не показана), в дне которой было просверлено отверстие для подачи воздуха. Другое отверстие диаметром ~1,2 мм было просверлено в завинчивающейся крышке. Подача воды регулировалась путем дросселирования отверстия подачи воздуха с помощью конической деревянной палочки. Таким образом осуществлялась автоматическая подача капель воды. Расстояние от нижней кромки кровли до места падения капель из крышки составляло ~120 мм. В экспериментах температура окружающего воздуха колебалась в пределах -8÷-10°. Суммарное время эксперимента в каждом случае составляло ~2 часа. В качестве экспериментальной кровли применялась наждачная бумага на текстильной основе.
На фиг.6 приведено фото сосульки, образовавшейся на кромке кровли после эксперимента: длина сосульки составила ~120 мм.
Поскольку не удалось добиться хорошей адгезии графитного порошка к наклонной модельной кровле (капли воды смывали его уже в первые минуты), в качестве паллиативного гидрофобного покрытия была использована графитная смазка (ГОСТ 3333-80), в которой содержание графита было увеличено с 10 до ~20% (назовем ее модифицированной графитной смазкой). Можно отметить, что графитная смазка отличается широким диапазоном температур эксплуатации: - 40÷+60°С. Эксперименты с одиночной каплей воды на такой поверхности показали, что краевой угол смачивания составил ~90°. Капля воды не перекатывалась так легко, как на графитном порошке, а при смещении оставляла мокрый след. В экспериментах варьировалась ширина полосы модифицированной графитной смазки, нанесенной вдоль кромки. Наилучшие результаты (наименьшая длина сосульки) получены для ширины полосы, равной или большей 50 мм, считая от кромки.
При малых углах наклона кровли образование сосульки может происходить на нижней поверхности кровли вблизи кромки. В этих случаях полосу гидрофобного покрытия целесообразно нанести и на нижней поверхности.
На фиг.7 приведено фото сосульки, образовавшейся на кромке, после эксперимента в случае полосы модифицированной графитной смазки шириной 50 мм: ее длина составила ~25 мм.
Из сопоставления фиг.6 и 7 следует, что нанесение на кровлю гидрофобного покрытия (с относительно невысоким значением краевого угла смачивания θ≈90°) уже привело к существенному (примерно в 5 раз) снижению интенсивности образования сосульки.
Достигнутым техническим результатом является то, что заявляемый способ позволяет исключить образование сосульки на кромке кровли крыши материального объекта благодаря нанесению гидрофобного покрытия с краевым углом смачивания более 120°, при этом покрытие наносят полосой, ширину которой выбирают не менее 50 мм, считая от кромки. В результате нанесения такого покрытия поверхность кровли крыши приобретает свойство антисмачиваемости, т.е. резко снижается прилипаемость воды к поверхности. Капля воды, попадающая на такую поверхность, будет скатываться с нее, не прилипая, т.е. будет вести себя подобно капле ртути. И чем ближе краевой угол смачивания к 180°, тем сильнее будет проявляться эффект антисмачиваемости. При этом будет все больше проявляться кажущийся парадоксальным эффект исчезновения пограничного слоя, возникающий, как известно, на поверхности движущегося в воде объекта вследствие гидрофильности поверхности.
Таким образом, использование заявляемого изобретения в народном хозяйстве страны может дать значительный экономический эффект, так как позволит избежать многих разрушений и несчастных случаев, связанных, например, с падением сосулек с кромок кровель крыш.