PL204021B1

PL204021B1 - Powłoka superhydrofobowa

Info

Publication number: PL204021B1
Application number: PL350498A
Authority: PL
Inventors: Mariusz Paszkowski
Original assignee: Cnt Spo & Lstrok Ka Z Ogranicz
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2009-12-31
Also published as: US6994045B2; US20050061221A1; KR20050042056A; WO2003037702A1; PL350498A1; JP2005507313A; EP1441942A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest powłoka superhydrofobowa służąca jako podłoże smaru gazowego o bardzo niskiej lepkości, redukującego tarcie powierzchniowe przepływu cieczy.

Wynalazek dotyczy specyficznych powłok, których fizykochemiczne właściwości w stosunku do stykającego się z nimi płynu określane są jako „superhydrofobowość”. Zjawisko to, występujące na styku trzech faz: ciała stałego, cieczy i gazu, powoduje pojawienie się i utrzymywanie na powierzchni zanurzonej powłoki filmu powietrznego, pełniącego rolę smaru gazowego o bardzo niskiej lepkości, redukującego opór lepki (tarcie powierzchniowe) przepływu cieczy. Dziedziny, z którymi wiąże się wynalazek to między innymi mechanika płynów, budowa maszyn przepływowych, budownictwo wodne, transport wodny, transport w rurociągach wody i innych cieczy, zwłaszcza paliw, chemikaliów, ciekłych gazów lub transport wody w otwartych kanałach.

Podstawową fizyczną barierą ograniczającą efektywność i szybkość transportu cieczy i w cieczy jest konieczność przezwyciężania przez systemy napędowe znacznych oporów związanych z przemieszczaniem pojazdów lub płynnych mediów transportowanych rurociągami. Opory areo- i hydrodynamiczne wzrastają z trzecią potęgą wzrostu szybkości wzajemnego przemieszczania się obiektu i medium. Jednym z wielu proponowanych sposobów obniżenia oporu lepkiego przepływu cieczy (tarcia powierzchniowego) jest celowe nadawanie kontaktujących się z nią powierzchniom nowych fizykochemicznych i geometrycznych właściwości. Opisane dotychczas w tej dziedzinie liczne rozwiązania zaliczane są do dwóch zasadniczych kategorii, określanych odpowiednio jako pasywne lub aktywne.

Typowe pasywne sposoby zmniejszania oporów poprzez ograniczanie rozwoju turbulencji to między innymi modyfikowanie geometrii powierzchni obiektów opływanych cieczą. Najczęściej stosuje się pokrycie trójwymiarowym reliefem płaskiej i gładkiej powierzchni, uznawanej dawniej za optymalną z punktu widzenia hydrodynamicznego. Znane urzeźbienia i reliefy mają formę równoległych rowków (opisy patentowe US 4 736 912, US 4 706 910), nacięć (opis patentowy US 5 133 519), guzków (opis patentowy US 5 171 623), łusek (opis patentowy US 5 114 099), o submilimetrowej do centymetrowej skali.

Znane są także aktywne systemy złożonych, urzeźbionych powłok zaopatrzonych w system ruchomych, niezależnych i poruszanych mikrosiłownikami występów lub klapek zaopatrzonych w indywidualne sensory ciśnienia, sterujące każdym z występów odrębnie. Systemy takie mają na celu aktywne gaszenie turbulencji, a właściwie zmniejszanie jej intensywności.

Znane są także rozwiązania z iniekcją w warstwę graniczną w strefę kontaktu dna i burt z opływającą je wodą, ciekłych polimerów lub drobnoziarnistych zawiesin, na przykład włókien azbestu lub nitek polimerowych.

W opisie patentowym US 5 445 095 proponuje się kombinację opisanych technologii: iniekcję polimerów na powierzchnię urzeźbioną równoległymi rowkami; podobne kombinacje pasywnych i aktywnych sposobów redukcji oporów przedstawiono także w opisie patentowym U S 4 932 612.

Proponowano także rozwiązanie określane jako ruchoma ściana („sliding wall”) czyli zastosowanie powłok nieruchomych względem opływającej cieczy natomiast ruchomych względem obiektu pływającego.

Najnowszym i najbardziej efektywnym ze znanych aktywnych sposobów redukcji oporu hydrodynamicznego jest zmniejszenie lub nieomal całkowite wyeliminowanie bezpośredniego kontaktu cieczy i powierzchni elementu przez nią opływanego. Można to uzyskać poprzez oddzielenie tych dwóch faz fazą gazową, na przykład przez wtłaczanie sprężonego powietrza w system listew, kanałów i półek, zabudowany na poszyciu statku, wstrzykiwanie w strefę kontaktu chmury bąbelków gazu lub poprzez wykorzystanie zjawiska superkawitacji. Iniekcja bąbli gazu w strefę styku ciecz-ciało stałe może się odbywać przez porowatą lub przenikalną powierzchnię lub przez system dyskretnych kanalików lub dysz, co w obu wypadkach wymaga systemów rozprowadzania gazu, a w wypadku obiektów podwodnych także jego magazynowania (zgłoszenie patentowe WO 8807956).

Proponowano także wtłaczanie pod dno obiektów pływających spalin silnikowych lub samoczynne zasysanie powietrza porywanego dzięki lepkiemu tarciu przez przepływającą pod dnem wodę, poprzez system odpowiednich dysz (opis patentowy US 5 545 063).

Inne radykalne rozwiązanie zmniejszające opory hydrodynamiczne wykorzystuje tak zwaną wnękę superkawitacyjną, czyli przemieszczające się wraz z obiektem wrzeciono wypełnione parą wodną. Wnęka taka tworzy się samorzutnie wokół ciała przemieszczającego się w ciekłym ośrodku dopiero przy szybkości powyżej 50 metrów na sekundę i wymaga odpowiedniego, przytępionego

PL 204 021 B1 kształtu dzioba. Przy tak znacznej szybkości obiektu niezbędne są bardzo efektywne systemy napędowe, na przykład silnik rakietowy.

Znacznie prościej można wytworzyć trwały, stabilny film gazowy (pasywny „smar”) pomiędzy przemieszczającymi się wzajemnie ciałem stałym i cieczą, nadając powierzchni ciała stałego cechy superhydrofobowości. Superhydrofobowość oznacza, że dana powierzchnia wykazuje kąt zwilżania przez ciecz, na przykład wodę, w granicach 160-180 stopni; w przypadku niezwilżalności przez inne ciecze, na przykład tłuszcze lub oleje mineralne, zjawisko takie określane jest odpowiednio jako lipofobowość. Przykładem materiału zarazem hydro- i lipofobowego jest fluorowy polimer Teflon^®, przeciwne własności ma diament, minerał wybitnie hydrofobowy, a zarazem zwilżalny przez tłuszcze, czyli lipofilny. Warunkiem wystąpienia zjawiska superhydrofobowości jest odpowiednia geometria powierzchni. Względem zupełnie płaskiej powierzchni ciała stałego kąt zwilżania wodą nawet dla najbardziej hydrofobowych substancji nigdy nie przekracza 140 stopni.

Dostępne są na rynku liczne środki do wytwarzania powłok superhydrofobowych, w formie roztworów do nakładania, farb, samoprzylepnych folii, etc. Farby i powłoki tego typu posiadają zdolność samooczyszczania się z osadzających się na nich cząstek, nie ulegają także szronieniu i oblodzeniu. Skrajnie niska zwilżalność tych sztucznych powłok powoduje też utrzymywanie się filmu gazowego na powierzchni ciała umieszczonego w głębi cieczy, bez kontaktu z jej lustrem. Ta własność utrzymywania filmu gazowego pod wodą została wykorzystana do wytwarzania superhydrofobowych powłok przeznaczonych na pokrycia na przykład dna i burt statków lub wnętrza rurociągów, redukujących lepki opór hydrodynamiczny (opis patentowy US 5 476 056). Wyniki redukcji oporu uzyskiwane tą drogą dotyczą jednak ograniczonych parametrów ruchu i wyłącznie płaskiego, ograniczonego bocznymi listwami dna obiektu pływającego. Największa redukcja oporu występuje przy niskich szybkościach i konieczna jest przy tym iniekcja dodatkowych porcji gazu, uzupełniających straty w obrębie nieregularnego filmu gazowego, unoszonego przez ruchomą, nierówną powierzchnię przepływającej względem powłoki cieczy i „zdzieranego” przez turbulencję. Dotychczasowe powłoki superhydrofobowe nie posiadają w pełni kontrolowanej geometrii i są zazwyczaj izotropowe. Wytwarzane są na przykład poprzez krystalizację wosku krzepnącego na powierzchni w formie trójwymiarowych krystalitów lub jako natryskiwane pistoletem powłoki malarskie, zawierające chemicznie hydrofobizowane ziarna krzemionki.

W opisie patentowym US 5 476 056 sugeruje się wytwarzanie takich powł ok o kontrolowanej geometrii, na przykład poprzez proces litografii, sitodruk lub elektroformowanie. W wyniku zastosowania chaotycznej lub regularnej, ale izotropowej geometrii reliefu (zgłoszenie patentowe WO 0050232) powłoki te redukują opory lepkiego przepływu w znacznie mniejszym stopniu niż to teoretycznie możliwe w przypadku stosowania smaru gazowego. Lepkość powietrza jest setki razy niższa niż wody, a lepkość wodoru jeszcze kilkakrotnie niż sza, dlatego opór lepki przepł ywu w kontakcie z filmem gazowym może teoretycznie zmaleć ponad stukrotnie w porównaniu do zanurzonej powierzchni całkowicie zwilżonej. Izotropowa, zazwyczaj chaotyczna i przypadkowa geometria dotychczas stosowanych powłok powoduje, że powierzchnia stykającego się z powłoką menisku cieczy, czyli zewnętrznej, monomolekularnej błonki, sprężystej dzięki zjawisku napięcia powierzchniowego cieczy, nawet bez dodatkowego rozdymania poduszki gazu pokryta jest poprzecznymi do ruchu mikronierównościami, odwzorowującymi negatywowo rzeźbę powłoki. Przemieszczające się względem otaczającej cieczy nierówności „skrobią” więc jej głębsze warstwy, bardziej odległe od powierzchni powłoki. Wywołuje to zjawisko ścinania i unoszenia przypowierzchniowej warstwy cieczy wraz z ruchem sztywnej powłoki, przy czym unoszenie odbywa się względem pozostałej, nieruchomej objętości cieczy, co wywołuje wewnętrzne ścinanie i sprzyja rozwojowi turbulencji. Z kolei nierówności lustra cieczy wypukłe ku powłoce unoszą, zdzierają i niszczą film gazowy.

Proces utraty smaru gazowego przyspieszają fale wiatrowe pojawiające się na jej wiotkim po rozbudowie poduszki gazowej lustrze, rozwijające się pod wpływem szybkich strumieni unoszonego wraz z powłoką gazu; podobnie działają dynamiczne nieregularności filmu gazowego, pogrubionego przez iniekcję dodatkowego powietrza. Opisany system intensywnego napowietrzania przez pojedynczą szczelinę zlokalizowaną w przedniej części poszycia powoduje, że powłoka nadaje się do stosowania jedynie na płaskie dno statku, a nie na jego burty. Pewne fragmenty takiej chaotycznej powłoki z powodu przypadkowych defektów wzoru są zbyt nieregularne aby wystą piło zjawisko superhydrofobowości i takie ciekłe „mostki” łączące ciecz i lokalnie zwilżoną, zdefektowaną powłokę nie tylko podnoszą ogólne opory ruchu, ale mogą zainicjować intensywną turbulencję i wytwarzać chmurę bąbli i co za tym idzie - wywoływać wzmożone niszczenie filmu gazowego.

PL 204 021 B1

Opisano również (Bico J., Marzolin C, & Quere D., 1999. Pearl Drops. Europhys. Lett. 47 (2), pp. 220-226) wytworzone dla celów eksperymentalnych anizotropowe linearne lub liniowe powierzchnie superhydrofobowe uzyskane drogą litografii na powierzchni kryształów krzemu. Badane reliefy ograniczały się do prostego systemu równoległych mikrorowków i mikrożeberek, uzyskany kąt zwilżania niewiele przewyższał 130 stopni i silnie zależał od kierunku pomiaru. Nie proponowano także dotychczas zastosowania tego typu rzeźby dla redukcji oporów hydrodynamicznych.

W opisie patentowym US 5 054 412 ujawniono rozwiązanie będące kombinacją niektórych opisanych powyżej, znanych technologii: system makroskopowych rowków równoległych do kierunku ruchu cieczy, pokrytych hydrofobową powłoką. Rowki stanowiąc zarazem strukturę przeciwdziałającą rozwojowi turbulencji pełnią rolę pułapek utrzymujących i chroniących film gazowy przed wymywaniem. Film jest wytwarzany drogą iniekcji powietrza poprzez system dysz. W rozwiązaniu tym zastosowano makroskopową skalę rowków i ich strukturę jednego rzędu.

Stosowana jest ponadto technologia podwodnych powłok flokowanych „Sealcoat” firmy Creative Coating Corporation. „Sealcoat” jest złożony z warstewki gęsto upakowanych, krótkich, cienkich włókien polimerowych, nakładanych elektrostatycznie wprost na pokryte odpowiednią żywicą dno i burty statku. Taka powłoka, o wyglądzie welwetu lub foczego futra, jest bardzo wytrzymała mechanicznie, a takż e odporna, mimo nietoksycznoś ci, na zasiedlanie przez inkrustują ce organizmy wodne. Nie przewiduje się hydrofobizacji tak wytworzonej powłoki. Struktura włóknistej powłoki „Sealcoat” jest izotropowa i chaotyczna.

Włókniste tekstylne materiały superhydrofobowe są znane, zarówno struktury chaotyczne typu włóknin, jak i tkane. Wszystkie znane struktury powłok, przeznaczonych głównie do celów odzieżowych, nie są jednak przystosowane i przewidziane do redukcji oporu hydrodynamicznego.

Zadanie techniczne wynalazku polega zatem na nadaniu powłoce takiej geometrii, by powierzchnia jej stała się superhydrofobowa, co znaczy, że kąt zwilżania względem wody lub innych cieczy osiągnie prawie kąt półpełny, czyli jej powinowactwo do fazy gazowej radykalnie przewyższy powinowactwo względem cieczy.

Powłoka superhydrofobowa, zoptymalizowana pod względem zdolności redukowania lepkich oporów przepływu cieczy, powinna być stosowalna nie tylko pod dnem statku ale także wzdłuż jego burt lub we wnętrzu rurociągu. Podstawowymi parametrami decydującymi o przydatności tego typu nowej powłoki powinna być mechaniczna i fizykochemiczna trwałość samej powłoki, stabilność i jednolita grubość powstałego filmu gazowego oraz stopień redukcji oporów lepkiego przepływu w porównaniu do całkowicie zwilżonej i płaskiej powierzchni, pozbawionej reliefu.

Przedstawione zadanie techniczne rozwiązano poprzez zaprojektowanie nowej powłoki według wynalazku, o powtarzalnej, trójwymiarowej i anizotropowej geometrii i strukturze.

Dla osiągnięcia znaczącej redukcji oporów niezbędne jest nadanie nowej powłoce ściśle określonej, anizotropowej, fraktalnej geometrii, w szczególności zależnej od przewidywanego kierunku przepływu cieczy. Anizotropia dotyczy geometrii: kierunkowej natury fraktalnych chropowatości, a takż e zróż nicowania zwilż alnoś ci wzglę dem kierunku. Zgodnie z wynalazkiem proponuje się zastosowanie powłok ściśle anizotropowych geometrycznie, to jest liniowo i fraktalnie urzeźbionych, w skali od dziesiątek mikrometrów do pojedynczych nanometrów w kierunku poprzecznym, natomiast maksymalnie, a w skrajnym wypadku niemal molekularnie, gładkich w kierunku ruchu cieczy. Fraktalny wymiar takich liniowych struktur wynika z ich hierarchicznej budowy: od pierwszego rzędu form w postaci rowków i grzbietów, szerokości kilku-kilkudziesięciu mikrometrów, pokrytych z kolei rowkami lub grzbietami o skali setek do dziesiątek nanometrów, po najdrobniejsze rowki i grzbiety o poprzecznym przekroju liczonym w pojedynczych nanometrach. Takie struktury z racji zwilżania tylko samych elewacji kolejnych rzędów hierarchicznych form winny się charakteryzować bardzo małą powierzchnią efektywnego kontaktu ciała stałego i cieczy, nawet poniżej 1% powierzchni powłoki. To rozwiązanie skutkuje radykalną redukcją oporów ruchu w porównaniu z dotychczas znanymi, chaotycznymi czy izotropowymi powłokami superhydrofobowymi. Film gazowy, pełniący rolę smaru w rozwiązaniu według wynalazku, jest cienki i jednakowej grubości wzdłuż kierunku ruchu, co zapobiega formowaniu się fal wiatrowych, a lustro cieczy jest gładkie w kierunku ruchu i napięte, co wynika z jego podziału na wypukłe ku powłoce wydłużone segmenty o bardzo małym promieniu krzywizny, od pojedynczych mikrometrów do nanometrów. Takie gładkie grzbiety, usztywnione przez wysokie dla wody napięcie powierzchniowe, nie pozwalają na deformacje jej lustra i powstawanie niestabilności hydrodynamicznych.

Istota rozwiązania według wynalazku polega zatem na tym, że powłoka ma fraktalną strukturę powierzchni o hierarchicznej budowie, w której formy pierwszego rzędu hierarchicznego usytuowane

PL 204 021 B1 są przy podłożu powłoki, zaś formy każdego kolejnego rzędu hierarchicznego usytuowane są na powierzchniach form poprzedniego rzędu hierarchicznego, przy czym kształty form poszczególnych wyższych rzędów hierarchicznych odwzorowują kształty form niższych rzędów hierarchicznych i w strukturze występują formy co najmniej dwóch hierarchicznych rzędów fraktalnych rowków i grzbietów, a jednocześnie powierzchnia ma geometrię anizotropową, maksymalnie rozwiniętą fraktalnie w kierunku poprzecznym do ruchu cieczy i maksymalnie gładką w kierunku ruchu cieczy oraz ma kanały dla przepływu gazu usytuowane w podłożu powłoki. Rozwiązanie według wynalazku może mieć wiele odmian i kombinacji wskazanych poniż ej.

Powłoka może mieć strukturę monolityczną, w której fraktalne rowki i grzbiety usytuowane są bezpośrednio na powierzchni materiałowej warstwy podłoża. Powłoka monolityczna może mieć podłoże porowate, o połączonych ze sobą porach albo podłoże jednolite, zaopatrzone w układ połączonych ze sobą kanałów.

W rozwinięciu usytuowane na podło żu fraktalne rowki i grzbiety mogą wyznaczać w przekroju powłoki linię „omega”, linię sinusoidalną albo linię łamaną schodkową. W odmianie wynalazku powłoka może mieć strukturę półażurową w której fraktalne rowki i grzbiety usytuowane są we włóknach podpartych na powierzchni materiałowej warstwy podłoża powłoki.

W kolejnej odmianie powłoka może mieć strukturę półażurową, w której fraktalne rowki i grzbiety usytuowane są w wiązkach włókien podpartych na powierzchni materiałowej warstwy podłoża powłoki. W rozwinięciach wymienionych odmian powłoka może mieć włókna podparte na powierzchni materiałowej warstwy podłoża powłoki liniowo albo włókna podparte na powierzchni materiałowej warstwy podłoża powłoki punktowo.

W kolejnej odmianie powłoka może mieć strukturę ażurową , w której fraktalne rowki i grzbiety usytuowane są we włoskach osadzonych nasadami w na powierzchni materiałowej warstwy podłoża powłoki. Włoski mogą być osadzone dwoma końcami w powierzchni materiałowej warstwy podłoża powłoki wyznaczając pętelki. Włoski mogą mieć elastyczne wstawki. Włoski mogą mieć strukturę warstwy tkanej. Warstwa tkana może mieć splot równoległy.

Zasadnicza korzyść wynikająca z zastosowania wynalazku polega na radykalnym obniżeniu lepkich oporów ruchu w porównaniu z dotychczas znanymi i stosowanymi systemami redukcji tego oporu. Wynalazek może być stosowany wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z wzajemnym przemieszczaniem się powierzchni ciała stałego i cieczy i gdzie istotne jest zmniejszenie oporów tego ruchu dla uzyskania wyższych szybkości i/lub zmniejszenia nakładów energetycznych. Dodatkowo opisane powłoki superhydrofobowe zapobiegają zjawiskom kawitacji i powstawaniu biogenicznych narostów i drążeń na obiektach zanurzonych w wodzie, co wydłuży trwałość ich użytkowania.

Rozwiązanie według wynalazku objaśnione jest w przykładach wykonania na załączonych rysunkach, na których poszczególne figury przedstawiają powłoki w proporcjach i wymiarach orientacyjnych i długościach boku około 100 mikrometrów:

figura 1 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki monolitycznej w przykładowym wykonaniu z przekrojem typu omega, z litym podłożem mikrokanalikowym i szczeliną powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, figura 2 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki monolitycznej w przykładowym wykonaniu z przekrojem typu omega, z mikroporowatym podłożem i szczeliną powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, figura 3 - powiększony szczegół A, przedstawiony na fig. 1 i fig. 2, obrazujący pojedynczy grzbiet stanowiący element powierzchni powłoki, złożony z szeregu elementarnych rowków i grzbietów o submikronowym przekroju, powtarzający w mniejszej skali ten sam hierarchiczny wzór, figura 4 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki półażurowej w przykładowym wykonaniu z litym podłożem mikrokanalikowym i szczeliną powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, figura 5 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki półażurowej w przykładowym wykonaniu z mikroporowatym podłożem i szczeliną powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, figura 6 - powiększony szczegół pojedynczego elementu B1 wyznaczającego zewnętrzną powierzchnię powłoki półażurowej lub ażurowej w wersji fraktalnej o gwiaździstym przekroju, powtarzającego w mniejszej skali ten sam hierarchiczny wzór, figura 7 - powiększony przekrój pojedynczego elementu B2 wyznaczającego zewnętrzną powierzchnię powłoki półażurowej lub ażurowej w wersji fraktalnej złożonej z szeregu elementarnych włókien o gwiaździstym przekroju z submikronowymi „promieniami”, spojonych z walcowym rdzeniem, powtarzających w mniejszej skali ten sam hierarchiczny wzór,

PL 204 021 B1 figura 8 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki, z hybrydowym, lamelarnym, pakietowym podłożem mikrokanalikowym skomponowanym z dwóch materiałów, odpowiadających rzeźbie rowków i grzbietów o przekroju słupkowym i ze szczeliną powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, figura 9 - powiększony szczegół C przedstawiony na fig. 8, obrazujący pojedynczy prostokątny w przekroju grzbiet, wyznaczają cy powierzchnię liniowego wystę pu na powł oce, zł oż ony z szeregu elementarnych grzbietów, powtarzający w mniejszej skali ten sam hierarchiczny wzór, figura 10 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki ażurowej w przykładowym wykonaniu z równoległymi włóknami lub wiązkami spojonych włókien związanych punktowymi podporami z litym podł o ż em mikrokanalikowym zaopatrzonym w szczelinę powietrzną mię dzy warstwą spodnią a podłożową, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7, figura 11 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki ażurowej w przykładowym wykonaniu z równoległymi włóknami lub wiązkami spojonych włókien związanych punktowymi elementami podporowo-dystansowymi z mikroporowatym podłożem zaopatrzonym w szczelinę powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7, figura 12 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki ażurowej zbudowanej z wiązek równoległych gwiaździstych w przekroju włókien lub spojonych wiązek włókien związanych ciągłymi elementami podporowo-dystansowymi, z litym podłożem zaopatrzonym w szczelinę powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7, figura 13 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki ażurowej zbudowanej z wiązek równoległych gwiaździstych w przekroju włókien lub spojonych wiązek włókien związanych ciągłymi poprzecznymi elementami podporowo-dystansowymi, z mikroporowatym podłożem zaopatrzonym w szczelinę powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7, figura 14 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki ażurowej z zewnętrzną pokrywą włosków z równoległych, gwiaździstych w przekroju włókien lub spojonych wiązek włókien związanych punktowo z mikrokanalikowym, litym podłożem zaopatrzonym w szczelinę powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7, figura 15 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki ażurowej z zewnętrzną pokrywą włosków z równoległych, gwiaździstych w przekroju włókien lub spojonych wiązek włókien związanych punktowo z mikroporowatym podłożem zaopatrzonym w szczelinę powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7, figura 16 - pojedynczy włosek wykonany z włókna prostego lub fraktalnie złożonej wiązki włókien, spojony punktowo z podłożem powłoki, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7, figura 17 - pojedynczy włosek innej odmiany, wiotki w płaszczyźnie równoległej do powłoki, ustawiający się zawsze równolegle do lokalnej linii strumienia cieczy, spojony punktowo z podłożem powłoki, figura 18 - pojedynczy włosek w widoku perspektywicznym przekroju I-I oznaczonego na fig. 17, figura 19 - pojedynczy włosek w widoku perspektywicznym przekroju II-II oznaczonego na fig. 17, figura 20 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki ażurowej z zewnętrzną pokrywą pętelek z włosków, z mikrokanalikowym litym podłożem zaopatrzonym w szczelinę powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7, figura 21 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki ażurowej z zewnętrzną warstwą pętelek z włosków, z mikroporowatym podłożem zaopatrzonym w szczelinę powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7, figura 22 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki ażurowej z zewnętrzną warstwą włosków w postaci tkanych pętelek, z mikrokanalikowym litym podłożem zaopatrzonym w szczelinę powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7 oraz szczegółami D1, D2, D3 zaznaczonymi na fig. 24,

PL 204 021 B1 figura 23 - wycinek fraktalnej, liniowej anizotropowej powłoki ażurowej z zewnętrzną warstwą włosków w postaci tkanych pętelek, z mikroporowatym podłożem zaopatrzonym w szczelinę powietrzną między warstwą spodnią a podłożową, z zaznaczonym alternatywnym szczegółem B1 albo B2 przedstawionym na fig. 6 i fig. 7 oraz szczegółami D1, D2, D3 zaznaczonymi na fig. 24, figura 24 - typy splotów żakardowych, zaznaczone na fig. 22 i fig. 23, figura 25 - blokdiagram przedstawiający złożoną morfologię i dynamikę powierzchni (lustra) wody pod poduszką gazową, figura 26 - blokdiagram przedstawiający ustaloną, anizotropową, statyczną w czasie morfologię powierzchni (lustra) wody nad filmem gazowym utrzymującym się nad anizotropową liniową powłoką monolityczną wykonaną według wynalazku.

Powłoka według wynalazku może być wykonana w wersji monolitycznej, półażurowej lub ażurowej.

Powłoki monolityczne wykonane są w całości z masywnego lub porowatego ale spojonego w jedną bryłę materiału. Na zewnętrznej powierzchni materiałowej warstwy 1 wykonane są fraktalne rowki 2 i grzbiety 3, w przekroju tworzące linię omega (jak w przykładzie przedstawionym na fig. 1 do 5), regularny zygzak, głęboką sinusoidę lub prostokątne słupki (jak w przykładzie przedstawionym na fig. 8). Elewacje tych form pierwszego rzędu, o rozstępach nie przekraczających 30 mikrometrów, są pokryte rowkami 22 i grzbietami 33 o podobnych w kształcie przekrojach, tyle że znacznie mniejszych rozmiarów, o skali setek do dziesiątek nanometrów, a te z kolei następnym rzędem najdrobniejszych, liniowych form, o skali pojedynczych nanometrów, nie zaznaczonych już na rysunku. Materiałowa warstwa 1 połączona jest kanałami 4 ze szczeliną 5 usytuowaną nad podłożem 6.

Powłoki monolityczne są najbardziej odpowiednie do stosowania w środowisku szczególnie narażonym na uszkodzenia mechaniczne. Najbardziej odpowiednie w takich warunkach są powłoki mające zdolność samonaprawy. Takie monolityczne powłoki wykonane według wynalazku będą złożone ze stosów cienkich warstw materiału (laminatów) zorientowanych prostopadle do powierzchni powłoki. Stos o fraktalnym, hierarchicznym rytmie zmian grubości, na przykład z lamin materiału na przemian odpornego i mniej odpornego na ścieranie lub różnie rozpuszczalnego przez wybrane substancje, przedstawiony jest na fig. 8. Jest on złożony w przekroju z hierarchicznego układu prostokątnych słupków, składającego się z grzbietów 9 pierwszego rzędu i usytuowanych na nich grzbietów 99 drugiego rzędu, powtarzających w zmniejszonej skali ich kształt. Naprawa polega na zeszlifowaniu i wypolerowaniu miejsca uszkodzenia a następnie abrazji za pomocą piaskowania lub poddawania działaniu fal ultradźwiękowych po pokryciu zawiesiną drobnoziarnistego ścierniwa lub nadtrawienia odpowiednim odczynnikiem. W wyniku selektywnej abrazji materiału precyzyjna rzeźba, w szczegółach o skali nanometrów, zostanie odtworzona samoistnie.

Powłoki półażurowe, stanowiące pasma ściśle równoległych pojedynczych włókien 7 o gwiaździstym przekroju lub wiązek 8 włókien 7 związanych z rdzeniem, w wersji fraktalnej powtarzających ten sam hierarchiczny wzór, są spojone z materiałową warstwą 1 na całej długości (fig. 4, 5).

W odmianach wykonania przedstawionych na fig. 10, 11, 12 i 13 powłoka wykonana jest z pasm równoległych pojedynczych włókien 7 o gwiaździstym przekroju lub wiązek 8 włókien związanych z rdzeniem, spojonych z materiałową warstwą 1 za pośrednictwem punktowych podpór 10 lub ciągłych poprzecznych podpór 11.

Najbardziej efektywne w redukowaniu oporu są powłoki ażurowe. Powłoki te są pokryte równoległymi do siebie i do podłoża włoskami 12 w formie pojedynczych włókien 7 o gwiaździstym przekroju lub fraktalnych wiązek 8 spojonych z włókien tego typu, o okrągłym rdzeniu, o wydłużeniu ok. 1/20, najlepiej grubszych u podstawy, w miejscu spojenia z materiałową warstwą 1 i na małym odcinku prostopadłych do niego (fig. 14 i 15).

Taki element, przypominający elastyczną płozę, stosunkowo najmniej deformuje lustro cieczy w kierunku poprzecznym do ruchu. Najkorzystniej z punktu widzenia hydrodynamicznego, choć najtrudniej technologicznie, jest wykonać włoski 12' cieniejące na długości, z rzeźbą w formie rowków i grzbietów o jednolitym odstępie, konsekwentnie równoległych do siebie w płaszczyznach prostopadłych do podłoża, mimo zmniejszania średnicy włoska 12' (fig. 19). Taka geometria zapobiega „zgniataniu” linii prądu, zadławieniu przepływu i rozwojowi turbulencji jaka zachodziłaby w zwężających się ku końcowi włoska 12' wraz z jego średnicą kanalikach cieczy wnikającej w rowki. Przyczepione na przykład za pomocą elektrostatycznego flokowania do podłoża jednym końcem włoski 12, 12' mogą być rozmieszczone dosyć gęsto, w dystansie kilkunastu mikrometrów ale nie powinny się stykać.

PL 204 021 B1

W szczególności moż liwe jest wykonanie tym sposobem powłok dostosowujących kierunek swojej anizotropii, a więc i kierunek najmniejszego oporu, do zmieniającego się kierunku przepływu cieczy. Istnieje więc sposób wytworzenia powłok uniwersalnych, „poddających” się strugom poprzecznym do osi pojazdu wodnego, do zastosowania w warunkach bardzo burzliwych przepływów, na sztormowych wodach lub na górskich rzekach. Można uzyskać taki efekt na przykład poprzez radykalne zmniejszenie sztywności odcinka przegięcia powyżej nasady każdego włoska 12, 12'; wskazane jest wykonanie tego fragmentu (odcinka włókna) jako ciągłej geometrycznie, choć reologicznie niejednolitej wewnętrznie struktury, złożonej z szeregu cienkich, wiotkich wstawek 13 wykonanych z elastycznego elastomeru, na przemian z segmentami ze sztywniejszego materiału, z którego wykonana jest reszta włoska 12, 12'. Taka segmentacja zapewnia pełną elastyczność przegubu, ale tylko w pewnym przedziale kątowym (fig. 16). Przy takim wykonaniu każdy włosek 12, 12' będzie się ustawiał zawsze zgodnie z lokalną linią strugi.

Włoski 12, 12' mogą być także przymocowane do podłoża dwoma końcami, w formie naprężonych wstępnie pętelek 14 (fig. 20 i 21), z tym że to rozwiązanie, podobnie jak wersja monolityczna i półażurową, jest przystosowane do przepływu cieczy ściśle w jednym kierunku.

Wykonanie to może mieć także formę warstwy tkanej 15 (fig. 22 i 23). W przeciwieństwie do klasycznych splotów żakardowych wykonywanych zazwyczaj z pasm chaotycznie sfalowanych i skręconych włókien lub skręcanych nici, proponowana warstwa tkana 15 będzie wykonana z pojedynczych mikro włókien elementarnych lub złożonych (fig. 24), przeszywających podłoże: gęstą tkaninę, włókninę lub folię w formie systemu splotów równoległych. Dla uniknięcia złożenia z szeregu sąsiadujących elementarnych splotów poprzecznych grzbietów, wytwarzających odpowiednie „negatywowe” rowki na lustrze wody, poprzeczne do ruchu i zwiększające opory, korzystnie jest tkać taki splot z przypadkowym lub systematycznym przesunięciem względem siebie owych elementarnych, jednakowych, równoległych pętelek, jak w odmianie splotu satynowego, splotu ukośnego lub też splotu w „jodełkę”.

Przewiduje się dwie podstawowe wersje wykonania materiałowej warstwy 1, możliwe alternatywnie do zastosowania we wszystkich opisanych systemach monolitycznych, półażurowych i ażurowych.

W pierwszym wykonaniu przewiduje się zaopatrzenie płyty podłożowej w system kanałów 4, wywierconych w regularnych odstępach lub rozmieszczonych chaotycznie (fig. 1,4, 8, 10, 12, 14, 20, 22).

W drugim wykonaniu warstwę i stanowi płyta z materiału porowatego, o skomunikowanych porach, rozmiarów mikrometrycznych, o powierzchni odsłoniętej lub dodatkowo pokrytej hydrofobową membraną nieprzepuszczalną dla cieczy, natomiast doskonale przepuszczalną dla gazów, na przykład typu GoreTex^® (fig. 2, 5, 11, 13, 15, 21, 23).

Po stronie materiałowej do warstwy i przymocowana jest druga, cieńsza płyta 6 za pomocą elementów łącznikowo-dystansowych: bolców, kolumienek, nitów etc. Przestrzeń pomiędzy obiema płytami stanowi szczelinę 5 dla systemu rozprowadzania dodatkowego gazu, w pewnych sytuacjach niezbędnego do prawidłowego funkcjonowania zanurzonej powłoki superhydrofobowej, choć w zasadzie w warunkach stacjonarnych film gazowy może powstać i utrzymywać się samorzutnie, poprzez odgazowanie i odparowanie cieczy otaczającej ekstremalnie hydrofobową powłokę.

Dostarczany opisanym systemem szczelin 5 i kanałów 4 na powierzchnię podłoża powłoki gaz: sprężone powietrze lub wodór, o bardzo małej lepkości, konieczny dla niektórych ekstremalnych zastosowań, równoważy parcie hydrostatyczne wywierane przez ciecz otaczającą zanurzony obiekt. Rosnące w miarę zanurzania obiektu parcie spręża i tym samym pocienia film gazowy. Dostarczany gaz kompensuje tę zmniejszającą się objętość, ponadto uzupełnia straty filmu gazowego rozpraszanego, rozpuszczanego w otaczającej go cieczy i zdzieranego w czasie ruchu.

Właściwy dobór materiału na powłoki ma istotne znaczenie dla jej trwałości i zależy od przewidywanego środowiska eksploatacji. Dla rurociągu transportującego czystą pozbawioną zawiesin wodę własności mechaniczne materiału nie są kluczowe, istotna jest tylko jego odporność na korozję, dlatego optymalne będą w tym przypadku polimery. Dla statków nawodnych i podwodnych bardziej odpowiednie będą materiały ceramiczne, szkła, stal nierdzewna, stopy odporne na wodę morską tytan lub wybrane polimery. Z kolei dla małych obiektów pływających: kajaka, deski surfingowej czy małego jachtu wytrzymałość powłoki na uderzenia, ocieranie o dno, inne pływające przedmioty i zwierzęta, żwir lub piasek na plaży, ścieranie przez luźny materiał zawieszony w wodzie, wymagają zastosowania na powłoki materiałów o ekstremalnych właściwościach mechanicznych jak diament, diamentopodobny grafit, węglik krzemu, korund, kompozyty lub materiałów elastycznych, ale wybitnie odpornych na ścieranie, jak niektóre elastomery. Możliwe jest także, jak już wspomniano, dobranie materiału

PL 204 021 B1 i zaprojektowanie wewnę trznej, lamelarnej struktury powłoki tak, aby wykazywała ona zdolność samoodtwarzania mimo ścierania wierzchnich warstw.

Dobór optymalnego środka hydrofobizującego powierzchnię powłoki zależy od wielu czynników, ale przede wszystkim od środowiska eksploatacji i fizykochemicznej kompatybilności wobec materiału z którego wykonano daną powłokę. Dla rurociągów transportujących czystą wodę całą powłokę można wykonać na przykład z Teflonu^®, miękkiego fluorowego polimeru o silnie hydrofobowych własnościach lub z jego pochodnych. Podobnie diament lub węglik krzemu to substancje naturalnie hydrofobowe. W przypadku stosowania innych materia ł ów na podł o ż e powł oki mamy do dyspozycji liczne substancje nieorganiczne, a przede wszystkim silany lub fluorowane polimery takie jak trófluorometyl i pochodne, rozpuszczalne w wodzie lub rozpuszczalnikach organicznych i tworzące po odparowaniu rozpuszczalnika cienką równomierną błonkę, ewentualnie fluorowe żywice chemoutwardzalne lub termoutwardzalne. Pewne ich formuły są stosowane do nadawania niezwilżalności szkłom, materiałom ceramicznym i pochodzenia mineralnego, inne przeznaczone są dla polimerów lub powierzchni metalowych. Syntetyczne i naturalne woski, najwcześniej stosowane między innymi do wodoodpornej impregnacji tkanin, są substancjami bardzo miękkimi i nieodpornymi na ścieranie, ale w pewnych przypadkach mogą także znaleźć zastosowanie do superhydrofobizacji mniej narażonych mechanicznie elementów.

Należy się liczyć z degradacją nakładanej, chemicznej warstewki hydrofobowej w trakcie jej długotrwałej eksploatacji, np. poprzez ścieranie, rozkład chemiczny, fotochemiczny a także pokrycie brudem, substancjami ropopochodnymi, wodnymi organizmami inkrustującymi i osadami, mimo że powłoka superhydrofobowa ma naturalną zdolność samooczyszczania. Powłoka musi być w tym wypadku starannie oczyszczona ze starych warstw środka hydrofobowego i osadów, na przykład poprzez zmycie wysokociśnieniową strugą rozpuszczalnika lub roztworu środka powierzchniowo czynnego, po czym ponownie równomiernie pokryta odpowiednią substancją.

Blokdiagram (fig. 25) przedstawia złożoną morfologię i dynamikę powierzchni (lustra) wody pod poduszką gazową. Poduszka w tradycyjnej technologii jest wytwarzana przez wtłaczanie powietrza między izotropową fraktalną powłokę superhydrofobowa (tu przedstawiono ją dla przejrzystości szkicu jako przezroczystą) a otaczającą powłokę ciecz.

Istotne elementy zostały oznaczone symbolami:

Q - rozwijający się bąbel gazu,

R - bą bel całkowicie otoczony cieczą ,

S - wir turbulentny rozwijają cy się w wodzie,

T - wir turbulencyjny rozwijający się w gazie,

U - zwrot wzajemnego przemieszczania się powł oki i otaczającej cieczy,

V - napływ powierza podawanego przez szczelinę (zlokalizowaną poza rysunkiem),

W - powierzchnia ciekłego mostka łączą cego zdefektowaną lub lokalnie uszkodzoną powłokę z otaczają c ą cieczą .

Blokdiagram (fig. 26) przedstawia ustaloną anizotropową, statyczną w czasie morfologię powierzchni (lustra) wody nad filmem gazowym utrzymującym się nad anizotropową liniową powłoką monolityczną wykonaną według wynalazku. Cienki i gładki w kierunku ruchu film gazowy powstaje samorzutnie w wyniku skrajnej hydrofobowości anizotropowej fraktalnej powłoki. Lustro wody oznaczono jako M, film gazowy jako P.

Claims

1. Powłoka superhydrofobowa służąca jako podłoże smaru gazowego o bardzo niskiej lepkości, redukującego tarcie powierzchniowe przepływu cieczy, mająca rozbudowaną trójwymiarową powierzchnię zaopatrzoną we wklęsłe i wypukłe formy usytuowane równolegle względem siebie w kierunku ruchu cieczy, znamienna tym, że ma fraktalną strukturę powierzchni o hierarchicznej budowie, w której formy pierwszego rzędu hierarchicznego usytuowane są przy podłożu (6) powłok,i zaś formy każdego kolejnego rzędu hierarchicznego usytuowane są na powierzchniach form poprzedniego rzędu hierarchicznego przy czym kształty form poszczególnych wyższych rzędów hierarchicznych odwzorowują kształty form niższych rzędów hierarchicznych i w strukturze występują formy co najmniej dwóch hierarchicznych rzędów fraktalnych rowków (2), (22) i grzbietów (3), (33), (99) przy czym jednocześnie powierzchnia ma geometrię anizotropową, maksymalnie rozwiniętą fraktalnie w kierunku

PL 204 021 B1 poprzecznym do ruchu cieczy i maksymalnie gładką w kierunku ruchu cieczy oraz ma kanały dla przepływu gazu usytuowane w podłożu powłoki.

2. Powłoka według zastrz. 1, znamienna tym, że fraktalne rowki (2), (22) i grzbiety (3), (33) usytuowane są bezpośrednio na powierzchni materiałowej warstwy (1) podłoża (6), stanowiąc wraz z nią strukturę monolityczną.

3. Powłoka według zastrz. 2, znamienna tym, że ma podłoże (6) porowate, o połączonych ze sobą porach.

4. Powłoka według zastrz. 2, znamienna tym, że ma podłoże (6) jednolite, zaopatrzone w układ połączonych ze sobą kanałów (4).

5. Powłoka według zastrz. 3 albo 4, znamienna tym, że usytuowane na podłożu (6) fraktalne rowki (2), (22) i grzbiety (3), (33) wyznaczają w przekroju powłoki linię „omega”.

6. Powłoka według zastrz. 3 albo 4, znamienna tym, że usytuowane na podłożu (6) fraktalne rowki (2), (22) i grzbiety (3), (33) wyznaczają w przekroju powłoki linię sinusoidalną.

7. Powłoka według zastrz. 3 albo 4, znamienna tym, że usytuowane na podłożu (6) fraktalne rowki (2), (22) i grzbiety (9), (99) wyznaczają w przekroju powłoki linię łamaną schodkową.

8. Powłoka według zastrz. 1, znamienna tym, że fraktalne rowki (2), (22) i grzbiety usytuowane są we włóknach (7) podpartych na powierzchni materiałowej warstwy (1) podłoża (6), stanowiąc wraz z nią strukturę półażurową.

9. Powłoka według zastrz. 1, znamienna tym, że fraktalne rowki (2), (22) i grzbiety usytuowane są w wiązkach (8) włókien (7) podpartych na powierzchni materiałowej warstwy (1) podłoża (6), stanowiąc wraz z nią strukturę półażurową.

10. Powłoka według zastrz. 8 albo 9, znamienna tym, że włókna (7) podparte są na powierzchni materiałowej warstwy (1) podłoża (6) powłoki liniowo.

11. Powłoka według zastrz. 8 albo 9, znamienna tym, że włókna (7) podparte są na powierzchni materiałowej warstwy (1) podłoża (6) powłoki punktowo.

12. Powłoka według zastrz. 1, znamienna tym, że fraktalne rowki (2), (22) i grzbiety (3), (33) usytuowane są we włoskach (12), (12') osadzonych nasadami w powierzchni materiałowej warstwy (1) podłoża (6), stanowiąc wraz z nią strukturę ażurową.

13. Powłoka według zastrz. 12, znamienna tym, że włoski (12), (12') osadzone są dwoma końcami w powierzchni materiałowej warstwy (1) podłoża (6) wyznaczając pętelki (14).

14. Powłoka według zastrz. 12, znamienna tym, że włoski (12), (12') mają elastyczne wstawki (13).

15. Powłoka według zastrz. 12, znamienna tym, że włoski (12), (12') mają strukturę warstwy tkanej (15).

16. Powłoka według zastrz. 15, znamienna tym, że warstwa tkana (15) ma splot równoległy.