No 21 June 2021 |p 14 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC TÂN TRÀO ISSN 2354 1431 http //tckh daihoctantrao edu vn/ ANTI ICING SURFACE USING SLIPS CONCEPT (SLIPPERY LIQUID INFUSED POROUS SURFACES) Nguyen Thi[.]
No.21_June 2021 |p.14-21 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC TÂN TRÀO ISSN: 2354 - 1431 http://tckh.daihoctantrao.edu.vn/ ANTI-ICING SURFACE USING SLIPS CONCEPT (SLIPPERY LIQUID-INFUSED POROUS SURFACES) Nguyen Thi Minh Thuy1, Sung Thi Mai1, Dam Thi Thanh Mai1, Souphaphone Sonemany1, Bui Thi Trang1, Nguyen Thanh Binh1,* Thai Nguyen University of Education, Vietnam * Email address: binhnt@tnue.edu.vn https://doi.org/10.51453/2354-1431/2021/505 Article info Abstract: In this study, we aim to present a method to manufacture the anti-icing surfaces Recieved: 6/4/2021 Accepted: 3/5/2021 Keywords: Anti-icing, lubricant, nanostructure, SLIPs on polymer thin films based on a combination of porous nanostructures with lubricating compounds (SLIPs) The porous nanostructures on the aluminum surface after wet etching are combined with a lubricant compound with low surface tension to create a slippery surface for anti-icing purposes The performance will be investigated by measuring the adhesion force per unit area between the ice and the surface Survey results illustrated the advantages of SLIPs surface compared to non-functionalized surfaces, demonstrating the superiority of new surface morphology, stability, high reusability, manufacturing orientation anti-freeze surface in the indirect direction No.21_June 2021 |p.14-21 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC TÂN TRÀO ISSN: 2354 - 1431 http://tckh.daihoctantrao.edu.vn/ CHỐNG ĐÓNG BĂNG TRÊN CÁC BỀ MẶT SỬ DỤNG KHÁI NIỆM SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous surfaces) Nguyễn Thị Minh Thủy1, Sùng Thị Mai1, Đàm Thị Thanh Mai1, Souphaphone Sonemany1, Bùi Thị Trang1, Nguyễn Thanh Bình1,* Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, Việt Nam * Địa email: binhnt@tnue.edu.vn https://doi.org/10.51453/2354-1431/2021/505 Thơng tin viết Tóm tắt Trong nghiên cứu chúng tơi trình bày phương pháp chế tạo bề Ngày nhận bài: mặt chống đóng băng polymer, dựa kết hợp cấu trúc nano 6/4/2021 Ngày duyệt đăng: xốp với hợp chất bôi trơn (SLIPs) Các cấu trúc nano xốp bề mặt Nhơm sau q trình ăn mịn ướt kết hợp với hợp chất bôi trơn có sức căng bề 3/5/2021 mặt thấp để tạo nên bề mặt trơn trượt với mục đích chống đóng băng Hiệu bề mặt khảo sát thông qua đo đạc lực liên kết Chống đóng băng, chất bơi đơn vị diện tích tinh thể băng bề mặt Kết khảo sát cho thấy vượt trội bề mặt SLIPs so với bề mặt chưa chức hóa, chứng minh trơn, cấu trúc nano, SLIPs ưu việt hình thái bề mặt mới, ổn định, tính tái sử dụng cao, định Từ khóa: hướng chế tạo bề mặt chống đóng băng theo hướng gián tiếp Giới thiệu Chống đóng băng trở thành chống đóng băng gián tiếp phân chia làm ba chủ đề mới, thu hút nhiều ý nhà hướng chính: băng hình thành bề mặt từ khoa học tính cấp thiết Khái niệm anti- trận mưa siêu lạnh (impinging droplets) icing đề cập đến việc bề mặt phịng băng hình thành từ q trình ngưng tụ (water chống đóng băng bề mặt, băng có condensation) 5–7; băng hình thành từ giọt hình thành loại bỏ dễ dàng Quá nước tĩnh (static condition)4,8–12 Trường hợp thứ trình chống đóng băng chia làm hai hướng tương ứng với việc băng hình thành bề tiếp cận chính: trực tiếp gián tiếp Chống đóng mặt, cách tiếp cận kéo dài thời gian hóa rắn băng trực tiếp (de-icing) sử dụng phương chúng giảm thiểu liên kết tinh thể bề pháp học, nhiệt học, chất lỏng,… để loại bỏ mặt 10–12 1–4 ; băng đóng bề mặt, chống đóng Có nhiều phương pháp để chế tạo bề mặt băng gián tiếp (anti-icing) sử dụng phương chống đóng băng, bề mặt khơng dính ướt pháp lý hóa can thiệp vào bề mặt để khiến cho băng (hydrophobic) nhiều nhóm nghiên cứu tin khơng thể hình thành bề mặt, tưởng giải pháp chống đóng băng tiềm trường hợp xấu băng hình thành tính chất đặc biệt như: góc tiếp xúc chúng loại bỏ cách dễ dàng Hiện nay, lớn ( > 150o), góc trượt nhỏ13 Các phương pháp N.T.M.Thuy et al/ No.21_Jun 2021|p.14-21 chế tạo cấu trúc micro/nano kể đến như: ăn Quy trình chế tạo thiết lập đo đạc mịn khơ (dry etching), ăn mịn ướt (wet etching), Hình mơ tả q trình chế tạo mẫu chúng sơn phủ bề mặt 7,14–16 … với mục đích tạo độ tơi để đạt mẫu có độ dính ướt mong nhám nhỏ tốt Các cấu trúc micro/nano muốn Các mẫu chức hóa phương sau bao phủ lớp hợp chất hóa pháp khắc ướt kết hợp với sơn phủ hợp chất hóa học kị nước (hydrophobic compounds) để đạt học kị nước FOTS (Fluoroorthotriclorosilane)15 bề mặt khơng dính ướt Đầu tiên, nhơm (kích thước cm x cm) Tuy nhiên gần có số nghiên cứu bày súc rửa acetone, Iso- tỏ lo ngại hiệu chống đóng băng bề propanol, Ethanol (mỗi trình 10 phút x lần) mặt siêu khơng dính ướt điều kiện độ ẩm cao 17,18 rửa lại nước (10 phút x lần) Quá Lấy cảm hứng từ bắt muỗi Nepenthes 19, bề mặt trình khắc ướt bắt đầu cách nhúng xốp kết hợp chất bôi trơn (SLIPs) gần thu nhôm vào hỗn hợp dung dịch acid hút nhiều ý tin tưởng trở Clohidric (HCl) pha lỗng với nước tinh khiết Thí thành giải pháp chống đóng băng đại nghiệm đặt đế gia nhiệt nhiệt độ 200oC 20–23 Ý tưởng kết hợp vịng 15 phút Sau hồn tất, mẫu súc bề mặt chất lỏng trơn tru khơng có khiếm khuyết rửa lại với nước (10 phút x lần) làm với tính chất kị nước, tự tái tạo hoạt khơ khí Nitro Hình ảnh SEM bề mặt động tốt điều kiện độ ẩm cao Các chất lỏng sau khắc ướt, cho thấy cấu trúc nano hình tới bề mặt nâng lên cao cô lập khỏi thành ngẫu nhiên bề mặt Sau tạo độ nhám, cấu trúc nano bên thân chất bôi trơn mẫu Nhôm đưa vào sơn phủ hợp chất không sáng tạo không tan nước, từ đảm bảo liên kết lỏng lẻo bề mặt với tinh thể băng hình thành 6,11,24,25 Một bề mặt SLIPs hình thành dựa kết hợp cấu trúc xốp với chất bơi trơn có sức căng bề mặt thấp không tan nước dễ dàng sơn phủ bề mặt nhám Có nhiều phương pháp để tạo nên cấu trúc xốp micro/nano như: quang khắc26, sơn phủ hạt nano27 ăn mịn khơ/ ăn mịn ướt11,24 Một số loại chất bơi trơn thông dụng sử dụng như: dầu Silicon, FC – 70, Kerosene, Krytox với tính chất hóa lý khác 11,25 Trong nghiên cứu này, trình bày nghiên cứu trình chế tạo khảo sát khả chống đóng băng theo hướng gián tiếp sử dụng chất bơi trơn có sức căng bề mặt thấp dính ướt để đạt tới trạng thái Superhydrophobic (mẫu S.Phobic) FOTS hợp chất có mạch cacbon dài với đầu Cacbon liên kết chặt chẽ với ngun tử nhơm, đầu cịn lại SCl3 không ưa nước Các mẫu với độ dính ướt khác Superhydrophilic (mẫu S.Philic), Hydrophilic, Hydrophobic chế tạo cách cho phơi sáng ánh sáng UVO (Ultra Violet Ozone) để tạo lập liên kết O-H bề mặt Bề mặt SLIPs chế tạo cách quay phủ (spin coating) Một lượng vừa đủ Krytox (Sigma Aldrich, Co., Ltd, Đức) nhỏ lên bề mặt S.Phobic trải qua 03 trình quay phủ, 50 vòng/phút 10 giây, 500 vòng/ phút 30 giây, giảm tốc 50 vòng/ phút 10 giây kết hợp với cấu trúc nano xốp Hiệu chống Tất mẫu đo đạc độ dính ướt đóng băng khảo sát dựa tiêu chí lực phép đo góc tiếp xúc với 10 vị trí khác liên kết bề mặt thể tích băng (adhesive lấy trung bình Các phép đo góc tiếp xúc strength) thời gian hóa rắn Kết so kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron sánh với mẫu chưa xử lý cho thấy vượt Microscopy – SEM) thực phịng thí trội thơng số khảo sát, khẳng định ưu việt nghiệm cảm hứng thiên nhiên, Viện nghiên cứu hiệu ứng SLIPS vai trò quan trọng việc máy vật liệu Hàn Quốc, Daejeon, Hàn Quốc xử lý bề mặt Đây nghiên cứu có tính tiếp Phép đo góc tiếp xúc phương nối kết nhóm nghiên cứu đạt được, đề pháp điển hình để kiểm tra dính ướt xuất phương pháp chế tạo bề mặt chức cặp bề mặt chất rắn – chất lỏng mặt phân mới, kinh tế tính tái sử dụng cao cách pha rắn – lỏng – khí N.T.M.Thuy et al/ No.21_Jun 2021|p.14-21 Hình Mơ q trình tạo bề mặt SLIPs (a) góc tiếp xúc tương ứng với trình (b) Lực liên kết thể tích băng bề mặt chức đo đạc Load-cell 12,28–31 nhàng với thể tích băng, đẩy với tốc độ Một thể tích chậm (50 um/s) đến thể tích băng hồn tồn bị nước (10 ul) đặt nhẹ nhàng bề mặt mẫu Ở mẫu đế làm lạnh giữ nhiệt độ tách khỏi bề mặt Các kết đo từ Load-cell ghi nhận phần mềm máy tính -10oC với mục đích hóa rắn thể tích nước trước đo lực liên kết Một sensor lực (Load-Cell) được vẽ dạng biểu đồ tăng dần với đỉnh ứng với lực liên kết bề mặt thể tích băng kết nối với điều khiển để đến tiếp xúc nhẹ Hình Cấu trúc nano với độ phóng đại khác chế tạo Nhơm sau q trình khắc ướt N.T.M.Thuy et al/ No.21_Jun 2021|p.14-21 Kết thảo luận kết hợp với cấu trúc nano việc giảm thiểu lực Hình cho thấy lực liên kết thể tích băng bề mặt chức với điều liên kết Sự giảm thiểu giải thích khơng hịa tan nước chất bôi trơn, kiện khác Bằng cách nâng cao góc tiếp xúc, chúng tơi giảm thiểu lực liên kết bề dẫn đến việc giọt nước “nâng” lên khỏi bề mặt cách xa cấu trúc nano từ mặt với khối băng Góc tiếp xúc lớn, lực liên kết nhỏ Đó lí mà bề mặt tiếp xúc hóa rắn hồn tồn Kết diện tích tiếp xúc có lớn (góc tiếp xúc 115 khơng dính ướt (superhydrophobic) lựa độ) trơn trượt ngăn cách với bề chọn cho mục tiêu chống đóng băng gián tiếp mặt nên giảm thiểu bám dính, móc neo vào cấu trúc nano dẫn đến lực liên kết nhỏ Nói Tuy vậy, nghiên cứu gần cho thấy độ bền mẫu khơng dính ướt khơng tốt, đặc biệt điều kiện ẩm ướt Chính thế, chúng tơi khảo sát mẫu SLIPs đem so sánh với mẫu với điều kiện khác Kết cho thấy lực liên kết mẫu SLIPs giảm đáng kể so sánh với mẫu chưa chức hóa Lực liên kết đo 65±15 kPa, tương ứng với ~300% nhỏ so với mẫu khơng dính ướt, 500% nhỏ mẫu Phobic, 800% so với mẫu nhôm nguyên Điều cho thấy ưu việt bề mặt trơn trượt để thấy kể bề mặt khơng dính ướt S.Phobic thâm nhập nước vào không gian cấu trúc khơng thể tránh khỏi, thể tích nước tồn hóa rắn, cuối trở thành “mỏ neo” bám dính chặt vào cấu trúc bề mặt, gây khó khăn cho việc loại bỏ Bề mặt có độ dính ướt cao, nước dễ dàng len lỏi vào không gian cấu trúc Đó lí mà S.Philic lại cho ta kết lực liên kết cao nhất, giảm dần tăng độ dính ướt Hình Tương quan lực liên kết, góc tiếp xúc với mẫu tương ứng Sự xuất lớp chất bôi trơn để ngăn trở việc tiếp xúc tinh thể băng cấu nhiệt độ phòng) truyền xuống đế làm lạnh (-10oC) lâu thời gian đạt đến 0oC để hóa rắn trúc nano, mà cịn có đóng góp lớn vào việc kìm hãm nhiệt truyền từ thể tích nước tới bề mặt lâu Kết khảo sát trình bày hình làm lạnh Chất bơi trơn với hệ số truyền nhiệt bảng thống kê số Dễ dàng nhận thấy thời gian nhỏ đóng vai trị lớp ngăn cách nhiệt Tất nhiên, nhiệt lượng giọt nước (đang hóa rắn thuộc bề mặt S.Philic Với góc N.T.M.Thuy et al/ No.21_Jun 2021|p.14-21 tiếp xúc cỡ 15o, diện tích tiếp xúc lớn, sen Điều dễ dàng giải thích trì 20 giây từ bắt đầu thí nghiệm diện tích tiếp xúc nhỏ, dẫn đến nhiệt lượng trao bắt đầu hóa rắn Khi độ dính ướt tăng lên, thời gian đổi đơn vị thời gian nhỏ Điều thú hóa rắn gia tăng với tốc độ khác vị tìm thấy mẫu SLIPs mà thời gian hóa mẫu tương ứng Đơn kể bề mặt nguyên Nhơm rắn xấp xỉ với mẫu S.Phobic cho dù diện tích o với góc tiếp xúc 48 kìm hãm 55 giây, tiếp xúc lớn nhiều lần (xấp xỉ với mẫu Phobic) tương đương 275% so với mẫu S.Philic Thời gian Kết thêm lần nhấn mạnh vai trò tiếp tục tăng chậm khoảng Philic Phobic, lớp chất bơi trơn việc kìm hãm nhiệt lượng đột ngột tăng nhanh mẫu đạt đến trạng thái trao đổi đế làm lạnh giọt nước S.Phobic – mẫu khơng dính ướt điển hình tìm thấy Hình Tương quan thời gian hóa rắn mẫu tương ứng Bảng Thống kê kết nghiên cứu Tên mẫu Góc tiếp xúc Lực liên kết Thời gian hóa rắn (Độ) (kPa) (s) Al 48 468 55 S.Philic 15 940 20 Philic 70 440 65 Phobic 110 300 79 S.Phobic 150 165 260 SLIPs 115 65 252 N.T.M.Thuy et al/ No.21_Jun 2021|p.14-21 Xét cách toàn diện, mẫu SLIPs cho thấy Thermal Conductivity of Airframe Substrate on the ưu phương diện: lực liên kết thời gian hóa rắn so sánh với mẫu thí nghiệm khác Dynamic Ice Accretion Process Pertinent to UAS Điều giải thích kết hợp cấu trúc nano với chất bôi trơn, khơng hịa tan (2019) nước với chất bôi trơn, hệ số truyền nhiệt nhỏ chất bơi trơn Vì thế, việc kiểm sốt lượng chất nsfer.2018.11.132 bôi trơn bề mặt tối ưu hóa kết hợp với kích thước bề mặt vấn đề đáng lưu tâm nghiên cứu Inflight Icing Phenomena Int J Heat Mass Transf 131: 1184–1195 https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstra [4] Sarshar, M A., Swarctz, C., Hunter, S., Simpson, J., Choi, C.-H Effects of Contact Angle Hysteresis on Ice Adhesion and Growth on Superhydrophobic Surfaces under Dynamic Flow Kết luận Conditions Colloid Polym Sci (2013) 291 (2): 427– Trong nghiên cứu này, trình bày 435 https://doi.org/10.1007/s00396-012-2753-4 trình chế tạo khảo sát hiệu chống đóng băng bề mặt SLIPs với tiêu chí như: lực liên kết, thời gian hóa băng Kết khảo sát so sánh với bề mặt tham khảo cho thấy ưu SLIPs so với bề mặt khác tất tiêu chí kể trên, khẳng định quan trọng việc kết hợp cấu trúc nano với hợp chất bôi trơn Nghiên cứu đề [5] Hao, Q., Pang, Y., Zhao, Y., Zhang, J., Feng, J., Yao, S Mechanism of Delayed Frost Growth on Superhydrophobic Surfaces with Jumping Condensates: Langmuir More Than (2014) 30 Interdrop (51): Freezing 15416–15422 https://doi.org/10.1021/la504166x [6] Wang, N., Xiong, D., Pan, S., Wang, K., xuất cách thức chế tạo bề mặt mơ sinh học với chức chống đóng băng đơn giản, nhanh Shi, Y., Deng, Y Robust Superhydrophobic Coating chóng chế tạo Nhơm định hướng ứng dụng and the Anti-Icing Properties of Its Lubricants- tạo tiền đề cho nghiên cứu tiếp nối Infused-Composite Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) Y., H An Experimental over an Ice Accreting Airfoil Surface Int J Heat (2018) 122: Bu, X., Lin, G., Shen, X., Hu, Z., Wen, D Numerical Simulation of Aircraft Thermal Anti-Icing System Based on a Tight-Coupling Method Int J Mass Transf (20): 8253–8257 https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.201 2.05.032 [8] Farhadi, S., Farzaneh, M., Kulinich, S A Anti-Icing nsfer.2018.02.023 Heat Zhang, Y., Yu, X., Wu, H., Wu, J Facile 707–718 https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstra [2] [7] Delayed-Icing Effects Appl Surf Sci (2012) 258 Hu, Investigation on the Unsteady Heat Transfer Process Transf https://doi.org/10.1039/C6NJ02824A Aluminum Foils with Controlled-Condensation and REFERENCES Mass Condensing Fabrication of Superhydrophobic Nanostructures on đề tài mã số 103.02-2019.333 Liu, under Condition New J Chem (2017) 41 (4): 1846–1853 Lời cảm ơn [1] Surface (2020) 148, 119061 Performance of Superhydrophobic Surfaces Appl Surf Sci (2011) 257 (14): 6264–6269 https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.201 1.02.057 [9] Kulinich, S A., Farzaneh, M On Ice- https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstra Releasing nsfer.2019.119061 Coatings Cold Reg Sci Technol (2011) 65 (1): 60– [3] Li, L., Liu, Y., Zhang, Z., Hu, H Effects of Properties of Rough Hydrophobic 64.https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.coldregi ons.2010.01.001 ... ISSN: 2354 - 1431 http://tckh.daihoctantrao.edu.vn/ CHỐNG ĐÓNG BĂNG TRÊN CÁC BỀ MẶT SỬ DỤNG KHÁI NIỆM SLIPS (Slippery Liquid- Infused Porous surfaces) Nguyễn Thị Minh Thủy1, Sùng Thị Mai1, Đàm... bề 3/5/2021 mặt thấp để tạo nên bề mặt trơn trượt với mục đích chống đóng băng Hiệu bề mặt khảo sát thông qua đo đạc lực liên kết Chống đóng băng, chất bơi đơn vị diện tích tinh thể băng bề mặt. .. trội bề mặt SLIPs so với bề mặt chưa chức hóa, chứng minh trơn, cấu trúc nano, SLIPs ưu việt hình thái bề mặt mới, ổn định, tính tái sử dụng cao, định Từ khóa: hướng chế tạo bề mặt chống đóng băng