05.04.2022 - University of Illinois at Chicago

Wissenschaftler entwickeln umweltfreundliche, frostsichere Beschichtungen

Eine länger anhaltende Alternative zu herkömmlichen Enteisungsmitteln

Auf Flughäfen herrscht Hochbetrieb, vor allem im Winter. Während die Passagiere darauf warten, an Bord zu gehen, werden die Verspätungen länger, weil die Flugzeuge mit Tausenden von Litern Enteisungsflüssigkeit beträufelt werden müssen, die ihnen hilft, den eisigen Winter zu überstehen. Doch sobald das Flugzeug abhebt, ist der Großteil der Flüssigkeit von der Oberfläche des Flugzeugs verschwunden und verschmutzt Süßwasserflüsse und Seen.

Sushant Anand, UIC-Assistenzprofessor für Maschinenbau, und Rukmava Chatterjee, ein UIC-Doktorand, haben in dem Bestreben, ein effizienteres, eisresistentes Produkt für diese anspruchsvollen Industrien und Verbraucher herzustellen, eine länger haltbare Alternative zu herkömmlichen Enteisungsmitteln entwickelt. Sie sagen, dass auch andere Branchen davon profitieren könnten.

"Wir haben die Lebensdauer der Kälteschutzmittel in Frage gestellt und nach neuen Wegen gesucht, um ihre Wirksamkeit zu erhöhen", so Anand. "Glykole lösen sich sehr schnell im Wasser auf und werden weggespült, bevor das Flugzeug abhebt, und das ist ein ernstes Problem, das Hunderte von Millionen Dollar kostet - das meiste davon landet buchstäblich im Abfluss. Wir dachten uns, warum nicht diese Chemikalien selbst verbessern und Alternativen herstellen, die länger halten und gleichzeitig biologisch verträglicher sind. Und das ist es, was wir letztendlich getan haben.

Um ihr Ziel zu erreichen, entwickelten die Forscher eine umfangreiche Familie von mehr als 80 Gefrierschutzbeschichtungen, die als polymere Lösungen, Emulsionen, Cremes und Gele klassifiziert werden können. Die Formulierungen lassen sich leicht auf Aluminium, Stahl, Kupfer, Glas, Kunststoff oder jede andere industrielle Oberfläche auftragen, ohne dass eine Vorkonditionierung oder teure Oberflächenbehandlung erforderlich ist.

"Unsere Beschichtungen sind ein All-in-One-Paket, das die Bildung von Frost für längere Zeit verzögern und gleichzeitig bewirken kann, dass sich auf der Oberfläche gebildetes Eis durch eine leichte Brise oder einfaches Kippen des Substrats leicht ablöst", so Chatterjee.

Über ihre Arbeit wird in einem Artikel von Advanced Materials mit dem Titel "A family of frost-resistant and icephobic coatings" berichtet.

Bei den Beschichtungen handelt es sich um eine Familie von auf Phasenwechselmaterialien basierenden Formulierungen und multifunktionalen Beschichtungen, mit denen die Haftung von festen Verschmutzungen auf funktionalen Oberflächen - von Eis bis hin zu Bakterien - unabhängig von ihrer Materialstruktur und Chemie maßgeschneidert werden kann. Dies wurde durch die Regulierung der Auslaugung von Chemikalien aus dem Materialsystem und durch die Schaffung einer schmierenden Oberflächenschicht erreicht, die sowohl gleitfähig als auch nicht gefrierend ist.

Die Frostschutzgele sind außerdem transparent, was für Anwendungen wie Verkehrssignale, Landebahnbeleuchtungen, die Piloten bei der Landung helfen, Autoscheiben oder Gebäudefenster entscheidend ist.

"Stellen Sie sich vor, Sie beschichten Ihre Smartwatch mit unserem Gel, das die Eisbildung in den kalten Minusgraden verhindert und gleichzeitig jegliche bakterielle Kontamination verhindert", so Chatterjee.

"Da unsere Anti-Eis-Sprays biofreundlich und antibakteriell sind, sehen wir sogar die Möglichkeit, sie in der Landwirtschaft einzusetzen, um zu verhindern, dass die Ernte durch strengen Frost zerstört wird", sagte Anand. "Aber das ist ein Hirngespinst, und wir müssen weitere Studien durchführen, um zu sehen, ob es irgendwelche langfristigen negativen Auswirkungen auf die Pflanzen gibt."

Eine weltweite Patentanmeldung mit dem Titel "Compositions and Methods for Inhibiting Ice Formation on Surfaces" (Zusammensetzungen und Methoden zur Verhinderung von Eisbildung auf Oberflächen) wurde vom Büro für Technologiemanagement der UIC eingereicht.

"Diese Materialien haben ein großes Potenzial für viele Anwendungen, und ich denke, der Tag, an dem unsere Materialien kommerziell erhältlich sind, rückt näher", so Anand.

Hassan Bararnia und Umesh Chaudhuri, Mitglieder der Anand-Forschungsgruppe, arbeiteten bei den Experimenten mit Chatterjee zusammen.

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