Anti-freeze Beschichtungen für Rotorblätter von Windkraftanlagen Erfahrungen mit klassischen Beschichtungen und Entwicklungsmöglichkeiten

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1 Anti-freeze Beschichtungen für Rotorblätter von Windkraftanlagen Erfahrungen mit klassischen Beschichtungen und Entwicklungsmöglichkeiten Tagung Eis & Fels am 22. Juni 2007 Prof. Dr. artina Hirayama, Dr. Konstantin egmann Polymere aterialien Institute of aterials and Process Engineering (IPE)

2 Konzepte zur Reduktion, Verzögerung oder Vermeidung von Eisbildung Thermisch durch den Einbau von Heizsystemen Deformation der berfläche Gefrierschutzmittel Beschichtungen Kombination von Beschichtungen mit Heizsystemen Kombination von Beschichtungen mit Gefrierschutzmitteln Kombination von Beschichtungen mit der Deformation der berfläche

3 Erfahrungen mit klassischen Beschichtungen Ziel Reduktion der Adhäsion von Eis auf berflächen Reduktion der Eisbildung auf berflächen Beständigkeit entsprechend Anforderungsprofil Beschichtungen Hydrophobe Beschichtungen Superhydrophobe Beschichtungen Eis-phobe Beschichtungen Bisherige Ergebnisse Keine bisher untersuchte Beschichtung kann die Eisbildung oder Eishaftung genügend reduzieren

4 Neue Beschichtungen - Eigenschaften Gewünschte Eigenschaften neuer Beschichtungen: Reduktion, Verzögerung oder Vermeidung der Kondensation von Wasser auf der berfläche Bildung von Eis auf der berfläche Reduktion der Haftung von Eis auf der berfläche Beständigkeit entsprechend Anforderungsprofil Abrasionsfestigkeit UV-Stabilität Temperaturstabilität Haftung

5 Neue Beschichtungen - Entwicklung Bessere Kenntnis von bisher untersuchten Beschichtungen Systematische Untersuchung der Einflüsse von hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften funktionellen Gruppen ikro- und Nanostrukturen Einfluss der Rauigkeit Einfluss des Lotus-Effekts Entwicklung von synthetischen Beschichtungen mit gefrierpunktserniedrigenden Eigenschaften analog zu Anti-freeze Proteinen in der Natur

6 Neue Beschichtungen - Prüfung Laborprüfung Windkanal ikroskopaufnahme von Eiskristallen auf Glas Rotorblatt mit Eisansatz an der Profilvorderkannte [DEWI agazin Nr. 10, 1997]

7 F&E im Bereich Nanotechnik im Labor für Polymere aterialien am IPE Nanobeschichtungen Sol-Gel Beschichtungen (Schichten > 0.5 μm, Nanopartikel) onomolekulare Beschichtungen (Schichten 1 10 nm) Polymere Nanobeschichtungen Selbst-organisierende onoschichten Nanostrukturierte berflächen Nanoverbundwerkstoffe Anorganische Nanopartikel als Füllstoffe, z.b. 2 oder Ti 2 Nanotone als Füllstoffe Aerogele

8 Nanobeschichtungen Hauptvorteile Verbesserte Abrasions- und Kratzfestigkeit Verbesserte Barriereeigenschaften Verbesserte Antihaft- oder Hafteigenschaften Antistatische Eigenschaften Anti-Beschlagseigenschaften Antimikrobielle Eigenschaften UV-Filter Eigenschaften Leicht zu Reinigen Erkennen von olekülen für Sensoranwendungen

9 Polymere Nanobeschichtungen Adsorption aus Lösung berfläche Photoinduziertes Aufpolymerisieren PI PI UV-Strahlung berfläche berfläche

10 Selbst-organisierende onoschichten Endgruppe Kette (-(CH 2 ) n -) X X X X berflächen-aktive Kopfgruppe berfläche X X X X X X X

11 Sol-Gel Beschichtungen (R) 4 + R'(R) 3 Katalysator H 2 Hydrolyse Kondensation organisch modifiziertes Sol 1. Beschichtung auf ein Substrat 2. Trocknung Xerogel Beschichtung Beispiele für R und R': R= ethyl, Ethyl R'= C n H n+1, C 6 F 13 CH 2 CH 2 R' R' R' R' R' R' s u r f a c e

12 Anwendungen Polymere Nanobeschichtungen als Haftvermittler Haftvermittlung zu likonkautschuk: C H 3 CH 3 H CH3 n m CH 3 CH 3 C H 3 H H H CH H 3 CH H H 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH3 H 3 C + + berfläche Katalysator CH 2 CH 3 HC CH3 p q CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C CH 3 CH 3 CH 2 CH CH 3 2 CH 3 H 3 C CH CH 3 3 CH H 3 C 3 H 3 C H 2 C H 3 C CH 3 CH H 3 2 C CH 3 CH 2 H H 2 C CH H 3 CH H CH 3 CH 3 3 CH 3 CH 3 CH H 3 3 C berfläche

13 Haftvermittlung mit Poly(hydromethylsiloxan) (PHS): likonkautschuk auf Aluminium ohne Beschichtung likonkautschuk auf Aluminium beschichtet mit PHS

14 Hydrophobe polymere Nanobeschichtung ohne Beschichtung beschichtet mit hydrid terminiertem Poly(dimethylsiloxan) (PDS) CH 3 CH 3 H n H CH 3 CH 3

15 Antimikrobielle Nanobeschichtungen Antimikrobieller Effekt auf der berfläche (Staphylococcus aureus (gram positiv)) Antimikrobielle delivery Beschichtung Antimikrobielle non-delivery Referenz ohne Beschichtung Beschichtung

16 Antimikrobieller Effekt in der überstehenden Lösung (E. coli (gram negativ)) Antimikrobielle delivery Beschichtung Antimikrobielle nondelivery Beschichtung Referenz ohne Beschichtung

17 Antikalk Beschichtung odifikationen von Calciumcarbonat Calcit Vaterit Aragonit

18 beschichtetes Glas unbeschichtetes Glas

19 Abrasions- und kratzfeste Beschichtungen contact angle h 1 h 2 h 3 h 4 h 5 h 6 h 7 h 8 h 9 h time abrasion corundum without NP 10% NP 30% NP PET without coating

20 Nanostrukturierte berflächen Hauptvorteile Superhydrophobe berflächen Superhydrophile berflächen Verbesserte Anti-Beschlagseigenschaften Verbesserte antimikrobielle Eigenschaften Verbessertes Reinigungsverhalten Verbesserte Antihafteigenschaften

21 Lotusblatt Doppelstruktur: ikrostruktur ideal mm Nanostruktur ideal 200nm - 5 mm

22 Superhydrophobe Sol-Gel Beschichtung ohne Beschichtung: Kontaktwinkel 104 mit Xerogel-Beschichtung: Kontaktwinkel 153

23 Polymere Nanoverbundwerkstoffe Hauptvorteile Verbesserte Barriereeigenschaften Verbesserte mechanische Eigenschaften Höhere Temperaturstabilität Verminderte thermische Ausdehnung oder -Kontraktion Verminderte Entzündbarkeit Antistatische Eigenschaften Antimikrobielle Eigenschaften

24 Schichtsilikate als Nanofüllstoffe + Schichtsilikat Polymer Separierte Phasen (icrocomposite) Interkalation (Nanocomposite) Exfoliation (Nanocomposite)

25 Anorganische Partikel, z.b. 2 oder Ti 2 als Nanofüllstoffe Polymermatrix berflächenmodifizierung Dispersion im Polymer Nanocomposite H H e 3 Cl e 3 e 3 2 -HCl 2 H H e 3 e 3

26 Infrastruktur Allgemeine Laboranalytik: FTIR (inklusive Golden-Gate-Technik und Datenbanken), NR (DPX-300), Gaschromatographie, HPLC, UV/VIS ptimierung von Polymersynthesen: Reaktionskalorimeter RC1 und computergesteuerter Laborreaktor Labax mit ReactIR-Sonde Polymeranalytik: Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermomechanische Analyse (TA), Thermogravimetrische Analyse (TGA), Gelpermeationschromatographie (GPC), olekulargewichtsbestimmung (Lichtstreuung DLS und SLS), Pyknometer, elt Flow Indexer (PI), Rheometer, Zugprüfmaschine mit Temperierkammer Polymerverarbeitung: Walzwerk, Presse, Extruder, ikro-compounder (7 ml), diverse ühlen berflächenmodifizierungen: Hochvakuumsbedampfungsanlage (PVD), Plasmavorbehandlung, Coronavorbehandlung, Spincoating, Wirbelsintern berflächencharakterisierungen: Tropfenkonturanalysesystem für essung von Kontaktwinkel und berflächenspannung, Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), FTIR mit CT Detektor und Reflexionseinheit bei streifendem Einfall (80 ), Tensiometer, Profilometer, Rasterelektronenmikroskop (RE), diverse ikroskope, Kammer für diverse Korrosionstests gemäss DIN-Normen Partikelcharakterisierungen: Partikelgrösse (2nm-3μm), Zetapotenzial, Stabilitätsbestimmung (analytische Photozentrifuge) embranprozesse: ikrofiltration, Ultrafiltration, Kurz- und Langzeit-Pervaporation

27 Kontakt Prof. Dr. artina Hirayama Leiterin Institute of aterials and Process Engineering T F martina.hirayama@zhwin.ch Sekretariat yriam Gallati T F myriam.gallati@zhwin.ch Postadresse: Postfach 805 CH-8401 Winterthur

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