Examensarbete
Metoder att förhindra nedisning av
vindkraftverksblad
Tina Olsson
2010-11-24
Ämne: Fysik
Nivå: C
Kurskod: FY3004
Metoder att förhindra nedisning av vindkraftverksblad
Tina Olsson
Nanovetenskap med inriktning fysik 180 hp
Högskolan i Kalmar
Examensarbete i fysik 15 hp (2009)
Handledare:
Alf Månsson, Professor of Physiology
School of Pure and Applied
Natural Sciences
University of Kalmar
SE-391 82 Kalmar
Examinator:
Carlo Maria Canali
Division of Physics
School of Pure and Applied
Natural Sciences
University of Kalmar
SE-391 82 Kalmar
ABSTRACT
Many wind turbines have problems with icing and there is still no effective method to de-ice
without stoppage of production and power loss. Here I therefore consider other methods than
those available today, and particularly, I consider how these methods could be applied to wind
turbines of the company Oxel. A surface where the water droplets do not attach might be the
basis for a useful method. If no water attaches, no ice could form. To accomplish this a
hydrophobic surface is nessesary, for example wax. My work is therefore mostly about
superhydrofobic surfaces, since the production of totally frictionless surfaces is not yet a
possibility. There are different ways to create the so called Lotus effect with
2
superhydrophobicity on a surface. One way is to start with a material with low surface energy
and create micro and nanostructures upon it to make it “rough”. Another way is to take an
already rough surface and modify it with a low surface energy material. The outer layer on
Oxel´s wind turbines are made of lexanplastic. To find out how the surface looks like atomic
force microscopy has been used, we also made measurements of the contact angle on the
plastic. Through these examinations we have come to the conclusion that lexanplastic has
similar topography as glass, the plastic is also hydrophobic but not superhydrofobic. Many of
these methods are still probably too expensive to be able to apply to the wind turbines.
SAMMANFATTNING
Många vindkraftverk har problem med nedisning. Det finns ännu ingen effektiv metod att
avisa dem utan driftstopp och effektförluster. Syftet med det här arbetet är därför att finna
andra metoder än de som finns idag. Dessa metoder ska sedan tillämpas på företaget Oxels
vindkraftverk. En yta på vindkraftbladen där vattendropparna inte fäster är en idé som skulle
kunna fungera. Om inget vatten fäster kan det heller inte bildas is. Till detta behövs en
hydrofob yta som tex vax. Jag har därför fokuserat på superhydrofoba ytor, då helt
friktionsfria ytor ännu inte är en möjlighet. Att skapa den så kallade Lotuseffekten på en yta
kan göras på olika sätt. Ett sätt är att börja med en yta med låg ytenergi och sedan bilda mikro
och nanostrukturer på ytan för att göra den ”grov”. Ett annat är att ta en redan grov yta och
modifiera den med ett material med låg ytenergi. Det yttersta skiktet på Oxels
vindkraftverksblad är gjort av Lexanplast. För att ta reda på hur ytan ser ut har vi använt oss
av atomkraftsmikroskopi, vi har även gjort kontaktvinkelmätningar på plasten. Genom dessa
undersökningar kom vi fram till att lexanplasten och glas har en liknande topografi,
lexanplasten är även hydrofobt men inte superhydrofobt. Många av metoderna är antagligen
fortfarande för dyra för att kunna tillämpas på de aktuella vindkraftverken.
3
INNEHÅLL
ABSTRACT................................................................................................................................2
SAMMANFATTNING...............................................................................................................3
INTRODUKTION......................................................................................................................5
BAKGRUND..............................................................................................................................6
Isbildning................................................................................................................................6
Metoder att studera ytegenskaper...........................................................................................7
Atomkraftsmikroskop.............................................................................................................7
Ytspänning..............................................................................................................................9
Ytspänning mellan fast fas och vätskefas.........................................................................10
Surfaktant..........................................................................................................................10
Kontaktvinkel........................................................................................................................11
Lotuseffekten........................................................................................................................13
...................................................................................................................................................15
Vax........................................................................................................................................15
MATERIAL OCH METODER................................................................................................16
Atomkraftsmikroskop...........................................................................................................16
Kontakvinkel.........................................................................................................................16
RESULTAT OCH DISKUSSION ...........................................................................................16
SLUTSATS...............................................................................................................................19
4
INTRODUKTION
År 2008 stod vindkraftverken för 43 % av all ny elproduktion inom EU [1]. Elproduktionen
från vindkraftverk inom Sverige ökade för andra året i rad med ca 40 %. Detta innebar att
vindkraften var uppe i 2 TWh i årsproduktion [2].
För att reglera effekten vrids vindkraftverken för att med hjälp av ett styrsystem
följa vindriktningen. När det blåser för mycket måste verken stängas ner [3]. Ett stort problem
är att när det är kallt och fuktigt i luften bildas det lätt is på bladen. Detta gör att vingens
egenskaper ändras, och effekten kan inte regleras, vilket i sin tur kan medföra att generatorn
överbelastas och bränns sönder [4]. Ett annat problem uppstår om isen skulle lossna. Det kan
då flyga iväg stora stycken av is, vilket kan orsaka stora skador på närliggande byggnader
eller personer som befinner sig i närheten.
Problemet med nedisning kan lösas genom att lägga värmeslingor i bladen för
att smälta den is som bildats. Verkets egen produktion (ca 3-5 %) går till uppvärmningen [3].
Det används även varmluftskanaler, där varm luft pumpas genom kanaler i bladen.
Varmluften blåses genom det blad som pekar nedåt. Denna teknik är den enda som
serietillverkats och kostar ca 200 000 kronor per vindkraftverk att installera. Systemet klarar
att ta bort lättare till måttlig isbildning enligt vindkraftsbolaget Enercon [5]. Thermawing
tillhör kategorin bladvärmesystem. Gemensamt för dessa system är att ström leds längs nästan
hela bladet och längs framkanten. Då kan en kolfibermatta, vilken är elektriskt ledande,
användas. När en temperaturgivare och isdetektor ger signal aktiveras strömmen. Den här
typen av ledande kolfibermattor finns i dag i drift på ett 20-tal vindkraftverk från Siemens
Wind i storlekar från 225 kW till 1 MW, varav två i Sverige (Suorva och Rodovålen).
Mekanisk avisning används ibland på flygplan. Då används en rörlig framkant eller
elektromagnetisk puls för att isen att lossna. Denna metod är dyr och komplicerad. Det går
även att använda mikrovågor som absorberas av en yta och med hjälp av induktion bildas en
ström som smälter isen. En annan intressant möjlighet är att det med hjälp av ytbehandling
kan skapas en yta som är vattenavvisande. Förhoppningen är att vattendropparna ska rinna av
utan att de fryser [5]. Denna metod som övervägs här, skiljer sig från de
avisningsanläggningar som kräver att vindkraftverken står stilla under avisningen, med
resulterande förlust i elproduktionen.
Företaget Oxel tillverkar småskaliga vindkraftverk med vertikala vingar som tex
sommarstugeägare ska kunna använda för egen elförsörjning. Mitt arbete går ut på att
5
undersöka möjligheten att framställa en fungerande vattenavvisande yta, som skulle kunna
vara användbar för vindkraftverk av denna typ.
BAKGRUND
Isbildning
Dagens vindkraftverk med vertikala blad kan bli uppemot 150 meter höga och kan då nå de
lägre molnen där det underkylda regnet kan orsaka isbildning på rotorbladen [6]. Underkyld
nederbörd behöver inte vara en förutsättning för isbildning. Vattenånga kan kondensera och
övergå direkt till iskristaller [7]. Detta kan ske då varm luft befinner sig ovanför en kallare
dito. I gränsskiktet kyls den varmare fuktiga luften och faller då ner i form av is. Det kan även
ske på tex en flygplansvinge med nedkylt bränsle som är kallare än omgivningen.
Snöblandat regn som fastnar på kallare strukturer eller lägger sig på horisontella
ytor kan också orsaka svår nedisning om temperaturen sjunker innan det snöblandade regnet
hinner smälta eller blåsa undan.
Dimfrost bildas i huvudsak i moln, vilket är ett stort problem för fjällbaserade
vindkraftverk i Finland [7]. I långsamt stigande terräng hinner molnbasen anpassa sin höjd,
men i finska lågfjällsområden hinner den inte anpassa sig, och medelhöjden på molnen ligger
då ofta under bergstopparna. Det resulterar i att de vindkraftverk som står på toppen ofta
befinner sig i moln. Vid minusgrader bildas då dimfrost och längst ut på det roterande bladet
bildas klaris. Klaris bildas även vid underkyld nederbörd eller dimma som innehåller relativt
stora underkylda vattendroppar. Om klarisen lägger sig som en hinna runt vingens profil
kommer inte profilegenskaperna att ändras drastiskt. Fenomenet kan dock orsaka försenad
effektreglering som i sin tur kan orsaka skador på generatorn och växellådan. Om det bildas
klaris eller dimfrost beror på temperatur, droppstorlek och relativ vindhastighet. Klaris har en
densitet mellan 0,7 och 0,9 g/cm3, och dimfrosten har nästan lika hög densitet (upp till 0.8
g/cm3).
Nedisning har observerats på vindkraftverk i Finland vid strax över 0˚C, och i
Kanada ner till -30˚C. Underkylda vattendroppar kan i vissa moln förekomma vid så låga
temperaturer som -40°C [7]. I Sverige finns inte någon motsvarande statistik eftersom
SMHI:s meterologiska mätstationer inte har någon givare för nedisning.
När luftens vattenånga kondenserar vid låg eller ingen vindhastighet bildas ett
tunt lager med vita iskristaller, frost. Frosten kan störa strömningen över vindturbinbladen och
6
på så vis minska effekten. Strömningen kan även bli turbulent vilket medför ändrar ljudbild.
Det behövs inget avisningssystem eftersom frosten sublimerar relativt fort [7].
Metoder att studera ytegenskaper
För att studera ytegenskaperna hos olika material kan man använda sig av ett antal olika
metoder. Vill man studera ytstrukturen kan tex en av de olika svepande probe mikroskopierna
(SPM) användas. Med ett SPM kan man bla få en bild av topografin, ledningsförmågan och
ytans friktion. För att studera ytans hydrofobicitet är kontaktvikelmätningar ett bra
hjälpmedel. För att ta reda på hur vattenavvisande en yta är kan kombinationen av AFM och
kontaktvinkelmätningar användas.
Atomkraftsmikroskop
SPM (scanning probe microscopy) är ett samlingsnamn för alla typer av svepande probe
mikroskopier. Dessa tekniker används bland annat för att studera ytstrukturer på mikro och
nanonivå. Ett exempel på ett SPM är ett atomkraftsmikroskop (AFM) som mäter kraften
mellan ytan och en fin spets eller probe.
I ett AFM sitter spetsen, med radie på ett par nanometer [8], fast på en arm
(cantilever) och sveps över en provyta (Figur 1). Cantilevern består oftast av kisel eller en
förening mellan kisel och kväve (Si3N4) [8] och är fäst vid en piezoelektrisk kristall
(”scanner”), som kan röra provet i x-,y- och z-riktningen. När spetsen förs nära provet
kommer kraften mellan atomerna på spetsen och atomerna i provet, enligt Hookes lag, leda
till att cantilevern böjs. För att mäta böjningen används en laser som lyser på cantilevern som
då reflekterar ljuset till en fotodetektor. För att uppnå god kraft-känslighet, alltså för att kunna
mäta låga interaktionskrafter är det optimalt med en mjuk cantilever.. Emellertid innebär detta
svårigheter med låg resonansfrekvens och risk för påverkan av omgivningsfrekvenser kring
100 Hz [9]. I detta brusminimeringsavseende är det därför optimalt med en styv cantilever
med hög resonasfrekvens. Resonansfrekvensen f 0 ges av f0=(1/2π)(k/m0)1/2 där k är
fjäderkonstanten och m0 är den effektiva massan på cantilevern. Detta problem har man löst
genom att när man minskar fjäderkonstanten, minskas även den effektiva massan för att hålla
förhållandet k/m0 stort. Genom ett feedback system regleras spetsens tryck mot ytan, så att
kraften hålls liten och konstant [9]. Skulle istället höjden på spetsen vara konstant finns det
risk att spetsen krockar med ytan. Ett feedback system skickar vidare signalerna till en dator
som registrerar ändringarna i topografin. Där registreras ändringarna på cantileverns position i
höjdled. När spetsen förs över ytan kommer den att följa konturen (jmf figur 2).
7
Registreringen av alla förändringar i höjdled, som krävs för att konstant kraft ska bibehållas
mellan spets och yta, ligger sedan till grund för skapandet av en bild av topografin. Om
hastigheten, med vilken spetsen sveper över ytan, och spetsens tryck mot ytan optimeras kan
artefakterna i bilden minimeras.
Spets
Kontur
Prov
Figur 1. Schematisk bild över ett AFM från
force
microscopy
(part
- laboration
Figur Atomic
2. Spetsen
kommer
att följa
den1)röda
manual
by ger
Martina
Joakim Lindahl, and
konturen,
vilket
bildenBalaz,
av topografin.
Alf Månsson
Ett atomkraftsmikroskop kan användas på olika sätt: statiskt läge och dynamiskt läge. I det
statiska läget används böjningen av cantilevern som feedback-signal. För att öka signalen
används ofta en cantilever med låg hårdhet. Nära ytan på provet är de attraktiva krafterna
starka vilket kan resultera i att cantilevern böjs varvid spetsen träffar ytan, med så kallad
”snap in” effekt [8]. Därför utförs nästan alltid avbildning i det statiska läget med spetsen i
direkt kontakt med ytan från början. Här är den totala kraften mellan spets och yta repulsiv.
Denna teknik kallas därför ofta för ”contact mode”. I contact mode hålls böjningen av
cantilevern konstant, vilket leder till att kraften mellan spetsen och provet även hållas
konstant, under den tid som skanningen utförs.
I det dynamiska läget oscillerar cantilevern med en frekvens identisk med, eller
nära dess resonansfrekvens. Under större delen av svepningen av spetsen över ytan rör denna
inte vid provet. Detta läge kallas därför även för non-contact mode. Amplituden, fasen och
resonansfrekvensen kommer emellertid att ändras på grund av ändringen i interaktionerna
mellan provet och spetsen. Ändringarna i oscillationsamplitud och/eller frekvens mäts och
kan då ge en bild av provet. Det dynamiska läget kan användas på två olika sätt, det ena är
frekvensmodulering Vid 1nm till 10 nm ovanför ytan är Van der Waals krafterna som starkast
[8] och medverkar då till att minska cantileverns frekvens. Ändringar i frekvensen ger
information om interaktionerna mellan provet och spetsen. Frekvensen kan mätas med hög
känslighet och styva cantilevers kan användas, vilket ger stabilitet nära ytan på provet. Denna
8
teknik var den första AFM tekniken som gav en upplösning ner på atomnivå i vakuum med
tryck lägre än 10−7 pascal [8].
Det andra är metoden för dynamisk avbildning är amplitudmodulering där
amplituden eller fasen ger informationen för att skapa en bild. Amplitudmoduleringen kan
användas till att skilja på olika material på provets yta. Den kan användas antingen i ickekontakt eller i kontakt med provet. Att hålla spetsen tillräckligt nära provet så att krafterna
kan detekteras utan att spetsen fastnar är ett problem för icke-kontakt dynamiskt läge. Det
dynamiska kontaktläget (som också kallas tapping mode) utvecklades för att undkomma detta
problem.
När tapping mode används oscillerar cantilevern med en amplitud större än 10
nm, ofta 100 - 200 nm [8]. Tapping mode är en förbättring av contact mode avbildning, där
spetsen kan skada ytan. För att kontrollera höjden på cantilevern används en elektronisk servo
som i sin tur använder den piezoelektriska skannern. Tack vare krafterna, så som Van der
Waals krafter och dipol-dipol interaktioner, mellan provet och spetsen minskar amplituden
när spetsen närmar sig ytan. Tapping mode lämpar sig bra för undersökningar av biologiska
material, då spetsen bara ”nuddar” provet och då metoden kan användas i flytande medium
[8]
De dynamiska lägena (non-contact mode) skadar inte provet eller spetsen, vilket
gör att den är att föredra framför statiskt läge (contact mode), särskilt när mjuka prov ska
undersökas.
Ytspänning
I gränsytan mellan två faser uppstår det ytspänning. Detta beror på skillnaden i energi mellan
molekylerna vid ytan och inuti fasen. Inuti t.ex. en vätska, attraheras varje molekyl av andra
molekyler från alla håll. I ytskiktet, å andra sidan binds varje molekyl av färre andra
molekyler (se figur 3). Av denna anledning har varje molekyl i ytfasen högre energi än de
molekyler som finns inne i fasen. Ytan får då ett överskott av energi, s.k. ytenergi som mäts i
energi per ytenhet ( J/m2) [10]. Systemet stävar efter så låg energi som möjligt, med resultatet
att ytan som är i kontakt med den andra fasen minimeras. Detta leder bland annat till att fria
vätskedroppar antar en sfärisk form [11]. Ytenergin kan också tolkas som kraft per längd, eller
spänning, med enheten N/m (ekvivalent med J/m2). Ytenergin kallas därför även för
ytspänning [10]. Ytspänningen är den energin det kostar att öka systemets ytarea. Ytspänning
9
(γ) kan därmed definieras som det arbete (w) som behövs för att öka gränsytan mellan faserna
med ∆A:
w = γ ∆A [12]
Luft
Vätska
Figur 3. Molekylerna i det inre av en vätska växelverkar attraktivt med molekyler i alla riktningar, medan
molekyler i ytfasen saknar attraktiva krafter från gasfasen med totalt färre bindningar och högre energitillstånd.
Ytspänning mellan fast fas och vätskefas
Ytenergins bidrag till den fria energin hos ett system motsvarar en attraktionskraft mellan
ytmolekylerna. Då det gäller yttensionen mellan fast fas och vätskefas påverkas denna av de
inre molekylära interaktioner, beskrivna i Figur 3 ovan, men också av ytterligare molekylära
interaktioner, nämligen de mellan vätskan och atomerna i den fasta fasen. För att räkna ut
ytenergin hos ett fast material används värden från mätningar av kontaktvinkeln.
Kontaktvinkeln erhålls genom mätning av vinkeln i gränsskiktet mellan en droppe vätska,
omgivande gas och en yta bestående av det fasta materialet. För vatten på vissa plaster
motsvarar en kontaktvinkel på 90 grader en ytenergi på 32 x10-5N/cm. Är kontaktvinkeln
högre visar detta på en lägre ytenergi (i exemplet med vatten motsvarar 100 grader en
ytenergi på 29 x10-5N/cm). För att erhålla ett noggrannare värde på det fasta materialets
ytenergi mäts ofta kontaktvinkeln med olika vätskor [13].
Surfaktant
Kemiska substanser som kan modifiera ytspänningen i gränsen mellan olika faser kallas
surfaktanter. Surfaktanter (av engelska Surface Active Agent) kallas även för tensider [14].
Molekylerna i dessa ämnen fördelar sig i gränsytan mellan två faser eftersom molekylernas
två ändar är lösliga i var sin fas. Surfaktanter har alltså en amfifil karaktär. Amfifil är grekiska
och betyder ungefär att den tycker om både och (amfi=båda och fil=tycka om) [15]. Molekyler
med sådana egenskaper orienterar sig så att varje del pekar mot den fas där den är mest löslig.
I fallet där det finns en fettlöslig del är den ofta en opolär kolvätekedja, och består av mellan
åtta och tjugo kolatomer (Figur 4). Om den ena fasen är vatten sägs det att surfaktanten har en
10
hydrofil och en hydrofob del. Den vattenlösliga (hydrofila) delen är polär och kan vara
anjonisk (negativt laddad), katjonisk (positivt laddad), nonjonisk (oladdad) eller
zwitterjoninsk (innehåller både positiva och negativa grupper) [14].
Figur 4. Natriumlaurylsulfat (SLS) har ett anjoniskt huvud (till vänster) och en lång kolvätesvans (till höger)
vilket gör föreningen till en amfifil surfaktant. SLS används ofta i till exempel tandkräm och schampoo.
Kontaktvinkel
Ordet hydrofob har sitt ursprung i grekiskans hydro, "vatten" och fobos, "fruktan". Således är
hydrofoba ämnen vattenavvisande [16]. För att mäta hur hydrofob eller hydrofil en yta är kan
man mäta kontaktvinkeln med vatten. Först placeras en liten droppe vatten (några µl) på ytan.
Sedan ökas droppens storlek tills den nästan smetas ut. Där mäts kontaktvinkeln, dvs. den
vinkel mellan vattendroppen och ytan i trippelpunkten där de tre faserna möts (se figur 5).
Vinklarna mäts även under tiden droppen ökar i storlek. Detta ger den s.k. avancerande
kontaktvinkeln. Droppen sugs sedan upp igen och kontaktvinklarna mäts, även under denna
fas vilket ger ett annat mått på kontaktvinkeln, en s.k. ”receding” kontaktvinkel. Mätningarna
genomförs ett par gånger på olika ställen på ytan, för att erhålla ett så representativt
medelvärde på kontaktvinkeln som möjligt. Om vinkeln är stor (över 90 grader) är ytan
hydrofob. Skillnaden mellan vinklarna när droppen ökar och minskar i storlek kallas för
kontakvinkelhysteres [17]. Storleken på denna ger information om hur ojämn en yta är. Är det
stor skillnad mellan vinklarna är ytan ojämn (heterogen).
θC
Figur 5. En vätskedroppe vilar på en fast yta och är omgiven av gas. Kontaktvinkeln θC är vinkeln som skapas av
vätskan där de tre olika faserna möts.
11
Young definierade kontaktvinkeln θ utifrån följande ekvation:
γSG = γSL + γLGcosθ
[Ekvation 1]
där γSG är gränsytspänningen mellan det fasta materialet och gasen som omger det, γSL är
gränsytspänningen mellan det fasta materialet och vätskan och γLG är gränsytspänningen
mellan vätskan och gasen. Wentzel kom senare fram till att om en vätska är i nära kontakt
med en yta med mikrostrukturer kommer vinkeln θ (> 90 o för hydrofoba material och < 90 o
för hydrofila material), som skulle uppmätas för samma vätska och samma material, men i
frånvaro av mikrostrukturer, att ändras till en vinkel θw som uppfyller följande ekvation:
cosθw=rcosθ
[Ekvation 2]
där r är kvoten mellan den verkliga arean av det fasta materialet och den skenbara som
uppmäts makroskopiskt [18].
Wenzels ekvation visar att om mikrostrukturer skapas på en hydrofob yta blir ytan mer
hydrofob och kontaktvinkeln blir större än i frånvaro av mikrostrukturerna. Om strukturerna
istället skapas på en hydrofil yta blir den mer hydrofil, och kontaktvinkeln blir mindre i
mikrostrukturernas frånvaro [19]. När vätskan vilar på mikrostrukturerna (jmf figur 6) och inte
är i kontakt med själva ytan sägs det att droppen är i ett Cassie-Baxter tillstånd. Detta är ett
tillstånd med superhydrofobicitet där kontaktvinkeln är mer än 150˚ och har låg
kontaktvinkelhysteres. Cassie-Baxter tillståndet existerar bara om krafterna som verkar på
droppen orkar hålla upp de delar av droppen som inte vilar på mikrostrukturerna, och
mikrostrukturerna är tillräckligt höga att droppen inte nuddar botten av strukturerna [20]. I
Wentzel tillståndet har droppen kontakt med hela ytan och har därför en lägre kontaktvinkel
och högre hysteres [21].
Figur 6. En droppe som vilar på en fast yta och är omgiven av en gas bildar en karakteristisk kontaktvinkel θ.
Om den fasta ytan är ojämn, och vätskan har nära kontakt med mikrostrukturerna (ojämnheterna), är droppen i
Wentzel tillståndet. Om vätskan ligger ovanpå mikrostrukturerna är den i Cassie-Baxter tillståndet.
12
Lotuseffekten
Det finns många kända superhydrofoba ytor i naturen. Fjärilsvingar, bladen på kål och
framför allt den mest kända, bladen på Lotusblomman (Nelumbo nucifera) [22].
Lotusblomman är inom hinduism och buddism en symbol för renhet. Blomman lever i
våtmarker och träsk men har alltid rena blad. Bladens superhydrofobicitet (med en
kontaktvinkel på mer än 160°) ger dem den självrengörande egenskapen. Superhydrofoba ytor
och dess egenskaper kallas därför ofta för Lotuseffekt [23]. En bild från ett elektronmikroskop
visar att ytan på en Lotusblommas blad är täckt av små toppar med ca 20-40 µm mellanrum
(figur 7) [22]. Dessa toppar är täckta med ett lager nanometerstora vaxkristaller. Flertalet
studier visar att kombinationen av mikro- och nanostrukturer tillsammans med ett material
med låg ytenergi leder till en kontaktvinkel på över 150˚ och den självrengörande effekten.
Med nanostrukturerna ökar kontaktvinkeln med 16° jämfört med ytor utan nanostrukturer [24].
Kristallerna på Lotusblomman innehåller mestadels CH2-grupper och inte CH3-grupper som
vore att föredra p.g.a. dess lägre ytenergi. Det betyder att i naturen är inte låg ytenergi
nödvändig för att åstadkomma ”icke-vätning”. Det viktiga är snarare att på mikro- och
nanometerskala kunna kontrollera ytans struktur. På icke vätande ytor rullar dropparna lätt av.
De tar då med sig smuts och damm, vilket lämnar ytan ren.
Figur 7. Datorsimulerad bild hämtad från http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lotus3.jpg. Ytan på ett
Lotusblad är täckt av små toppar vilket är en bidragande faktor till de superhydrofoba egenskaperna.
Mellanrummet mellan topparna är ca 20-40μm.
Inom teknik är kontrollerandet av ytors ”icke vätande” förmåga en viktig utmaning. Intresset
är stort att tillverka självrengörande ytor för t.ex. sateliter, solenergipaneler, fönsterglas,
13
växthus mm. Icke-vätande ytor kan även användas för att förhindra att frost bildas eller fäster
vid ytan. En sådan yta utövar minskad friktion mot en vätska, vilket är användbart inom
mikrofluidik eller vid tillverkandet av t.ex. båtskrov. I mitten på 90-talet demonstrerades de
första artificiella superhydrofoba ytorna. Sedan dess har det tagits fram ett flertal olika sätt att
skapa grova ytor med superhydrofobicitet. Förutom vattenavvisande egenskaper har man
lyckats ge dessa ytor andra egenskaper såsom genomsynlighet, färg, flexibilitet och förmåga
att släppa igenom luft [22]. Det finns i huvudsak två sätt att tillverka superhydrofoba ytor. Det
ena är att göra en yta, av ett material med låg ytenergi, grov. Det andra är att modifiera en
redan grov yta med ett material med låg ytenergi. I första fallet kan man använda sig av
kolflorföreningar och kiselföreningar t.ex. polydimethylsiloxane (PDMS). För att få PDMS
superhydrofobt, görs först ett negativt mönster av PDMS, ett såkallat templat av ett lotusblad.
Det negativa templatet användes för att göra ett positivt templat, som då blir en kopia av
lotusbladet och dess egenskaper. Det går även att använda organiska material för att göra
grova ytor. Genom att kontrollera kristalliseringen av polyetylen (PE) kan man få fram en
väldigt porös yta med superhydrofoba egenskaper. Metoderna att göra en yta grov har
fördelen att de är lätta att genomföra, däremot är de begränsade till ett fåtal material.
För att modifiera grova ytor med låg ytenergi kan olika typer av litografier, så
som elektronstrålelitografi, användas. Andra metoder är bla att mekanisk töja materialet, eller
att använda laser, plasma eller kemisk etsning. Det går även att använda sig av lager-för-lager
och kolloidal sammansättning eller sol–gel processer. Sol-gel processen är en kemisk process
där en lösning (en ”sol” från eng. solution) bildar en gel-liknande tvåfas med en vätskefas och
en fast fas där allt från diskreta partiklar till polymerer bildas. Att modifiera en redan grov yta
genom att använda ett material med låg ytenergi möjliggör produktion i större skala. Rader
med kolnanorör vinkelräta mot ytan (se figur 8) belagda av ett lager ZnO utgör också en
superhydrofob yta [22].
14
Figur 8. SEM bild av kolnanorör. Beläggs de med ZnO bildas en superhydrofob yta. Bilden är hämtad från
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:SEM_nanotubos.png
Vax
Ordet ”vax” kommer från den gamla engelskans ”weax” för vaxkakemönstret hos en bikupa
[25]. Det finns flera olika sorters vax, bla animaliska vaxer såsom bivax och öronvax,
vegetabiliska vaxer som vax från lagerbär och jojoba olja, mineraliska vaxer från tex brunkol,
petrolium vaxer såsom paraffin och vaselin och olika syntetiska vaxer. Vax är enligt den
kemiska definitionen en blandning av estrar med långa karboxylsyra- och alkohol-kedjor med
allmän formel CH3(CH2)nCOOC(CH2)mCH3 [26]. Men i praktiken innehåller vax till största del
kolväten och flera typer av estrar [27] [28]. Gemensamt för alla substanser i vax är att de
innehåller långa eller väldigt långa kolkedjor med 12 till 38 kolatomer. Alla vaxer är
vattenresistenta material [25].
Användningsområden
De flesta fåglar har en uropygialkörtel eller gumpkörtel som utsöndrar vax. Med hjälp av
näbben sprider de vaxutsöndringen på vingarna för att skydda fjädrarnas flexibilitet, hämma
bakterietillväxt och för att förbättra isoleringsförmågan [29].
Lipiden cutin tillsammans andra lipider bildar epicuticular vax vilket är det
yttersta skyddande lagret på många växter [25]. Detta lager skyddar mot bl.a. uttorkning och
oönskat gasutbyte [30].
Bilvax är ett annat användningsområde för vax. Produkten WAX består av olika
naturvaxer där carnaubavax från carnaubapalmen och kaktusvax utgör huvudbasen [31].
Bilvax kan bla användas till att göra polerade ytor blanka och göra dem mer väderbeständiga,
15
vaxet har även en vattenavvisande förmåga. Det har framställts ett vax med en kontaktvinkel
på 110° vid applicering [32].
MATERIAL OCH METODER
Atomkraftsmikroskop
Ett Edu-Scope AFM (nQuip AB Lund) användes för att få fram en bild av topografin på
provet. Provet bestod av en bit av lexanplast, vilket ska sitta ytterst på vingarna på Oxels
vertikala vindkraftverk. Två datorer var anslutna för kontroll av mikroskopet respektive för
bildbehandling. Det fanns även en TV-skärm för observation av cantilevern med hjälp av en
CCD-kamera. Varje erhållen AFM- bild behandlades i programmet WSxM 4,0. Härvid
anpassades ett plan till rådata-bilden följt av subtraktion av denna yta för att ge en bild befriad
från lutnings-artefakter och artefakter p g a svepningen av spetsen längs en parabolisk
ytprofil. Denna korrektion av bilderna genomfördes i WSxM med användandet av tre
inställningar: ”process”, ”filter” och ”flatten” för att få en bra tredimensionell bild utan
artefakter mm. Längs en linje över provet erhölls sedan en graf över höjdskillnaderna.
Kontakvinkel
För att mäta kontaktvinkeln placerades en liten droppe vatten på provytan med hjälp av en
avsågad kanyl kopplad till en pump. Sedan pumpades det ut mer vatten tills droppen var så
stor att den nästan smetades ut. Tre bilder togs med en digitalkamera under tiden droppen
ökade i storlek för att erhålla en avancerande kontaktvinkel. Sedan sögs vattnet upp igen och
tre nya bilder togs under tiden för att erhålla en ”receding” vinkel. Vinkeln på varje bild
räknades ut med hjälp av ett Matlab-program. Provet flyttades ett par gånger och nya
mätningar genomfördes på liknande sätt.
RESULTAT OCH DISKUSSION
Som en grund för att kunna förbättra Oxel AB:s vindkraftverk behövde vi se hur ytan på
rotorbladen ser ut. Det material som de använder ytterst på bladen är lexanplast. För att ta
reda på ytegenskaperna på lexanplasten använde vi oss av ett AFM för att mäta
höjdskillnaderna. För att få fram hur hydrofob ytan var mättes kontaktvinkeln. Efter flera
försök med AFM:et och flertalet ändringar av inställningar erhölls en bild med en svepyta på
16
1,7x1,7μm. Denna bild var tyvärr inte vad vi var ute efter då vi troligen hade skannat i kanten
på provet eller då problem vid svepningen gjort att spetsen förlorat kontakten med ytan. Det
framgår ur Figur 9A, då det är helt slätt på en stor del av bilden. På Figur 9B ser man
topografin över ytan längs linjen markerad på 9C. Ytan har en höjdskillnad på ca 16nm.
B
C
nm
A
nm
Figur 9. A visar en tredimensionell bild på ytan (1,7x1,7μm). B visar en graf över höjdskillnaderna på samma yta
längs en linje markerad på C.
När vi flyttat provet för att skanna på ett annat ställe erhölls en mer trovärdig bild över ytan.
(Figur 10A) Topografi-bilden (Figur 10B) tyder här på att ytan har höjdskillnader på 6-7nm.
RMS: 4.338 nm
B
C
nm
A
nm
Figur 10.A: Tredimensionell bild på den skannade ytan (1,7x1,7μm). B: Graf över höjdskillnaderna på samma
yta längs linjen markerad på C.
För att se om ytan var likadan över hela provet flyttade vi ännu en gång, vilket inte resulterade
i en trovärdig bild (Figur 11). Vi har antagligen hamnat utanför provet med tanke på den släta
ytan och den stora skillnaden i höjd (140nm), se Figur 11 A och B.
17
B
C
nm
A
nm
Figur 11. A: Tredimensionell bild på den skannade ytan (1,7x1,7μm). B: Graf över höjdskillnaderna på samma
yta, linjen där grafen är tagen visas på C. Troligen skannades denna bild utanför provet.
Jämför man lexanplastens topografi med glas ser man glas är betydligt ”slätare” då glas har
ett rms-värde på <1nm [33] och lexanplast ett uppmätt värde på >4nm.
Efter studier av lexanplastens topografi mättes kontaktvinkeln. Efter att tagit flera bilder på
utpumpning och insugning av vattendroppen på lexanplasten kunde vi räkna ut medelvärdet.
Vid utpumpning låg kontaktvinkeln på ett medelvärde på 102,05° med ett spridningsmått på
0,57330° och vid insugning på ca 97,978° med spridningsmåttet 3,1821°. Med andra ord var
den avancerande kontaktvinkeln och den s k receeding vinkeln ungefär lika stora med
minimal kontaktvinkelhsteres.
Figur 12. Vattendroppe vid utpumpning,
Figur 13. Vattendroppe vid utpumpning,
vinkeln var här 102,70°
vinkeln var här 101,81°
Figur 14. Vattendroppe vid insugning,
Figur 15. Vattendroppe vid insugning
vinkeln var här 99,363°
vinkeln var här 95,092°
18
Resultaten från kontaktvinkel-studierna visar att lexanplast har en hydrofob men inte
superhydrofob yta.
Jag tror att i framtiden kommer tekniken att framställa superhydrofoba ytor att vara mer
lönsam och då skulle det kunna vara ett bra alternativ till de avisningsmetoder som finns idag.
Det skulle även kunna vara ett bra alternativ för större vindkraftverk, flygplan och inom andra
områden så som inom bil och båtindustrin där lotuseffekt och dess självrengörande
egenskaper kan vara användbart.
Utvecklingen av bilvaxer har gått framåt. Tex finns Hagmans winter shield, vilket enligt dem själva
har en kontaktvinkel på 110 grader när det applicerats. Något liknande skulle kunna användas på
vindkraftverken, kanske vore ett samarbete mellan Hagman och Oxel en idé? Ett annat alternativ är
nanoförsegling [34] vilket är en beläggning av i huvudsak kiseldioxid som H2prolife har tagit fram.
Materialet får impregnerande egenskaper medan dess ursprungliga utseende, färg och form
bibehålls. Ytan är även genomskinlig vilket vore bra för Oxel, då de tänk att bladen ska kunna
ha olika färg för att passa in i omgivande miljö.
SLUTSATS
Att använda en friktionsfri yta för att förhindra nedisning är ännu inte något alternativ, då det
är väldigt svårt att framställa. Det finns ännu ingen yta som är helt friktionsfri. Däremot kan
användandet av en yta som är superhydrofob och uppvisar den så kallade lotuseffekten vara
en bra idé. På en yta med lotuseffekt rinner vattnet av relativt lätt, men det måste rinna av ytan
innan vattendropparna fryser. Fryser de innan de rinner av bildas is på ytan vilket man vill
undvika. Denna yta är troligen än så länge inte lönsam att framställa. Skulle Oxel använda sig
av en sådan yta på sina vindkraftverk blir verken så pass dyra att privatpersoner inte skulle ha
möjlighet att köpa dessa, vilket var den ursprungliga idén bakom dem.
19
REFERENSER
20
1
[] Starkt tillväxt för vindkraften i Europa; Fredrik Braconier, SvD, publicerad den 11 februari 2009,
http://www.svd.se/naringsliv/varlden/artikel_2456293.svd
2
[] Vindkraft ökande 2008; Marie Feuk, Ny Teknik, publicerad 14 januari 2009,
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article491330.ece
3
[] http://cvi.se/index.php?page=styrsystem 2009-10-04
4
[] http://www.energimagasinet.com/EM97/02-vind.html 2009-10-05
5
[] Nu ska isen på vindkraftverk tas på allvar; Jonas Hållén, Ny Teknik, publicerad 26 januari 2009,
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/vindkraft/article498411.ece
6
[] Risk analysis of ice throw from wind turbines; Henry Seifert, Annette Westerhellweg DEWI,
Deutsches Windenergie-Institut GmbH Ebertstr. 96, D-26382 Wilhelmshaven, Germany and Jürgen
Kröning DEWI-OCC Offshore and Certification Centre GmbH Am Seedeich 9, D-27472 Cuxhaven,
Germany
7
[] Svenska erfarenheter av vindkraft i kallt klimat – nedisning, iskast och avisning; Göran Ronsten,
FOI Elforsk rapport 04:13, 2004
8
[] Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscope, 2010-04-29
9
[] Atomic Force Microscope; G. Binning, C.F. Ouate Edward L.Ginzton Laboratory, Stanford
University, Stanford, California 94305 and Ch. Gerber IBM San Jose Research Laboratory, San Jose,
California 95193. (Volume 56, Number 9 Physical Review Letters 3 March 1986)
10
[] http://www.ne.se/lang/ytsp%C3%A4nning# 2009-03-05
11
[] Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Chemistry and Biology; K. A. Dill, S.
Bromberg Garland Science: New York, 2003
12
[] http://www.ifm.liu.se/physchem/courses/TFKI30/lectures/kap4.pdf, 2010-07-13
13
[] http://www.pocketgoniometer.com/main.php?cont=surfaceenergy&lang=se, 2010-04-29
14
[] Wikipedia, http://sv.wikipedia.org/wiki/Surfaktant, 2010-04-29
15
[] Wikipedia, http://sv.wikipedia.org/wiki/Amfifil, 2010-04-29
16
[] Wikipedia, http://sv.wikipedia.org/wiki/Hydrofob, 2010-04-29
17
[] Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Hysteresis, 2010-04-29
18
[] Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Wetting 2010-05-27
19
[] Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Superhydrophobicity#Superhydrophobicity, 2010-04-29
20
[] Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrophobe, 2010-04-19
21
[] "Zipping Wetting": Filling Dynamics During The Cassie Baxter – Wenzel State Transition; Alisia
M. Peters, Christophe Pirat, Mauro Sbragaglia, Bram M. Borkent, Detlef Lohse, Rob G.H.
Lammertink, and Matthias Wessling. Department of Chemical Engineering, University of Twente,
Faculty of Science and Technology, Membrane Technology Group, P.O. Box 217, 7500 AE, Enschede,
Netherlands
22
[] Superhydrofobic surfaces; Minglin Ma, Randal M. Hill, Institute for Soldier Nanotechnologies and
Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts
Avenue, Cambridge 01239, Massachusetts, USA Dow Corning Corp., Midland, MI 48686, USA
23
[] Superhydrofoba ytor; Niklas Ehrlin, Jonna Hellström, Olof Hultin, Malin Sohlmér
Student N08, Teknisk nanovetenskap, Lunds tekniska högskola
24
[] Superhydrofoba ytor; Sebastian Johansson, Elin Olsson, Linnea Sternefält och Anton Öhrn Student
N09, Teknisk Nanovetenskap, Lunds Tekniska
25
[] http://www.cyberlipid.org/wax/wax0001.htm, 2010-07-13
26
[] Wikipedia, http://sv.wikipedia.org/wiki/Lipid 2010-09-14
27
[] Fennema's Food Chemistry, Srinivasan Damodaran, 4ed, 2008
28
[] Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Wax, 2010-07-13
29
[] http://wapedia.mobi/sv/F%C3%A5glar?t=4. 2010-09-15
30
[] http://www.cyberlipid.org/glycer/glyc0002.htm#6
31
[] http://www.lyxwax.se/prodinfo.php#
[] http://www.automotorsport.se/nyhetsmall.asp?version=25176
[] The mode of heavy meromyosin adsorption and motor function are correlated with surface
hydrophobicity and charge; Albet-Torres, N., J. O’Mahony, C. Charlton, M. Balaz, P. Lisboa, T.
Aastrup, A. Månsson and I.A. Nicholls. (2007). Langmuir, 23 (22): 11147 - 11156
34
[] http://www.h2prolife.se/nanoforsegling.html
2010-09-10
351
95 Växjö / 391 82 Kalmar
32
33
Tel 0772-28 80 00
Figur
1: Atomic force microscopy (part 1) - laboration manual by Martina Balaz, Joakim Lindahl, and
[email protected]
Alf Månsson
Figur 4: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sodium_laureth_sulfate.png
Figur 6: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Microstruct_superhydrophobic.png
Figur 7: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lotus3.jpg
Figur 8: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:SEM_nanotubos.png
