Антиобледенительные системы на основе эластомеров, модифицированных углеродными наноструктурами, с эффектом саморегулирования температуры

Защита конструкций от обледенения является одной из важнейших задач при их эксплуатации в районах со сложными климатическими условиями, в том числе для Арктики и Крайнего Севера. Одной из ключевых проблем является создание эффективных антиобледенительных систем с высоким уровнем энергоэффективности в сочетании с физико-механическими и электрофизическими свойствами материалов, на основе которых могут изготавливаться нагревательные элементы. Использование принципа саморегулирования температуры для электронагревателей, на основе эластомеров, модифицированных многослойными углеродными нанотрубками (МУНТ), позволяет сформировать энергоэффективные антиобледенительные системы. В работе представлены экспериментальные результаты исследования электронагревателей с эффектом саморегулирования температуры. Для проведения исследований были разработаны и изготовлены образцы на основе полимерной матрицы – кремнийорганического компаунда, которая модифицировалась такими проводящими структурами, как МУНТ и графит. С целью изучения морфологии МУНТ и графита использовали методику на основе сканирующей электронной микроскопии. Применение бесконтактного метода исследования температуры позволило оценить распределение температурного поля на поверхности нагревательных элементов. Полученные результаты имеют важное практическое значение, так как нагревательные элементы могут обладать различной конфигурацией и использоваться при низких температурах окружающей среды. В частности, для образца с массовой концентрацией МУНТ и графита, равной 16,5 мас.%, установлено, что понижение внешней температуры приводит к повышению потребляемого тока и соответственно мощности до уровня 2,2 кВт/м², что является следствием поддержания постоянной температуры 71,4 °С на поверхности нагревателя и подтверждением эффекта саморегулирования. Разработанные нагреватели могут быть основой различных технических систем для борьбы обледенением.

1. Shiklomanov N.I. From Exploration to Systematic Investigation: Development of Geocryology in 19th- and Early–20th-Century Russia // Physical Geography. 2005 Vol. 26, No. 4. P. 249–263, DOI: 10.2747/0272-3646.26.4.249

2. Farzaneh M., Ryerson C.R. Anti-icing and deicing techniques // Cold Regions Science and Technology. 2011. Vol. 65, Iss. 1. P. 1–4. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2010.08.012

3. Zehui Zhao, Huawei Chen, Xiaolin Liu, Zelinlan Wang, Yantong Zhu, Yuping Zhou. The development of electric heating coating with temperature controlling capability for anti-icing/de-icing // Cold Regions Science and Technology. 2021. Vol. 184. P. 103234. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2021.103234.

4. Roberts A., Brooks R., Shipway Ph. Internal combustion engine cold-start efficiency: A review of the problem, causes and potential solutions // Energy Conversion and Management. 2014. Vol. 82. P. 327–350. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.03.002

5. Deng Y., Liu H., Zhao X., E J., Chen J. Effects of cold start control strategy on cold start performance of the diesel engine based on a comprehensive preheat diesel engine model // Applied Energy. 2018. Vol. 210. P. 279–287. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.10.093

6. Faria M.V., Varella R.A., Duarte G.O., Farias T.L., Baptista P.C. Engine cold start analysis using naturalistic driving data: City level impacts on local pollutants emissions and energy consumption // Science of The Total Environment. 2018. Vol. 630. P. 544–559. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.02.232

7. Paunović V., Mitić V., Pavlović V., Miljković M., Živković L. Microstructure evolution and phase transition in La/Mn doped barium titanate ceramics // Processing and Application of Ceramics. 2010. Vol. 4, No. 4. P. 253–258. https://doi.org/10.2298/PAC1004253P

8. Petrović M.M.V., Bobić J.D., Grigalaitis R., Stojanović B.D., Banys J. La-doped and La/Mn-co-doped barium titanate ceramics // Acta Physica Polonica A. 2013. Vol. 124, No. 1. P. 155–160. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.124.155

9. Rowlands W., Vaidhyanathan B. Additive manufacturing of barium titanate based ceramic heaters with positive temperature coefficient of resistance (PTCR) //Journal of the European Ceramic Society. 2019. Vol. 39, No. 12. P. 3475–3483. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.03.024

10. Lagrève C., Feller J.F., Linossier I., Levesque G. Poly (butylene terephthalate) / poly (ethylene-co-alkylacrylate) / carbon black conductive composites: Influence of composition and morphology on electrical properties // Polymer Engineering and Science 2001. Vol. 41. P. 1124–1132. https://doi.org/10.1002/pen.108132001

11. Russo P., Langella A., Papa I., Simeoli G., Lopresto V. Thermoplastic polyurethane/glass fabric composite laminates: Low velocity impact behavior under extreme temperature conditions // Composite Structures. 2017.Vol. 166. P. 146–152. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.01.054

12. Zhao Z., Chen H., Liu X., Wang Z., Zhu Y., Zhou Y. Novel sandwich structural electric heating coating for anti-icing/de-icing on complex surfaces // Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 404. P. 126489. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126489

13. Luo J., Lu H., Zhang Q., Yao Y., Chen M., Li Q. Flexible carbon nanotube/polyurethane electrothermal films // Carbon. 2016. Vol. 110. P. 343–349. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.09.016

14. Ha J.-H., Chu K., Park S.-H. Electrical Properties of the Carbon-Nanotube Composites Film Under Extreme Temperature Condition // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2019. Vol. 19, No. 3. P. 1682–1685. https://doi.org/10.1166/jnn.2019.16250

15. Cheng Y., Zhang H., Wang R., Wang X., Zhai H., Wang T., Jin Q., Sun J. Highly Stretchable and Conductive Copper Nanowire Based Fibers with Hierarchical Structure for Wearable Heaters // ACS Applied Materials and Interfaces. 2016. Vol. 8, No. 48. P. 32925–32933. https://doi.org/10.1021/acsami.6b09293

16. Vertuccio L., Foglia F., Pantani R., RomeroSánchez M.D., Calderón B., Guadagno L. Carbon nanotubes and expanded graphite based bulk nanocomposites for de-icing applications // Composites Part B: Engineering. 2021. Vol. 207. Article number 108583. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108583

17. Vertuccio L., De Santis F., Pantani R., Lafdi K., Guadagno L. Effective de-icing skin using graphenebased flexible heater // Composites Part B: Engineering. 2019. Vol. 162. P. 600–610. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.01.045

18. Yao X., Hawkins S.C., Falzon B.G. An advanced antiicing/de-icing system utilizing highly aligned carbon nanotube webs // Carbon. 2018. Vol. 136. P. 130–138. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.04.039

19. Ali I., AlGarni T.S., Shchegolkov A., Shchegolkov A., Jang S.-H., Galunin E., Komarov F., Borovskikh P., Imanova G.T. Temperature self-regulating flat electric heaters based on MWCNTs-modified polymers // Polymer Bulletin. 2021. Article in press. https://doi.org/10.1007/s00289-020-03483-y

20. Baloch K.H., Voskanian N., Bronsgeest M., Cumings J. Remote Joule heating by a carbon nanotube // Nature Nanotechnology. 2012. Vol. 7, No. 5. P. 316–319. https://doi.org/10.1038/nnano.2012.39

21. Celzard A., McRae E., Deleuze C., Dufort M., Furdin G., Mareche J.F. Critical concentration in percolating systems containing a high-aspect-ratio filler // Physical Review B – Condensed matter and materials physics. 1996. Vol. 53, No. 10. P. 6209–6214. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.53.6209

22. Bai J.B., Allaoui A. Effect of the length and the aggregate size of MWNTs on the improvement efficiency of the mechanical and electrical properties of nanocomposites – experimental investigation // Composites Part A – Applied science and manufacturing. 2003. Vol. 34, No. 8. P. 689–694. https://doi.org/10.1016/S1359-835X(03)00140-4

23. Cacucciolo V., Shintake J., Kuwajima Y., Maeda Sh., Floreano D., Shea H. Stretchable pumps for soft machines // Nature. 2019. Vol. 572. P. 516–519. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1479-6

24. Li Fen, Lu Yonglai, Liu Li, Zhang Liqun, Dai Jiabin, Ma Jun. Relations between carbon nanotubes’length and their composites’ mechanical and functional performance // Polymer. 2013. Vol. 54, No. 8. P. 2158–2165. doi:10.1016/j.polymer.2013.02.019

25. Shchegolkov A.V., Jang S.-H., Shchegolkov A.V., Rodionov Y.V., Glivenkova O.A. Multistage Mechanical Activation of Multilayer Carbon Nanotubes in Creation of Electric Heaters with Self-Regulating Temperature // Materials. 2021. Vol. 14. Iss. 16. P. 4654. https://doi.org/10.3390/ma14164654

26. Щегольков А.В. Сравнительный анализ тепловых эффектов в эластомерах, модифицированных МУНТ при постоянном электрическом напряжении // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021. № 1(55). С. 63–73. https://doi.org/10.18323/2073-5073-2021-1-63-73

27. Liu Q., Tu J., Wang X., Yu W., Zheng W., Zhao Z. Electrical conductivity of carbon nanotube/poly(vinylidene fluoride) composites prepared by high-speed mechanical mixing // Carbon. 2012. Vol. 50. Iss. 1. P. 339–341. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.08.051

28. Щегольков А.В. Многоступенчатая механоактивация МУНТ для улучшения перколяционных переходов в системе эластомер/МУНТ: подходы для реализации и практика модификации эластомеров // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т. 19, № 2. С. 58–67. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2021-19-2-58-67