Спосіб створення в’язкопружного покриття, яке знижує опір, для морських і промислових поверхонь

Реферат: Запропоновано метод підвищення ефективності зменшення лобового опору у домішках за рахунок створення в'язкопружного покриття, що знижує тертя на поверхні. Спосіб включає додавання полімеру до концентрованого розчину приблизно такої самої щільності, як і рідина, що тече поверхнею, випускання суміші/розчину в рідину, що тече, таким чином, що покриття полімеру, який з часом ущільнюється, адсорбується поверхнею та зменшує швидкість викиду першої рідини таким чином, що полімерне покриття стає тонше з часом. Ці кроки можуть бути повторені для збереження бажаної мінімальної товщини покриття впродовж тривалого періоду часу. Метод знижує швидкість зносу полімеру при заданому лобовому опорі. Крім того, нанесення в'язкопружного покриття перешкоджає приєднанню і росту природних організмів, що підвищують тертя, і може бути застосоване без "часу простою" (наприклад, впродовж експлуатації). UA 99942 C2 (12) UA 99942 C2 UA 99942 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Заява про урядовий інтерес Винахід, описаний в цьому документі, може бути використаний урядом США або для нього в державних цілях, без виплати будь-яких роялті з цього питання. Технічна сфера Потенціальна здатність в'язкопружних покриттів до зменшення лобового опору є предметом наукових досліджень та низки патентів впродовж останніх 40 років в Сполучених Штатах, Франції, Японії, Україні та Росії. Покриття можуть бути використані окремо або у поєднанні з іншою технікою зниження опору. Продуктивність таких покриттів не відрізняється постійністю, вони крихкі, важкі, нанесення їх недешеве, а також вони можуть збільшити опір у випадках невірного функціонування. Через їх високу коштовність і складність виготовлення, застосування таких покриттів розглядалося тільки для коштовних військових кораблів. Крім того, покриття можуть піддаватися обростанню морськими організмами, що може понизити ефективність їх та й усього судна. Деякі покриття вимагають електричної, теплової або пневматичної енергії для пристосування їх до діяльності морського або промислового роду. Існує потреба в ефективному, легко обслуговуваному і недорогому в'язкопружному покритті, що потенційно відповідає вимогам морських і промислових умов. Мета винаходу Цілями даного винаходу є: (1) забезпечення ефективної системи в'язкопружних покриттів, що знижують опір, здатних до самовідновлення і витримуючих знос в морських / промислових середовищах; (2) впровадження методики збільшення ефективності техніки зниження тертя опори, такої, як відомий "Ефект Томса" [Томе, Б. А., "Деякі спостереження потоку лінійних полімерних розчинів через прямі трубопроводи за великих чисел Рейнольдса", Прокламація 1-го Міжнар. Конг. Реол., Амстердам, 11, 135-141, 1948]; (3) підвищення сприятливого впливу на довкілля методики зниження опору в полімерах шляхом подальшого скорочення шкідливих викидів, у тому числі викидів діоксиду вуглецю з морських рухових систем; (4) забезпечення анізотропного відновлюваного в'язкопружного покриття, яке саме здатне понизити тертя опору приблизно на 10 %; (5) забезпечення засобів уповільнення біозабруднення і супутнього експлуатаційного росту опору у зв'язку з веденням діяльності в морському середовищі; (6) забезпечення покриття, що знижує опір, не вимагає коштовного нанесення і повернення до доку на технічне обслуговування і ремонт; (7) забезпечення покриття, яке не спричиняє "крайових ефектів", що знижують характеристики; (8) забезпечення покриття, яке не створює поверхневих дефектів, що виходять за межі в'язкого підшару, і тим самим виступають в якості "динамічних" складових шорсткості, що збільшують опір; (9) забезпечення покриття за своєю природою анізотропного у напрямі потоку; (10) забезпечення абляційного полімерного покриття, яке може бути легко відновлене в ході морської подорожі або в промислових умовах: (11) забезпечення в'язкопружної поверхні, волокнистої або ворсистої, що приведе до зниження рівня турбулентності, як було продемонстровано на впровадженні волокон в потік, а також на поверхнях з мікровиїмками (так званими "ріблетами"). Історія розвитку Інтерес до податливих покриттів для морських транспортних засобів існує з середини 1960-х років, коли Макс О. Крамер вивчав податливі покриття в якості засобу зниження опору за рахунок розширення області ламінарної течії в пограничному шарі [Крамер, М. О., "Засоби і методи стабілізації ламінарного пограничного шару потоку", патент США № 3161385, від 15 грудня 1964 і Крамер, Макс Отто, "Засоби і методи стабілізації ламінарного пограничного шару потоку" патент США № 3585953, виданий 22 червня 1971]. Крамер припустив, що поверхневі покриття, які успішно імітують шкіру дельфінів, мають потенціал для зниження компоненти тертя в лобовому опорі обшивки морського судна. Успішна демонстрація була проведена в Лонг-Біч-Харбор під егідою Управління військовоморських досліджень ВМС США [Кремер, М., "Контроль пограничного шару за допомогою 'штучної шкіри дельфіна', Журнал морських інженерів, 89 (5): 41-45, 1977]. Відтоді прогрес американських дослідників, що намагайся дублювати цю роботу, був незначним. Проте, упродовж 1970 і 1980, роботи по зменшенню тертя покриттів, підтримані ВМФ СРСР, проводилися здебільшого в Києві (Україна) та в Новосибірську (Росія). Ця робота, уперше зроблена Л. Ф. Козловим і В. В. Бабенко в Інституті гідромеханіки в Києві, була підставою для низки авторських свідоцтв на винаходи [Авторські свідоцтва 1413286, 1483538, 1597866, 1 UA 99942 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1802672]. Ці доробки СРСР відрізняються від досягнень Крамера в тому, що вони також призначені для зниження рівня турбулентності в пограничному шарі, а не тільки для розширення області ламінарного потоку. У деякі покриття були інтегровані полімерні добавки, щоб отримати систему, яка була б ефективнішою, ніж будь-яка з вказаних технік окремо. Бабенко із співробітниками були в числі перших дослідників, що визнали потенціал таких в'язкопружних покриттів, як самостійно, так і у поєднанні з іншими методами. Команда з Києва змогла визначити конкретні характеристики успішного покриття, які не були вказані Крамером в детальному описі його ранніх робіт. Стало очевидним, судячи із складу цих покриттів, що важливою особливістю є анізотропія у напрямі руху. Більшість в'язкопружних покриттів, випробуваних в Сполучених Штатах, не були успішними, а деякі насправді збільшували опір. Після Крамера підхід американських дослідників полягав у випробуванні спектру доступних матеріалів покриттів. Доти, доки Мей і Воропаєв [Мей, К. Л. та ін., "Розробка в'язкопружних покриттів для зниження турбулентного тертя опору", Патент США № 6516652 Bl, виданий 11 лютого 2003] не провели роботу з ретельного вибору властивостей в'язкопружного покриття з урахуванням параметрів прилеглого турбулентного пограничного шару. З таким підходом, несприятливі умови, які ставили в безвихідь американських дослідників, такі як "статична дивергенція", динамічна шорсткість, і хвилі на покритті, що рухається упоперек потоку, [Хансен, Р. Дж. і Ханстон, Д. Л., "Вплив властивостей рідини на хвилі, викликані потоком на податливій поверхні", Журнал 'Механіка рідин', т. 133, 161-177, 1983] вдалося усунути. Мей і Воропаєв учили, що властивості матеріалу покриття повинні співпадати, щоб адсорбувати пульсації турбулентного пограничного шару за нормаллю до поверхні, і що результуюча реакція має дорівнювати 90 градусів до фази та співпадати за напрямом із потоком. Наслідуючи цей підхід, вони виявили цілий ряд характеристик, необхідних для успішного в'язкопружного покриття. По-перше, вони знову заявили про вчення Бабенко про те, що покриття має бути анізотропним у напрямі потоку. По-друге, Мей і Воропаєв також вчили, що будь-які деформації на поверхні покриття, викликані турбулентністю, не повинні перевищувати висоти в'язкого підшару. По-третє, вони вчили, що неправильно сформовані поперечні ребра покриття можуть спричинити віддзеркалення турбулентних хвиль в покритті (тобто, крайові ефекти), які погіршують ефективність покриття. По-четверте, вони вчили, що щільність покриття має приблизно дорівнювати щільності рідини, поточної по покриттю. Навіть встановлені належним чином, покриття залишаються крихкими і можуть руйнуватися, тим самим втрачаючи ефективність. В цілому, покриття були досить складними і коштовними для того, щоб їх застосування підходило тільки для військових підводних човнів. Товщина покриттів, як правило, сягає порядку від одного до десяти сантиметрів, що робить їх важкими і складно встановлюваними. З цих причин, комерційне застосування досі не стало можливим. Існують й інші категорії покриттів, комерційно доступних, нібито здатних знижувати опір [Гілман, Томас X., "Методика нанесення гідрофільного покриття на підкладку, і підкладки з гідрофільним покриттям", № пуб. US 2007/0184275 Al. оприлюднено 9 серпня 2007, і Дитц, Тімоті М. та ін., "Стаття по зниженню опору і методи використання" № пуб. US 2004/0126541 Al, оприлюднено 1 липня 2004], чи здатних запобігати обростанню [Гамільтон, Уіллард Чальзон та ін., "Гідрофільні необростаючі покриття і види їх використання", № пуб. US 2007/0258940 Al, оприлюднено 8 листопада 2007], але вони не відносяться до в'язкопружних. Інші містять гідрофільні донні покриття для човнів, таких як SEA-SLIDE ™ і вкриті водовідштовхувальною фарбою покриття, які насичують полімером пограничний шар [Сапкої та ін., Патент США № 5488076, виданий 30 січня 1996]. Крім того, вінілові поверхні з клейовим виворотом і мікровиїмками (так званими "ріблетами"), коли нічим не забруднені, як відомо, зменшують лобовий опір. Такі мікровиїмки впорядковують і стабілізують подовжні структури потоку поблизу поверхні. Проте, кожне з цих покриттів виконує тільки одну функцію (наприклад, запобігання обростанню, викид полімерів або забезпечення поверхневої структури) і вимагає особливого нанесення на поверхню, коли корпус сухий (тобто, витягнутий з води). Таким чином, судно має бути зняте з експлуатації (наприклад, встановлене в сухий док) для повторного нанесення. Останнім часом відбулася низка робіт з використанням нанотехнологій, що розвиваються, для виробництва поверхонь, взаємодіючих з турбулентністю, з метою зниження опору тертя [Каміадакіс, Джордж Ем. та ін., "Методика і устаткування для скорочення турбулентного опору", Патент США № 6520455 B2, виданий 18 лютого 2003; та Нозенчак, Деніел М. та ін., "Електромагнітні пристрої і методи для керування пограничним шаром", Патент США № 5320309, виданий 14 червня 1994, і Нозенчак, Деніел М. та ін., "Множинні електромагнітні плитки для керування пограничним шаром", Патент США № 5437421, виданий 1 серпня 1995], але ці системи складні, вимагають сучасних систем контролю і можуть споживати значні обсяги енергії. 2 UA 99942 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Отже, існує потреба в простому, екологічно сприятливому і економічно ефективному покритті, що знижує опір, яке може бути використане з метою підвищення продуктивності і ефективності роботи суден, що рухаються у воді (а також рідин, що рухаються по трубах або каналах) і можуть бути задіяні без великих витрат на обслуговування і потребу в сухому доку. Експерименти показали, що зниження тертя було надійніше досягнуто шляхом введення добавок в пограничний шар потоку. Найпоширеніші добавки - водні розчини довголанцюгових полімерів [Хойт, Дж. У. і Фабула, А. Г., "Тертя опору у підводних танкерів, "Прокламація 10 Міжнар. Конф. по буксируваних танкерах, Теддінгтон, 1963; Хойт, Дж. У., "Пониження тертя в потоці рідини", NURDC, 5 травня 1969, і Хойт, Дж. У. "Скорочення лобового опору полімерами і поверхнево-активними речовинами", в "Зменшенні в'язкого опору в пограничному шарі", під редакцією Д. Н. Бушнелл і Хефнер, т. 123, 413-429, 1990]. Була також розроблена низка методів для вибору, підготовки і стабілізації полімерних розчинів, що знижують опір [Бік, Ян та ін…, "Речовина, що знижує опір", Патент США № 4585810, оприлюднений 29 квітня 1986; Лабьюд, Катріна М. та ін., "Полімерні суспензії, що знижують опір", № пуб. US 2003/0187123 АІ, оприлюднено 2 жовтня 2003; Джонстон, Рей Л. та ін…, "Спосіб виробництва полімерних суспензій, що зменшують опір", № пуб. US 2003/0065055 АІ, оприлюднено 3 квітня 2003; Мартін, Томас Дж. та ін. "Стабілізовані полімерні суспензії речовин, що знижують опір", Патент США № 7256224 В2, опублікований 14 серпня 2007, Мартін, Томас Дж. "Стабілізовані і холодостійкі полімерні суспензії речовин, що знижують опір", № пуб. US 2007/0205392 АІ, оприлюднено 6 вересня 2007, а також Бассетт, Девид Робинсон та ін., "Процеси підготовки водних емульсій полімерів", № пуб. US 2002/0045703 АІ, оприлюднено 18 квітня 2002]. Було розроблено й іншу техніку з метою підвищення поверхневих властивостей полімерів [Трипп, Дж. К. та ін., "Полімерний додаток з високою молекулярною вагою для покриття і захисних виробів", № пуб. US 2002/0106454 АІ, оприлюднено 8 серпня 2002], в цілях зміцнення волокон і герметизації поверхонь, на противагу зменшенню опору. Інші додатки, що знижують опір, поєднують у собі: розчини поверхнево-активних речовин, в яких формуються міцели [Гір, А. і Беверсдорф, X. В., "Скорочення турбулентних течій за допомогою додатків", Вид-во Kluwer Academic, (ISBN 0-7923-3485-X), 1995]; волокнистих матеріалів, таких як азбест або нейлон [Ли, У. К. та ін., "Скорочення турбулентного опору полімерних розчинів, що містять розчинені волокна", АІ Ch E J., 20 (1), с. 128-133, січень 1974, і Шарму, P. C. та ін., "Скорочення опору шляхом впровадження волокон по осьовій лінії в полімерний розчин", Журнал Хім. Інж., 18, с. 73-79, 1979], і дрібні бульбашки газу, так звані "мікробульбашки" [Меркле, К. Л. і Дойч, С., "Скорочення лобового опору в пограничних шарах рідини шляхом нагнітання газу", в "Скороченні в'язкого опору в пограничних шарах", під редакцією Д. М. Бушнелл і Дж. Н. Хефнер, т. 123, с. 351-410, 1990]. Хоча кожен з цих методів було успішно продемонстровано в лабораторії, їх доцільність була обмежена цілим рядом чинників. У разі мікробульбашок, обмеження пов'язані з їх міграцією від білястінної області пограничного шару, в якому вони ефективні, а також з їх злиттям в бульбашки більшого розміру, що менш ефективно знижують опір. За винятком обмеженого набору схем ежектора, полімери і інші додатки можуть нестримно розпилюватися геть від ділянки своєї ефективності, таким чином, вимагаючи значних швидкостей витрати для підтримки ефективного рівня концентрації добавок біля стіни [Вдовин, А. В. і Смоляков А. В., "Турбулентна дифузія полімерів в пограничному шарі", журнал "Прикладна механіка і технічна фізика", 22 (4), с. 526-531, 1981]. Крім того, полімери мають бути заздалегідь змішані і відтак перевозяться у вигляді розчину для забезпечення їх належного змішування і гідратації. Через надто високі швидкості витрат, необхідні при традиційних методах викиду [див., наприклад, Вінкель, С. С. та ін., "Зниження тертя опору при високих значеннях числа Рейнольдса за допомогою нанесених на стіну розчинів полімерів", 26-й симпозіум з морської гідродинаміки, Рим, Італія, 2006], великі обсяги розчину, згідно з очікуваннями, мають бути витрачені впродовж декількох годин, і застосування полімерів, вочевидь, обмежується військовими кораблями, в яких швидкий сплеск швидкості міг бути корисним. На додаток до зниження тертя опору при використанні окремо, викид волокон, таких як азбест або нейлон, також підвищує ефективність скорочення викиду полімерів [Лі, У. К. та ін., "Скорочення турбулентного опору в полімерних розчинах, що містять розчинені волокна, "АІ Ch E J., 20 (1), с. 128-133, січень 1974, і Шарма, P. C. та ін., "Скорочення опору шляхом впровадження волокон по осьовій лінії в полімерний розчин, "Журнал Хім. Інж., 18, с. 73-79, 1979]. Лі із співавторами повідомили, що кількість волокон, які самі по собі скоротили тертя опору приблизно на 15 відсотків, зменшили його більше, ніж на 60 відсотків, будучи змішаними з кількістю полімеру, яка була здатна знизити самостійно тертя на 36 відсотків. Шарма із співавторами пізніше підтвердили спільність поліпшеної продуктивності комбінованих і 3 UA 99942 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 полімерних волоконних систем, що знижують опір. Нагоди експлуатувати цю синергію довгий час не випадало через обмеження на застосування волокон в суднобудуванні і промисловості. Такі волокна, як відомо, небезпечні в користуванні, і більшість з них вважається забруднюючими речовинами з довгим терміном розкладання. З іншого боку, мікробульбашки перетворюються на повітря, а полімери розкладаються на природні з'єднання, такі як двоокис вуглецю і вода. Є й інші приклади синергії між різними технологіями зниження лобового опору. Наприклад, відомо, що правильне поєднання викидання полімеру та застосування мікробульбашок, так само як і у випадку з волокнами і полімерами, може знизити опір ефективніше, ніж сума окремих величин продуктивності компонентів [Семенов, Б. Н. та ін., "Сукупний ефект від невеликої кількості полімерів, доданої в потік і поверхнева схильність до турбулентного тертя", Серія Технічних наук, : 89-94, 1984; Амиров, А. І. та ін., "Експерименти по зменшенню турбулентного тертя шляхом спільного використання податливих покриттів, газових мікробульбашок і полімерних добавок", Автореф. 9-ої Європейської зустрічі по зменшенню лобового опору, Равелло-Неаполь, 1995, і Дойч, С. та ін., "Зменшення опору при комбінуванні полімерів і мікробульбашок на великій плоскій пластині" Журнал механіки рідин 556: 309-327, 2006]. Крім того, Козлов, Бабенко і Семенов повідомили, що ефективність введення полімеру, навіть при використанні неефективного за своєю суттю в'язкопружного покриття, може бути істотно підвищена. Так само, було показано, що комбінована дія реберець і полімерних добавок приводить до більшого скорочення опору, чим окремі ефекти [Коурі, Е. і Вирк, П. С., "Скорочення опору шляхом застосування полімерних розчинів в оснащених реберцями трубах", Тези доповідей 8 Європейської робочої зустрічі по зниженню лобового опору в Лозанні, Швейцарія 1993]. Таким чином, якщо негативні аспекти дії на довкілля волокон, а також труднощі, пов'язані з розробкою і обслуговуванням в'язкопружного покриття, що знижує опір, можуть бути здолані, ця техніка не лише запропонувала б практичний метод деякого скорочення тертя опору, а також при використанні в комбінації з ефектом Томса (впровадження розбавленого водного розчину полімеру) стає очевидним, що інтегрована система буде одночасно продуктивніша і економічніша, чим впровадження полімерів саме по собі. Полімери, використовувані для зменшення тертя, наприклад, оксид поліетилену (ПЕО), як відомо, формують адсорбційні шари із ефектом зачеплення молекул, знаходячись в зіткненні з поверхнею або протікаючи по ній [Бархем, П. і ін…, "Адсорбційно-терпкі шари в потоці полімерних розчинів з високою молекулярною вагою, III. Концентрація розчину і розчинювальна здатність", Колоїдна і полімерна наука, 264 (6): с. 515-521, 1986; Хзнд, Дж. X. і Уильямс, М. С., "Абсорбовано-терпкий шар при пониженні лобового опору", Хімічна інженерна наука, 28: с. 6368, 1973, і Ковальский, Т., "Пригнічення турбулентності і зниження в'язкого опору неньютонівськими добавками", Праці Королівського інституту морських будівельників, с. 207219, 1968]. У число чинників, контролюючих формування і ріст адсорбційно-терпких шарів, входять: хімічна природа поверхні, на якій шари формуються, концентрація полімерного розчину, молекулярна маса полімеру, розчинювальна здатність, температура і швидкість потоку по поверхні. Зокрема, із збільшенням молекулярної ваги, підвищенням концентрації, кращими розчинниками, а також збільшеними швидкостями потоку (наприклад, вищі швидкості руху судна), шари формуються швидше й більш схильні до потовщення [Бархем, П. Дж., "Кількісні моделі формування адсорбційно-терпких шарів", Колоїдна і полімерна наука, 265 (7): с. 584591,1987 і Дийт, Дж. Ч. та ін., "Кінетика адсорбції і десорбції полістирена на кремнії від декаліну "Макромолекули 27: с. 3207-3218, 1994]. Оскільки водний розчин солі є добрим розчинником для ПЕО, варто очікувати в морському середовищі утворення досить довгого шару [Джонс і Ричардс, "Полімери на поверхнях і межах розділу", Преса Кембрідзького університету, 1999]. Це явище добре вивчене в царинах колоїдної хімії і полімерної науки, зокрема, в сферах досліджень і промисловості, де поведінка полімерів на поверхнях зовнішніх і розділових викликає зацікавленість. Ранні доповіді Ковальского (зовнішній потік), а також Хенда і Уільямса (внутрішній) майже відразу ж були поставлені під сумнів, принаймні, частково, провідними діячами співтовариства науковців, що працюють у сфері зменшення опору [Ковальский, Т., "Пригнічення турбулентності і зниження в'язкого опору неньютонівськими добавками", Праці Королівського інституту морських будівельників, с. 207-219, 1968 (див. письмові дискусії, що додаються, на сторінках 216-219 за участю Г. Е. Гадда, А. Г. Фабули, Би. Латто і Ч. X. Шена), а також Гір, А. і Мюллер, А. "Вплив поглинання стінками на Томс-ефект", Хімічна інженерна наука 29: с. 1057-1060, 1974]. Невизнання полімерної адсорбції на поверхні зовнішніх потоків можна пояснити декількома чинниками. В ході лабораторних випробувань з використанням макетів або плоских пластин в гідродинамічних трубах час протікання досить невеликий, часто менше хвилини. Короткі терміни випробувань повинні забезпечити, щоб після попереднього досліду полімер не 4 UA 99942 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 накопичувався і не спотворював результатів експерименту. Крім того, щоб запобігти будь-якому накопиченню матеріалу, тунель промивався на великій швидкості через короткі терміни випробувань і нерідко з достатнім рівнем хлору для "деградації" полімеру в розчині. Таким чином, на додаток до обмеження можливостей для адсорбції, ефект додавання хлору і високої швидкості промивання тунеля полягає в перешкоді процесам адсорбції. Рецензії на роботу Ковальского не вказали на той факт, що він використовував установку відкритого, а не рециркуляційного типу. Таким чином, потік міг бути безперервним, без загрози забруднення потоку, що входить, з боку полімерів, введених раніше. Ковальский проводив експерименти впродовж тривалих періодів часів, не маючи наміру "промивати" своє устаткування. Він також провів випробування на малих судах у відкритому морі. По-друге, що також мало виняткове значення, Ковальский був, либонь, першим, хто використовував дуже невеликий кут ухилу (п'ять градусів до поверхні) прорізу ежектора. Він показав, що такий малий кут викиду значно понизив швидкість дифузії полімерів геть від поверхні. Важливість цієї функції ежектора в зниженні швидкості дифузії пізніше кількісно підрахували Вдовин і Смоляков (1978 і 1981 pp.). Пізніше, в морському середовищі, випробування були також обмежені по тривалості - від двох до п'яти хвилин. Така тривалість була встановлена через великі витрати, необхідні для неефективних ежекторів, що витрачають великі об'єми полімерних суспензій. Звичайна концентрація розчину була 10000 вчнм (вагових частин на мільйон), що відповідає всього одній частині полімеру на 99 частин води по вазі. Таким чином, об'єм розчину, потрібний для всього декількох хвилин експерименту продиктував умову, що окремі випробування мають бути короткостроковими, якщо оцінці підлягає більше за одну властивість матеріалу. Серія морських випробувань, проведених Муром та ін. [Мур, К. Дж. та ін., "Розробка і випробування полімерних систем зниження лобового опору на катамарані Sea Flyer", представлений на 26-му симпозіумі по морській гідродинаміці в Римі, Італія, 17-22 вересня 2006] використовували систему, "розбирання" полімерів (перемішування і активацію, тобто розкручування полімерних молекул), що виконується на вимогу, працюючи на морській воді. Така система, у поєднанні із струменевим ежектором "Кортана", зменшує об'єм контейнера і вимоги по витратах, що сприяє майже безперервним випробуванням. Впродовж кожного дня, проводилися окремі експериментальні запуски, розділені на відрізки часу від 10 до 45 хвилин, що дозволило поєднати декілька різних випробувань в один день. Таким чином, на відміну від гідродинамічної труби і попередніх морських випробувань, низький показник витрат, впровадження полімеру по дотичних, а також достатню кількість часу надали умови, необхідні для створення шарів адсорбції і міжмолекулярного зачеплення. Відомо також, що потік розчину полімеру під змінною дотичною напругою зсуву приведе до деформації адсорбованих шарів ПЕО. Чураєв та ін. повідомляють, що гідродинамічна товщина адсорбційних шарів може мінятися удвічі і більше для значень напруги зрушення, що відповідають кораблю, що рухається із швидкістю 30 вузлів. Зміни в товщині шарів не викликані десорбцією (термін, використовуваний у відповідній літературі), і віднімають багато часу. Під дотичною напругою деформація адсорбційних шарів відбувається швидко, але оборотно, і адсорбційні шари ПЕО поводяться як в'язкопружні тіла [Чураєв, Н. В. та ін., "Гідродинамічна товщина і деформація адсорбційних шарів оксидів поліетилену", Журнал хімії колоїдів і поверхонь розділу, 169: с. 300-305, 7995]. Процес деформації має ефект стискування і консолідації адсорбованих шарів. Таким чином, можна чекати, що в'язкопружні властивості шарів змінюватимуться у вигляді функції коригування напруги зсуву, тобто, в'язкопружні властивості змінюватимуться за рахунок поправок в швидкості судів - і за величиною, і за частотою змін. Крім того, якщо газові мікробульбашки використовуватимуться у поєднанні з викидом полімерів і створенням адсорбційних шарів з міжмолекулярним зачепленням, наявність мікробульбашок може привести до всотування повітря в шари. Якщо покриття тільки формуються і газові мікробульбашки всотуються в них в ході цього процесу, то щільність покриття, а також його в'язкопружні властивості зміняться. Зміна, викликана всотаним повітрям, як спостерігалося, погіршує загальну ефективність зменшення лобового опору, буквально через декілька хвилин після початку викидання газу, і триває до декількох десятків хвилин після його припинення. Проте, для стабільніших покриттів, погіршення роботи системи в час і після викиду газу не спостерігалося. Таким чином, послаблення напруги зсуву в покриттях, що формуються, шляхом помітного уповільнення або зупинки судна може випустити всотані гази, а повернення до первинної швидкості знову стискує і консолідує покриття вже без всотаних газів, зміст яких знизився. Далі, з використанням Фур'є-ІЧ-спектроскопії, було показано, що за наявності поля потоку, основа полімерного ланцюга зорієнтується у напрямі потоку, навіть при низьких швидкостях зрушення [Франц, П. і ін…, "Орієнтація адсорбованого полімеру відповідно до потоку зсуву", Колоїди і поверхні А: Фізико-хімічні і технологічні аспекти 86: с. 295-298, 1994]. Таким чином, 5 UA 99942 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 характер адсорбованого в'язкопружного шару, розміщеного в полі потоку, анізотропний у напрямі потоку. Загалом, велика кількість довгих молекул можуть бути прив'язаними до поверхні. Вони можуть утворювати великі "петлі", що тягнуться за межі розчину, розділені фізично адсорбованими "поїздами", а також довгими "хвостами", що тягнуться назад в розчин. Ці хвости іноді називають "щітками", які можуть стати густіше, проникаючи в поле потоку. Таким чином, покриття може рости за рахунок зачеплення молекул, що пливуть, за молекули "петель" і "хвостів", що приєдналися раніше. Крім того, добре відомо, що поверхні поліетиленоксидів (ПЕО) дуже стійкі до адсорбції білків і інших біомолекул [Харріс, Дж. М. і Залипський, С. (редактори), "Хімія і біологічні застосування поліетиленгликолю", Симпозіум ACS, серія 680, Американське хімічне суспільство, Вашингтон, окр. Колумбія, 1997]. Плівка з ПЕО використовується в якості захисного покриття для поверхні з метою зниження адсорбції білків й адгезії клітин в медичних імплантатах, біосенсорах, діагностичних приладах [Бідерман, Хайнек (редактор), Плазмові полімерні плівки, Видавництво Імперського коледжу, Лондон, с. 237-239, 338-340, 357-361 і, 2004]. Здатність плівки ПЕО перешкоджати адгезії клітин в цілях попередження утворення мікробних шламів, що підвищують опір і сприяючих обростанню морськими жолудями і черв'яками-люлешниками, що спостерігалося сучасними винахідниками. Для ефективного і доцільного отримання анізотропних в'язкопружних покриттів концентрація високомолекулярних полімерних розчинів як уздовж стінки, так і у вільному потоці (із швидкістю Uоо) має бути досить високою, щоб забезпечити високу вірогідність адсорбції і зачеплення за стінку. Техніка викиду, що направляє викинутий полімер в потік, а не по дотичній або майже по дотичній до стінки, сприятиме поширенню полімеру від білястінкової області. [Вдовин, А. В., Смоляков, А. В., "Дифузія в полімерних розчинах турбулентного пограничного шару", Прикладна механіка і технічна фізика, 19 (2), 196-201, 1978, і Вдовин, А. В., Смоляков А.В., "Дифузія полімерів в турбулентному пограничному шарі", Прикладна механіка і технічна фізика, 22 (4) с. 526-531, 1981]. З іншого боку, ежектор, який направляє викинуті полімери уздовж стінки посудини (наприклад, корпус судна), і при цьому не викликає нестійкості, сприятиме боротьбі з турбулентною дифузією, гарантуючи, що високі концентрації викинутого матеріалу залишаються в білястінковій області, збільшуючи тим самим потенціал для створення адсорбційних шарів із зачепленням молекул. Можливість зробити тангенціальний ежектор з використанням методів для роз'єму прямої форми у минулому представляла ряд складнощів структурного, просторового і виробничого роду. Проте такі дрібні кути ежектора (близько 5 градусів до поверхні потоку) були представлені для створення адсорбційних шарів, що недовго живуть (йдеться про лічені хвилини) [Ковальский, Т., "Пригнічення турбулентності і зниження в'язкого опору неньютонівськими додатками", Праці Королівського інституту морських будівельників, с. 207-219, 1968]. Оскільки організація цього експерименту не передбачала рециркуляції, а лише постійне поповнення рідини вільним потоком, вочевидь, що спостережувана адсорбція є результатом тільки викинутого полімеру, а не довгострокових накопичень полімеру з довкілля або після попередніх дослідів в полі потоку. Недавні морські експерименти із струменевим ежектором корпорації "Кортана" [Мур, К. Дж. та ін., "Методика й устаткування для підвищення ефективності і доцільності техніки контролю множинних пограничних шарів", Патент США № 6357374 ВІ, виданий 19 березня 2002] показали можливість створення довговічних оперативно застосовних адсорбційних шарів з ефектом зачеплення молекул для діючих кораблів. Впроваджуючи полімери по дотичній до потоку і уникаючи локального підвищення турбулентності, що традиційно асоціюється з впровадженням додатків, ця техніка викиду гальмує стрімке поширення додатку в пограничному шарі. Сучасні винахідники визначили, що тангенціальний викид концентрації Q, рівної усього лише від 1000 до 1500 вчнм ПЕО WSR, -310 при швидкостях потоку що від 5 до 10 разів перевищує таку для в'язкого підшару (тобто, Q=5Qs…10Qs) здатний створити адсорбційні шари за відрізок часу близько десятків хвилин. Як тільки адсорбційне покриття стабілізується, швидкість витрати (тобто концентрація продукту Q разів більше аналогічного показника Qj, ) може бути істотно пониженою (а саме, більш ніж вдвічі) відносно до початкової швидкості у випадку з незахищеним корпусом і все ще досягати того ж рівня зменшення опору. Таким чином, набагато скромніші кількості додатків тепер підтримують триваліші періоди зменшення тертя. Далі, можливість поєднання добавок, таких як полімер, при потребі, з морською водою [Мур, К. Дж. та ін., "Розробка і випробування полімерних систем зниження лобового опору на катамарані Sea Flyer", представлений на 26-му симпозіумі по морській гідродинаміці в Римі, Італія, 17-22 вересня 2006] позбавило від необхідності запасати і транспортувати добавки, змішані в прісноводий розчин, і дозволяє полімеру бути змішаним і впровадженим у водному розчині на основі морської води. 6 UA 99942 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Що стосується впливу на довкілля, вага витрат полімерів відносно до маси збереженого палива для цього судна залежить від загального скорочення опору, швидкості судна, а також що становить опори тертя по відношенню до загального опору. Оскільки рівень витрат полімеру при належному ежекторі знаходиться в лінійній залежності від швидкості, а рівень витрат палива знаходиться майже в кубічній залежності від швидкості, перевага полімерного зменшення опору збільшується з наростанням швидкості руху судна. Для добре спроектованих, високошвидкісних кораблів, діючих в діапазоні швидкостей від 30 до 35 вузлів, таких, як великі багатокорпусні пороми, співвідношення заощадженого палива до полімеру складає порядку 10:1. Коли простий вид палива, такий, як октанове CsHig спалюється, воно може утворити чималу кількість шкідливих газів, води, і, звичайно, двоокиси вуглецю (СО 2). Окислення кілограму октанового палива виробляє трохи більше 3 кілограмів вуглекислого газу. Полімери, природно, розкладаються на воду і вуглекислий газ. У морській воді, через наявність солей, процес розпаду, за спостереженнями протікав швидко вже через декілька десятків хвилин. Проте цей процес виробляє тільки близько 2 кг вуглекислого газу на кожен кілограм полімеру, що окислюється. Отже, при окисленні 1 кілограму октанового палива можна чекати отримання на 50 відсотків більше вуглекислого газу, ніж при окисленні 1 кілограму ПЕО. Оскільки співвідношення ваги заощадженого палива до ваги витраченого полімеру складає близько 10, викиди СО2, які були б отримані в результаті спалювання цього заощадженого палива, знижуються приблизно в 15 разів (тобто викиди СО 2 понижені приблизно на 93 % від об'єму, який був би в іншому випадку). Таким чином, якщо загальний опір судна був скорочений на 30 відсотків, це було б рівносильно приблизно 30 % скороченню об'єму спалюваного палива і, отже, скороченню майже на 28 % можливих викидів СО2. Короткий опис винаходу Даний винахід є методом нанесення в'язкопружного покриття для скорочення опору на морських і промислових поверхнях з метою або досягнення низьких рівнів тертя опору з дуже низькими або навіть відсутніми витратами полімеру або забезпечення значного зниження тертя опору, що супроводжується помітним скороченням рівнів витрати полімеру в порівнянні з традиційними системами викиду полімеру. Метод спочатку буде описаний у загальних рисах. По-перше, полімер, знижуючий опір, який розчиняється у воді і не є іоногенним, змішується з рідиною, що характеризується як хороший розчинник, такий як прісна або морська вода, щоб створити концентрований (наприклад, близько 1000 вчнм) розчин полімеру (далі тут концентрований розчин називатиметься "Першою рідиною"). Належним чином сконцентрована перша рідина потім викидається по дотичній в пограничний шар другої рідини, в той час, як та тече поверхнею, так, щоб уникнути швидкого поширення полімеру крізь увесь пограничний шар другої рідини. Швидкістю другої рідини можна керувати (наприклад, шляхом зміни швидкості руху судна), щоб забезпечити ймовірність того, що велика кількість викинутих в потік полімерних молекул вступлять в контакт спершу з поверхнею, а потім з адсорбційними шарами на поверхні, з тим, щоб встановити знижуючий опір в'язкопружного покриття в заданий час. В процесі протікання першої рідини по поверхні і зіткнення з нею, довголанцюгові полімери створюють покриття, подібне до плівки, на поверхні. Оскільки полімер наноситься на поверхню, поки тече по ній, полімерні молекули, через їх різкі співвідношення розмірів, віддають перевагу подовжній орієнтації, тому отримана плівка структурована й анізотропна у напрямі потоку. Вона також безперервна уздовж поверхні, таким чином, що уникає зіткнення з небажаними поперечними ребрами. На додаток до анізотропії і володіння майже безперервною поверхнею, товщина покриття в результаті, його поперечна структура і її щільність задовольняють вимогам до добре встановленого покриття, що знижує опір. Більше того, коли полімери, такі, як ПЕО, утворюють структури, подібні до щіток або кистей, покриття, як правило, поводиться як система полімерів, волокон і ріблетів. При збільшенні напруги зрушення, адсорбовані шари можуть бути стислі і об'єднані. Таким чином, в процесі напилення, дотична напруга має бути змінена, наприклад, судно уповільнено для вивільнення ввібраних газів, що тим самим контролює щільність і в'язкопружні властивості адсорбційних шарів з ефектом зачеплення молекул. Через характер покриття і турбулентного поля потоку, плівкова поверхня знаходиться в циклічному процесі осадження (адсорбція) і видалення (десорбція). Залежно від швидкості викиду, полімер може бути в стані осадження, в рівноважному стані, коли швидкість осадження приблизно дорівнює швидкості абляції, або в абляційному стані. Як і при використанні полімерних добавок в покриттях, ріблетах або волокнах, рівень витрат полімеру, необхідних для досягнення певного рівня зменшення опору значно знижується по відношенню до швидкості, необхідної для коротких періодів викиду на жорстку поверхню. Натурні випробування в морі показали, що в 7 UA 99942 C2 5 10 15 20 25 30 початковому стані, тобто без тривалого викиду або зі зниженим викидом, плівка може зменшити опір тертя приблизно на 10 відсотків. Детальний опис Даний винахід відноситься до способу зниження опору в'язкопружного покриття на поверхнях, задіяних у морських і промислових середовищах. Метод містить наступні кроки, виконані в зазначеному, але не обов'язково хронологічному порядку: (а) змішування полімеру з розчинником в концентрований розчин для виробництва першої рідини, яка має приблизно ту ж щільність, що і друга рідина, яка тече по поверхні, опір тертя другої рідини, поточної по поверхні, має бути скорочений; (б) викид першої рідини, створеної в кроці (а) в другу рідину, що тече поверхнею таким чином, який не сприяє посиленню дифузії викинутої першої рідини за усім обсягом пограничного шару потоку другої рідини, в той час, як друга рідина тече по поверхні, з викидом першої рідини в певній концентрації і з деякою швидкістю викиду, такими, що покриття з полімеру адсорбується на поверхню і росте по товщині з часом, і (с) виконання принаймні одного відсікаючого викиду першої рідини, утвореної в кроці (а) в другу рідину, або викид першої рідини утвореної в кроці (а) в другу рідину із швидкістю такої, що покриття з полімерів стає тонше з часом. У кроці (б) одна або декілька концентрацій першої рідини, швидкість викиду першої рідини, і швидкість другої рідині можуть бути відрегульовані так, щоб було можливим контролювати швидкість адсорбції полімеру поверхнею, з тим, щоб встановити полімерний адсорбційний шар з ефектом зачеплення молекул в бажаний період часу. Крім того, в ході виконання кроку (б), дотична напруга на полімерний адсорбційний шар з ефектом зачеплення молекул на вибір може бути пом'якшена в один або кілька разів для контролю потенційного вбирання газів або інших матеріалів і консолідувати в результаті полімерний адсорбційний шар з ефектом зачеплення молекул. Ще далі, після послаблення дотичної напруги на адсорбційний шар (шари) з ефектом зачеплення молекул, перша рідина може потекти зі швидкістю, що досягає стану рівноважного покриття, впродовж якого швидкість видалення полімеру з поверхні збалансована із швидкістю осадження полімеру на поверхню. Проте, рівноважний стан покриття, можна встановити як завгодно малим (тобто, може бути короткочасним). Вищезгадані кроки (а) - (с) можуть бути повторені, щоб бажана мінімальна товщина полімерного покриття зберігалася впродовж тривалого періоду часу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 55 60 1. Спосіб створення в'язкопружного покриття, яке знижує опір, для морських і промислових поверхонь, який відрізняється тим, що передбачає наступні операції, виконані як зазначено нижче, але не обов'язково у вказаній послідовності: (а) перемішування полімеру, який знижує опір і який має властивості утворення адсорбційних шарів із ефектом зчеплення молекул, з розчинником у концентрований розчин для створення першої рідини, що має приблизно ту ж щільність, що і друга рідина, яка тече по поверхні; (б) виштовхування першої рідини, створеної в операції (а), спрямоване по дотичній до другої рідини, що тече по поверхні, причому виштовхування першої рідини здійснюють з такими концентрацією та швидкістю потоку виштовхування, що покриття полімеру, який знижує опір, яке включає полімерні адсорбційні шари з ефектом зчеплення молекул, адсорбується на поверхні, і покриття полімеру, який знижує опір, стає товщим з часом, і, крім того, один або більше з таких параметрів, як концентрація Сі першої рідини, швидкість виштовхування Qi першої рідини, а також швидкість вільного потоку U∞ другої рідини регулюють з метою контролювання адсорбування покриття полімеру на поверхню; та (в) зниження швидкості виштовхування першої рідини з тим, щоб полімерні адсорбційні шари з ефектом зачеплення молекул ставали тоншими з часом. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що додатково включає при здійсненні операції (б) тимчасову релаксацію дотичних напружень на адсорбованому покритті полімеру один або більше раз за рахунок зменшення швидкості вільного потоку U ∞ другої рідини для контролю потенційного всмоктування газів або інших матеріалів і закріплення в результаті полімерного адсорбційного шару або шарів. 3. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що після релаксації дотичної напруги першу рідину виштовхують в концентрації і зі швидкістю такими, які призводять до рівноважного стану 8 UA 99942 C2 5 покриття, у якому швидкість видалення полімеру з поверхні врівноважена швидкістю осадження полімеру на поверхню. 4. Спосіб за п. 3, який відрізняється тим, що рівноважний стан покриття є тільки короткочасним. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що операції (а)-(в) повторюють один або більше разів з тим, щоб зберігати бажану мінімальну товщину покриття протягом тривалого періоду часу. 6. Спосіб за будь-яким одним з пунктів 1-5, який відрізняється тим, що розчинником, який перемішують з полімером, що знижує опір, є поліетиленоксид, та другою рідиною, що тече по поверхні, є морська вода. 10 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9