Métodos

Superfícies Super-Hidrofóbicas

      Estudos recentes mostram que superfícies hidrofóbicas tendem a dificultar o depósito de gelo superficial uma vez que a água, no estado líquido, não consegue aderir adequadamente a elas. Além disso, a tensão cisalhante necessária para retirar uma camada de gelo formada sobre esse tipo de superfície chega a ser dez vezes menor que a tensão necessária para retirar o gelo de uma superfície comum. Assim, um tema de relevante à presente pesquisa é a identificação e a caracterização de superfícies que possuam propriedades hidrofóbicas, a fim de serem aplicadas sobre sensores de velocidade aeronáuticos. O objetivo claro é evitar ou dificultar a formação e depósito de gelo sobre os sensores evitando seu bloqueio.

      As superfícies hidrofóbicas são classificadas geralmente pelo valor do ângulo de contato entre a superfície sólida e a superfície líquida. Se este ângulo for maior que 135° ou 150° a superfície pode ser considerada super-hidrofóbica. Isso ocorre uma vez que o contato entre a superfície e o líquido é muito pequeno. Na natureza, esse fenômeno pode ser observado em folhas de algumas plantas específicas, como por exemplo, a folha de Lotus. Essas folhas possuem a características de serem, geralmente, muito limpas, uma vez que as gotas de água ao caírem sobre suas folhas arrastam junto suas impurezas. Os primeiros estudos visando o entendimento desse fenômeno se deram na década de 30 e 40 com os trabalhos de Wenzel (1936) e Cassie (1944) na área da indústria têxtil. Chegou-se então à conclusão de que o efeito de hidrofobicidade era produzido por meio de rugosidades (micro ou nano rugosidades) nestas superfícies. As folhas de lotus, por exemplo, possuem estruturas hierárquicas (nano-rugosidades estruturadas sobre rugosidades micrométricas) sobre sua superfície. Para uma visão mais geral sobre este fenômeno e outras aplicações desse tipo de superfícies consulte Bhushan (2011).

      No começo deste século surgiram os primeiros trabalhos relatando o uso da super-hidrofobicidade para evitar a deposição de gelo sobre superfícies. Em Cao et al. (2009) dois experimentos muito simples foram realizados. Primeiramente, duas placas de alumínio, uma com revestimento super-hidrofóbico e a outra sem, foram expostas a condições climáticas rigorosas (≈−10°C). Como resultado, a placa sem revestimento ficou completamente congelada com certa espessura de gelo sobre sua superfície. A placa com revestimento, no entanto, não apresentou acúmulo de gelo sobre sua superfície, havendo apenas alguns pontos com presença de gelo, como, por exemplo, as bordas da placa, onde gotas de água tendem a se acumular. O segundo experimento, novamente utilizando duas superfícies de alumínio com revestimentos diferentes, consistiu em despejar água super-resfriada a -20°C sobre as duas placas de alumínio também mantidas a -20°C. No momento em que a água super-resfriada atinge a placa sem alumínio, a água congela no mesmo instante, formando uma camada de gelo espessa sobre a superfície. No entanto, ao atingir a placa com revestimento super-hidrofóbico, a água super-resfriada simplesmente escorre pela placa. Uma camada de gelo começa a ser formada a partir da base desta chapa em contato com o solo e vai cobrindo toda a superfície. Mas, ao se levantar a placa do solo, todo o gelo acumulado sobre sua superfície se desprende deixando a superfície sem qualquer sinal de contaminação. Em Wang et al. (2009 e 2010) os experimentos são realizados com hastes de alumínio. Três hastes (com diâmetro de 2,6mm) são preparadas: uma sem revestimento algum, outra com revestimento hidrofóbico (ângulo de contato maior que 90°) e uma terceira com revestimento super-hidrofóbico. As hastes são mantidas em um ambiente controlado a temperatura de -6°C e borrifadas com água a 0°C. A deposição de gelo nas três hastes é acompanhada ao longo do tempo. Com 1 minuto, a haste sem revestimento já está completamente coberta por gelo, a haste com revestimento hidrofóbico apresenta alguns pontos de deposição de gelo, e a haste com revestimento Com 30 minutos, a haste sem revestimento possui uma camada de gelo com espessura de mais de 2 mm, a haste com revestimento hidrofóbico está completamente coberta por gelo, mas com uma espessura menor, e a haste super-hidrofóbica possui gelo acumulado apenas nas extremidades da haste (locais onde as gotas de égua se acumulam com maior facilidade), apresentando quase toda sua extensão livre de qualquer deposição de gelo. No trabalho de Kulinich et al. (2011) estudou-se a tensão cisalhante necessária para retirar uma camada de gelo formada sobre uma superfície super-hidrofóbica. O valor obtido por Kulinich em algumas amostras chega a ser dez vezes menor que a tensão cisalhante necessária para retirar uma camada de gelo similar sobre uma placa do mesmo material só que sem qualquer revestimento. No entanto, ao longo de alguns ciclos de congelamento e descongelamento a superfície começa a perder sua característica de super-hidrofobicidade e a tensão cisalhante necessária aumenta ao mesmo tempo em que o ângulo de contato da água com a superfície diminui. Segundo o autor isso pode ser causado pela constante erosão das micro/nano rugosidades ao se realizar os testes para a retirada da camada de gelo.

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