Nasssog

Wenn Sie etwas Wasser zwischen zwei Fensterglasscheiben geben, kleben sie aneinander und es bedarf einiger Kraft, um sie zu trennen, da sie durch einen kontinuierlichen Wasserfilm miteinander verbunden sind. Das Gleiche passiert, wenn der Belag auf sehr nassem Schnee gleitet: Ein Wasserfilm verbindet den Schnee mit dem Belag und verursacht einen Sog. Das Ausmaß des Nasssogs hängt vom Feuchtigkeitsgehalt des Schnees ab. Ein wenig Feuchtigkeit im Schnee ist gut, denn die kleinen Tröpfchen, die sich bilden, wirken wie schmierende Kugellager, die das Gleiten des Belags auf dem Schnee erleichtern. Mit zunehmendem Wassergehalt verwandeln sich die Tröpfchen in einen durchgehenden Film, der eine Sogwirkung zwischen Belag und Schnee erzeugt.

Verringerung des Nasssogs

Wenn Sie keinen Schneeball formen können, ist der Schnee trocken und es besteht kein Nasssog; wenn Sie einen Schneeball formen können, der aber zerbröckelt, ist der Schnee mäßig feucht und es besteht ein gewisser Nasssog; und wenn Sie einen Schneeball formen können, der zusammenbleibt, ist der Schnee nass und es besteht ein erheblicher Nasssog. Der offensichtliche Weg zur Verringerung des Nasssogs besteht darin, das Wasser in Form von Tröpfchen im Schnee zu halten. und die Filmbildung zu verhindern. Dies wird durch die Imprägnierung des Untergrunds erreicht, so dass das Wasser in Tröpfchenform bleibt, wie auf einem Regenmantel. In Anlehnung an unser Kartenspielmodell imprägnieren wir das Wachs, indem wir einige wasserabweisende "Karten" mit den Kohlenwasserstoffkarten mischen. Dies ist in den drei folgenden Abbildungen dargestellt. In der ersten Abbildung haben wir ein Kohlenwasserstoffwachs (gelbe Karten), in dem viel Wasser in Form eines Films vorhanden ist (blau dargestellt), der den Untergrund vollständig bedeckt. In der zweiten Abbildung wurden dem Kohlenwasserstoff wasserabweisende "Karten" (in weiß) hinzugefügt, und das Wasser zerfällt in kleine Kugeln (wie auf einem Regenmantel) und bleibt nicht mehr am Wachs haften. Die dritte Abbildung ist ein Foto eines Belags, der mit einem Wachs behandelt wurde, das ein wasserabweisendes Mittel enthält, und zeigt, wie das Wasser auf dem Belag abperlt.

Illustration eines Skibelags auf nassem Schnee, bei dem ein Wasserfilm einen Sog erzeugt. Das Bild zeigt, wie spezielle wasserabweisende Additive im Skiwachs das Wasser in Tröpfchenform halten und so die Filmbildung verhindern.

Typische wasserabweisende Additive sind Fluoride, Silikone und nanotechnologische wasserabweisende Mittel. Diese Additive neigen dazu, die Trockenreibung von Kohlenwasserstoffwachsen zu erhöhen, und dürfen nur auf feuchtem und nassem Schnee verwendet werden, wo der Nutzen aus der Verringerung des Nasssogs den Nachteil durch die Erhöhung der Trockenreibung überwiegt.

Wasserabweisende Technologie

Fluorierte Additive sind die bei weitem wirksamsten heute verfügbaren Imprägniermittel. Es handelt sich dabei um synthetische Chemikalien mit der Bezeichnung PFAS (Per- und Polyfluoralkylsubstanzen). Neben der wasserabweisenden Wirkung weisen PFAS auch eine hervorragende Öl- und ölhaltige Schmutzabweisung auf, so dass sie auf schmutzigem Schnee sehr wirksam sind. Die ersten dieser Art waren Perfluorcarbone und wurden Anfang der achtziger Jahre auf dem Skiwachsmarkt eingeführt. Sie werden als Perfluorkohlenstoffe bezeichnet, weil sie zwei Elemente enthalten, nämlich Fluor und Kohlenstoff. Der Grundbaustein der Perfluorkohlenstoffe ist die Fluormethylengruppe CF2, die ein Kohlenstoff- und zwei Fluorelemente enthält und die wir durch ein blaues Quadrat darstellen:

Schematische Darstellung der chemischen Struktur von PFAS, die aus Fluormethylengruppen bestehen. Diese Additive sorgen für hervorragende Wasser- und Ölabweisung in Skiwachsen und minimieren den Nasssog auf nassem Schnee.

Diese Bausteine können aneinandergereiht werden, um lineare Perfluorkohlenwasserstoffe zu erhalten (die - - - in der Abbildung stehen für weitere Bausteine, die aus Platzgründen nicht dargestellt sind).

Diagramm, das zeigt, wie Perfluorkohlenstoffe als lineare Moleküle in Skiwachsen verwendet werden. Diese Wachse bieten eine hohe Wasserabweisung und reduzieren den Nasssog auf Schnee mit hohem Feuchtigkeitsgehalt.

Wie bei den Paraffinen handelt es sich bei den in Ski- und Snowboardwachsen verwendeten Perfluorkohlenwasserstoffen nicht um einzelne Komponenten, sondern um Mischungen einzelner Verbindungen. Niedrigschmelzende Perfluorkohlenwasserstoffe sind Mischungen, die 16, 18, 20, 22 und 24 Bausteine enthalten, mit einem Durchschnitt von 20 Bausteinen, die bei etwa 110 °C schmelzen. Höher schmelzende Perfluorkohlenwasserstoffe sind Mischungen, die durchschnittlich 26 Bausteine enthalten und bei etwa 140C (230F) schmelzen. Perfluorkohlenwasserstoffe vermischen sich nicht mit Kohlenwasserstoffwachsen, so dass sie, wenn sie auf Kohlenwasserstoffe aufgetragen werden, auf der Oberfläche bleiben.

Grafik zur Unverträglichkeit zwischen Perfluorkohlenstoffen und Kohlenwasserstoffwachsen. Das Bild zeigt, wie diese Chemikalien auf der Wachsoberfläche bleiben und ihre wasserabweisende Wirkung begrenzt ist.

Aufgrund dieser Unverträglichkeit haften Perfluorkohlenwasserstoffe nur schlecht am Kohlenwasserstoffwachs und ihre Haltbarkeit ist begrenzt. Sie sind ziemlich weich und werden von aggressivem Schnee durchdrungen, so dass ihre Nützlichkeit auf Schneetemperaturen über -8C (18F) beschränkt ist. Perfluorkohlenwasserstoffe weisen eine hervorragende wasserabweisende Wirkung und eine sehr geringe innere Reibung in ihrem Einsatzbereich auf, weshalb sie im Schneesport großen Anklang gefunden haben. In den späten achtziger Jahren wurde mit der Forschung begonnen, um den Anwendungsbereich von fluorierten Additiven zu erweitern, indem neue Arten von PFAS entwickelt wurden, die mit Kohlenwasserstoffwachsen kompatibel und bei niedrigeren Schneetemperaturen wirksam sind.

Die beste Art, zwei unvereinbare Chemikalien zu mischen, ist die Verwendung eines Amphiphils (vom griechischen Wort für "mag beides"). Das häufigste Beispiel ist die Verwendung von Seife, um Öl beim Waschen zu entfernen. Öl und Wasser vermischen sich nicht, daher kann Wasser allein einen öligen Fleck nicht aus einem Stoff entfernen,

Illustration, die zeigt, wie amphiphile Moleküle zwei unterschiedliche Substanzen wie Öl und Wasser mischen können. Das Bild dient als Analogie zur Integration von PFAS in Kohlenwasserstoffwachse.

Hände, usw. Eine Seife ist ein Molekül, das zwei Teile enthält, einen, der sich in Öl auflöst, und einen, der sich in Wasser auflöst.

Wenn die Seife zu Öl gegeben wird, löst sich der öllösliche Teil des Moleküls darin auf, während der wasserlösliche Teil an der Oberfläche bleibt.

Wenn Wasser zugeführt wird, löst sich der wasserlösliche Teil im Wasser auf, und der ölige Fleck wird durch das Wasser weggetragen.

Serie von Diagrammen (1), die die Funktion von amphiphilen Molekülen zeigen. Diese Moleküle verbinden sich mit Kohlenwasserstoff- und Perfluorkohlenstoffstrukturen, um wasserabweisende Skiwachse zu schaffen.
Serie von Diagrammen (2), die die Funktion von amphiphilen Molekülen zeigen. Diese Moleküle verbinden sich mit Kohlenwasserstoff- und Perfluorkohlenstoffstrukturen, um wasserabweisende Skiwachse zu schaffen.
Serie von Diagrammen (3), die die Funktion von amphiphilen Molekülen zeigen. Diese Moleküle verbinden sich mit Kohlenwasserstoff- und Perfluorkohlenstoffstrukturen, um wasserabweisende Skiwachse zu schaffen.

Ein ähnliches Konzept wurde zur Entwicklung von kohlenwasserstoffkompatiblen PFAS verwendet, indem Moleküle erzeugt wurden, die Kohlenwasserstoff- und Perfluorkohlenstoff-Bausteine enthalten. Es wurde festgestellt, dass die Verwendung von acht Perfluorkohlenstoff- und 14 bis 20 Kohlenwasserstoff-Bausteinen Moleküle mit der besten Kompatibilität mit Kohlenwasserstoffwachsen und der besten Leistung auf Schnee ergab. Diese PFAS wurden nach der Anzahl der Perfluorkohlenstoff-Bausteine, die sie enthalten, als C8-Fluoros bezeichnet, wie unten dargestellt:

Kohlenwasserstoff-kompatible C8 PFAS allein:

Chemische Struktur von C8-PFAS, die aus Kohlenwasserstoff- und Perfluorkohlenstoffbausteinen bestehen. Diese Additive bieten eine effektive Wasser- und Ölabweisung, die die Leistung von Skiwachsen optimiert.

Das Kohlenwasserstoffsegment des Moleküls macht sie mit den Kohlenwasserstoffwachsen kompatibel:

PFAS gemischt mit Kohlenwasserstoff:

Schematische Darstellung der Mischung von C8-PFAS mit Kohlenwasserstoffwachsen, um wasserabweisende Eigenschaften zu verbessern. Die Fluorsegmente orientieren sich an der Wachsoberfläche, um den Nasssog zu reduzieren.

Wenn Kohlenwasserstoffwachse, die C8-PFAS enthalten, in die Basis eingebügelt werden, bleibt das Perfluorkohlenstoffsegment des Moleküls an der Oberfläche und stößt Wasser ab. Wird nun ein Perfluorkohlenstoff auf dieses C8-PFAS-haltige Wachs aufgebracht, richten die Fluorblöcke des Perfluorkohlenstoffs den C8-Fluorblock der PFAS im Wachs aus, und Wachs und Overlay sind kompatibel; dies verbessert die wasserabweisende Wirkung des Wachses und die Haltbarkeit des Overlays:

PFAS gemischt mit Kohlenwasserstoff und Perfluorkohlenstoff:

Illustration, die zeigt, wie C8-PFAS in Kombination mit Kohlenwasserstoffen und Perfluorkohlenstoffen die Haltbarkeit und wasserabweisende Wirkung von Skiwachsen verbessert.

Es sei darauf hingewiesen, dass die von den meisten Wachsherstellern verwendeten PFAS sehr ähnlich sind und die Leistungsunterschiede zwischen den einzelnen Marken hauptsächlich auf die Zusammensetzung des Kohlenwasserstoffwachses und nicht auf die Art des PFAS-Zusatzes zurückzuführen sind.

Gesundheitliche Bedenken gegenüber C8-Fluorverbindungen führten zur Entwicklung von C6-Fluorverbindungen, die, wie unten dargestellt, sechs statt acht Perfluorkohlenstoff-Bausteine enthalten:

Leider sind die C6-Fluoride nicht so wirksam wasser- und ölabweisend wie die C8-Fluoride.

C6 PFAS:

Chemische Struktur von C6-PFAS, die sechs Perfluorkohlenstoff-Bausteine enthalten. Diese Additive bieten weniger effektive Wasser- und Ölabweisung, gelten jedoch als umweltfreundlicher.

Weiter (Nasssog - Teil 2)

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