65號航空冷卻液的泡沫傾向性研究

毛紀昕，胡建強，郭 力

(空軍勤務(wù)學院航空軍需與燃料系，江蘇 徐州 221000)

近年來，隨著機載電子設(shè)備高性能化、小型化的發(fā)展，作為電子設(shè)備核心的芯片，工作的主頻越來越快，消耗的功率越來越大，散發(fā)出的熱量也越來越多[1-3]。眾所周知，器件的可靠性對溫度十分敏感，因此，冷卻散熱技術(shù)的發(fā)展是機載電子設(shè)備高可靠、高性能、低成本發(fā)展趨勢中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)[4]。

目前，使用較廣的散熱技術(shù)為液體散熱，因其高效廉價的特點被人們普遍認可。機載設(shè)備散熱主要靠航空冷卻液，其主要成分為水乙二醇溶液，由于它的沸點高、冰點低、流動性好等一些獨特性能而廣受人們喜愛[5-7]。但在實際使用過程中，保障人員發(fā)現(xiàn)，在加注前的循環(huán)過濾中，航空冷卻液有時會出現(xiàn)泡沫較多的現(xiàn)象，無法對飛機進行加注使用，嚴重影響飛行保障效率。

本研究主要對4個不同廠家生產(chǎn)的65號航空冷卻液進行泡沫傾向性的測定，并對比水乙二醇溶液的泡沫傾向性，探究航空冷卻液產(chǎn)生泡沫的原因，以期對航空冷卻液的儲存與使用提供更多的理論支持。

1 實 驗

1.1 試劑及原料

A型65號航空冷卻液，由沈陽龍騰化工有限公司生產(chǎn)；B型65號航空冷卻液，由中國石化潤滑油公司生產(chǎn)；C型65號航空冷卻液，由重慶特陽化工有限公司生產(chǎn)；D型65號航空冷卻液，實驗室自制；乙二醇，分析純，由西隴化工股份有限公司生產(chǎn)；鉬酸鈉(質(zhì)量分數(shù)大于99%)、正辛酸(質(zhì)量分數(shù)大于99%)、T922抗泡劑(工業(yè)級)，均由徐州錦繡化工公司生產(chǎn)；蒸餾水，實驗室制備。

1.2 儀器設(shè)備

BF-24航空冷卻液泡沫傾向測定儀，由大連北方分析儀器有限公司生產(chǎn)；FOAMSCAN泡沫掃描儀，由法國泰克利斯技術(shù)有限公司生產(chǎn)；BX1012空氣壓縮機，由福建巨霸機械有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗方法

采用BF-24航空冷卻液泡沫傾向測定儀，根據(jù)石化行業(yè)標準《發(fā)動機冷卻液泡沫傾向測定法(SH/T 0066—2002)》分別測試航空冷卻液與水乙二醇溶液在不同溫度和不同充氣時間下的泡沫傾向性，并進行添加劑對比試驗。試驗條件為：空氣流量保持在(1 000±25) mL/min；通氣時間分別為5，10，20 min；試驗溫度分別為25，35，55，75，85 ℃。試驗前用參比冷卻液來確定所用玻璃器皿和試驗儀器是否殘留消泡劑。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配方65號航空冷卻液的泡沫傾向性對比

根據(jù) SH/T 0066—2002試驗方法進行試驗，并根據(jù)《航空冷卻液規(guī)范(GJB 6100—2007)》中的泡沫體積和泡沫破滅時間來評價其泡沫傾向性，即泡沫生成體積越大，泡沫破滅時間越長，表示泡沫傾向性越大；反之，泡沫傾向性就越小。

表1為A型65號航空冷卻液的泡沫傾向性試驗結(jié)果。從表1可以看出，A型航空冷卻液的泡沫傾向性受溫度和時間影響較為明顯。在溫度較低的條件下，A型航空冷卻液的泡沫體積較大，均大于規(guī)范中的50 mL，最大值達到了225 mL，泡沫破滅時間也較長，大于規(guī)范中的5 s。同時，隨著溫度分別升高到75 ℃和85 ℃，在通氣時間較短的情況下，冷卻液生成的泡沫體積較小，泡沫破滅時間較短，符合規(guī)范要求。但隨著通氣時間的增長，生成的泡沫就越多，冷卻液的泡沫傾向性也就越大。因此，溫度越高，通氣時間越短，A型航空冷卻液的泡沫傾向性就越小。

表1 A型65號航空冷卻液的泡沫傾向性試驗結(jié)果

B型65號航空冷卻液的泡沫傾向性試驗結(jié)果如表2所示。從表2可知，在通氣時間或溫度相同的條件下，不同溫度或通氣時間下B型航空冷卻液產(chǎn)生的泡沫體積均小于規(guī)定值50 mL，這說明了B型冷卻液的泡沫生成體積受溫度和通氣時間影響較小。與A型65號冷卻液不同的是，B型65號航空冷卻液泡沫傾向性較小并且?guī)缀醪皇芩囟群屯鈺r間的影響。

C型65號航空冷卻液的泡沫傾向性試驗結(jié)果如表3所示。從表3可知，與A型65號冷卻液較為相似，其泡沫傾向性同樣受水浴溫度和通氣時間的影響，且在常溫條件下泡沫傾向性大，泡沫生成體積和泡沫破滅時間均不合格，但隨著溫度升高，泡沫傾向性逐漸變小。在25 ℃和35 ℃的條件下，C型航空冷卻液產(chǎn)生的泡沫體積較大，均超過100 mL，最大值達到了200 mL，泡沫破滅時間也超過10 s。但隨著溫度升高至55 ℃，C型航空冷卻液所產(chǎn)生的泡沫體積減小至40 mL以內(nèi)，泡沫破滅時間也縮短至5 s以內(nèi)，達到規(guī)范要求。隨著溫度繼續(xù)升高，在75 ℃和85 ℃下，雖然泡沫體積較55 ℃并未減少太多，但在高溫條件下，其泡沫破滅時間縮短到2 s，同樣能夠得出升溫能夠縮短泡沫破滅時間的結(jié)論。

表2 B型65號航空冷卻液的泡沫傾向性試驗結(jié)果

表3 C型65號航空冷卻液的泡沫傾向性試驗結(jié)果

D型65號航空冷卻液的泡沫傾向性試驗結(jié)果如表4所示，從表4可知，D型航空冷卻液的泡沫傾向性較大，在各種試驗條件下均不合格，并且產(chǎn)生的泡沫體積遠大于合格標準。由于D型冷卻液是試驗室自配的，添加時只考慮了添加劑的種類和劑量，沒有考慮到添加劑的活性以及相互的協(xié)同作用，導致其泡沫特性遠遠差于冷卻液產(chǎn)品標準，這也同樣說明了冷卻液配方會顯著地影響冷卻液的泡沫特性。

表4 D型65號航空冷卻液的泡沫傾向性試驗結(jié)果

2.2 無添加劑的水乙二醇溶液的泡沫傾向性分析

表5為無添加劑的乙二醇質(zhì)量分數(shù)為65%的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗結(jié)果。從表5可知，試驗所測定的不同質(zhì)量分數(shù)的水乙二醇溶液泡沫傾向性均表現(xiàn)優(yōu)異，在不同的試驗條件下其泡沫體積均未超過50 mL，泡沫破滅時間小于5 s，符合規(guī)范要求。說明水乙二醇溶液極性體系能夠在低溫長時間的通氣條件下保持較小的泡沫體積，并且能夠迅速消泡，表現(xiàn)出優(yōu)異的泡沫傾向性。

表5 無添加劑的乙二醇質(zhì)量分數(shù)為65%的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗結(jié)果

將65號航空冷卻液與乙二醇質(zhì)量分數(shù)為65%的水乙二醇溶液的泡沫傾向性結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出：各樣品的泡沫傾向性差異較大，A型和D型航空冷卻液泡沫體積受試驗溫度和通氣時間影響較大，產(chǎn)生的泡沫體積遠大于水乙二醇溶液的泡沫體積，并且溫度越高，泡沫體積越小，通氣時間越長，泡沫體積越大；C型航空冷卻液在低溫下泡沫傾向性大，當溫度升高時，其泡沫傾向性變小，生成泡沫體積減小；而B型航空冷卻液和水乙二醇溶液的泡沫體積受溫度和時間影響較小，且產(chǎn)生的泡沫體積遠小于A型和D型航空冷卻液的泡沫體積。

4種航空冷卻液(A，B，C，D)以及無添加劑的乙二醇質(zhì)量分數(shù)為65%的水乙二醇溶液泡沫生成體積隨時間的變化如圖2所示。從圖2可以看出，4種航空冷卻液泡沫體積增長趨勢差異顯著，A型和D型航空冷卻液泡沫體積增長較快，分別在 20 s 和40 s時生成的泡沫體積便達到了50 mL，C型冷卻液泡沫體積在經(jīng)過短暫的增長后便逐漸下降，泡沫體積穩(wěn)定在5 mL左右。B型冷卻液和水乙二醇溶液在整個充氣過程中泡沫傾向性表現(xiàn)優(yōu)異，泡沫體積最高值也小于20 mL，最后穩(wěn)定在5 mL左右。

圖1 不同溫度下冷卻液與無添加劑的水乙二醇溶液泡沫體積對比■—水乙二醇溶液; ■—B型冷卻液; ■—C型冷卻液; ■—A型冷卻液; ■—D型冷卻液

圖2 65號航空冷卻液以及水乙二醇溶液泡沫生成體積隨時間的變化曲線 —A型冷卻液; —B型冷卻液; —C型冷卻液; —D型冷卻液; —水乙二醇溶液

2.3 添加不同添加劑的水乙二醇溶液泡沫傾向性分析

為了探究添加劑對冷卻液泡沫傾向性的影響，選取65號冷卻液中主要的3種添加劑(緩蝕劑、防腐劑和消泡劑)進行試驗。其中，緩蝕劑選用鉬酸鈉，防腐劑選用正辛酸，消泡劑選用T922(復合消泡劑)，分別與乙二醇質(zhì)量分數(shù)為65%的水乙二醇溶液進行配制，3種添加劑加入量(w)均為0.2%。對比加入不同添加劑的水乙二醇溶液泡沫傾向性的差異。

添加質(zhì)量分數(shù)0.2%鉬酸鈉緩蝕劑的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗結(jié)果如表6所示。從表6可知，添加鉬酸鈉緩蝕劑的水乙二醇溶液的泡沫傾向性較好，加入鉬酸鈉緩蝕劑并沒有讓水乙二醇的泡沫傾向性產(chǎn)生變化，其產(chǎn)生的泡沫體積均小于40 mL，泡沫破滅時間均小于4 s，并且當溫度升至55 ℃后，其產(chǎn)生的泡沫體積更小，泡沫破滅時間更短，與無添加劑的水乙二醇溶液相近，說明鉬酸鈉并沒有影響水乙二醇的泡沫傾向性。

表6 添加質(zhì)量分數(shù)0.2%鉬酸鈉的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗結(jié)果

添加質(zhì)量分數(shù)0.2%正辛酸的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗結(jié)果如表7所示。從表7可知，添加質(zhì)量分數(shù)0.2%正辛酸的水乙二醇溶液的泡沫傾向性較差，通氣后便迅速產(chǎn)生大量泡沫，泡沫體積最大值達到350 mL，而且泡沫破滅時間較長，空氣釋放能力弱，與水乙二醇溶液的泡沫傾向性差異明顯，說明正辛酸的加入使得水乙二醇溶液的泡沫傾向性發(fā)生了顯著變化。在泡沫生成體積上，加入正辛酸的水乙二醇溶液發(fā)泡能力明顯增強，能夠迅速產(chǎn)生大量泡沫，只有當溫度升到85 ℃高溫時，泡沫生成體積才從350 mL下降到265 mL；在泡沫破滅時間上，由于泡沫生成體積較大，而正辛酸的加入使得溶液的空氣釋放能力減弱，導致泡沫破滅時間較長，最長達73 s。隨著溫度升高，雖然泡沫生成體積不變，但泡沫破滅時間會隨著溫度的升高而縮短，到75 ℃時，泡沫生成體積不變，而泡沫破滅時間能夠從73 s 縮短至22 s，表明升溫能夠有效促進冷卻液中的氣體釋放。

表7 添加質(zhì)量分數(shù)0.2%正辛酸的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗結(jié)果

添加質(zhì)量分數(shù)0.2% T922的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗結(jié)果如表8所示。從表8可知，向水乙二醇溶液中加入質(zhì)量分數(shù)為0.2%的T922會在一定程度上增加溶液的泡沫傾向性，生成的泡沫體積較未添加T922的水乙二醇溶液有所增加，但均在合格范圍內(nèi)，表明添加T922影響水乙二醇溶液的泡沫傾向性，但影響程度不如有機酸添加劑顯著。隨著溫度升高，生成的泡沫體積減少至與未添加T922的水乙二醇溶液一致。

表8 添加質(zhì)量分數(shù)0.2% T922的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗結(jié)果

2.4 泡沫傾向性機理分析

通過對比航空冷卻液、水乙二醇溶液及其含不同添加劑時的泡沫傾向性可以得出，水乙二醇體系本身是極性的，在通氣攪拌的過程中基本不會產(chǎn)生泡沫，而航空冷卻液出現(xiàn)泡沫較多的現(xiàn)象是由于其加入的部分添加劑屬于表面活性物質(zhì)，與水乙二醇形成了兩性環(huán)境，導致了大量泡沫的產(chǎn)生。例如添加鉬酸鈉的水乙二醇溶液泡沫傾向性沒有變化，是因為鉬酸鈉為無機添加劑，在溶液中溶解后電離成鉬酸根離子和鈉離子，對溶液的泡沫傾向性不產(chǎn)生影響。而添加正辛酸的水乙二醇溶液泡沫傾向性變化明顯，是由于正辛酸為有機防腐劑，其結(jié)構(gòu)上的羧基屬于親水基團，而烴基屬于憎水基團，在通入空氣形成氣泡的過程中，正辛酸分子便會吸附在氣-液界面上，分子中的羧基親水基團和水接觸，烴基憎水基團便和空氣接觸，形成定向排列，一方面加強液膜彈性，減小表面張力和透氣性，另一方面提升液膜黏度，減少流動性和泡沫破裂速率，泡沫穩(wěn)定性得以增強，表面張力越低，泡沫就越容易形成，并且形成的泡沫也就越穩(wěn)定。由于T922消泡劑是有機硅型消泡劑與非硅型消泡劑的復合，其中不免含有二甲基硅油這種非極性物質(zhì)，表面張力較小，反而會使得水乙二醇溶液的泡沫傾向性出現(xiàn)一定程度下降。

溫度和通氣時間都對冷卻液的泡沫傾向性有著顯著的影響，溫度越高，冷卻液泡沫傾向性越好，這是因為隨著溫度的升高，泡沫中的氣體分子受熱加劇運動，使得氣體的擴散作用增強，并且高溫還能加快液膜的排液作用，使得液膜越來越薄，泡沫穩(wěn)定性下降[8-9]。而通氣時間越長，冷卻液泡沫傾向性越差，是因為延長通氣時間，就增加了空氣與冷卻液的接觸時間[10]，使得更多的氣體有機會溶入冷卻液中，并且由于空氣的攪動作用，使得溶入冷卻液的氣體變得更加細小，更能穩(wěn)定存在于冷卻液中，生成的泡沫更難消除。

3 結(jié) 論

(1) 水乙二醇溶液體系的泡沫傾向性較小，在不同試驗溫度和不同通氣時間下產(chǎn)生的泡沫體積較小，且泡沫破滅時間短，不是導致冷卻液產(chǎn)生泡沫的原因。而A，B，C，D 4種不同配方的65號航空冷卻液在泡沫傾向性能上表現(xiàn)差異巨大，說明65號冷卻液中的添加劑是改變其泡沫傾向性的根本原因。

(2) 3種添加劑對水乙二醇溶液泡沫傾向性的影響程度由大到小的順序為：正辛酸>T922抗泡劑>鉬酸鈉。

(3) 65號航空冷卻液的泡沫傾向性會受溫度與通氣時間的影響，并且其泡沫傾向性隨溫度的升高而減小，隨通氣時間的增長而變大。