非牛頓型除冰防冰液耐硬水性的研究

聶國慶

（西安萬德能源化學(xué)股份有限公司，陜西 西安 710075）

卡波姆是一種常用的非牛頓流體，很低的濃度下即可形成黏度非常大的凝膠[1]，廣泛應(yīng)用于化妝品和藥品，也常用作增稠劑、助懸劑、凝膠基質(zhì)等[2]。在飛機(jī)除冰防冰領(lǐng)域，它被用作增稠劑添加在除冰防冰液中，能夠延長除冰防冰液的防冰保持時(shí)間。

有研究表明，硬水對牛頓流體有一定程度的影響，但影響總體較小[3]；但對于非牛頓流體，由于其與牛頓流體的性質(zhì)存在較大的差異，在具體應(yīng)用中，硬水會(huì)對非牛頓流體產(chǎn)生較大影響。

由于不同地區(qū)的水硬度不同，在對非牛頓型除冰防冰液進(jìn)行稀釋使用的過程中，會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，包括對黏度的影響，最終會(huì)影響到除冰防冰液的使用效果。非牛頓流體在用標(biāo)準(zhǔn)硬水稀釋時(shí)，黏度一般會(huì)發(fā)生變化，大多數(shù)情況下流體黏度會(huì)降低，也有部分流體稀釋后黏度會(huì)升高。通常來說，流體的耐硬水程度越高，稀釋后的黏度就越高，越有利于流體防冰，越有利于提高流體的水噴霧耐受時(shí)間（該指標(biāo)是模擬-5℃凍雨條件下除冰防冰液的防冰時(shí)間，簡稱WSET）[4]的測試值。具體有哪些因素會(huì)影響流體的耐硬水性，本文將對此展開一些探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：磷酸鈉、鉬酸鈉、磷酸氫二鉀（均為分析純）；乙二醇（工業(yè)一級品）。實(shí)驗(yàn)用水為自制去離子水，硬水（自制，符合ASTM D 1193 Ⅳ型水）。

儀器：LVDV-II+P型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，JJ-1增力電動(dòng)攪拌器。

卡波姆樹脂：卡波姆941、卡波姆934、卡波姆1342。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 卡波姆凝膠的制備

將卡波姆樹脂按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定的配比，用攪拌器在去離子水中均勻分散，并靜置過夜。

1.2.2 非牛頓型除冰防冰液的制備

按照設(shè)定比例，將乙二醇、卡波姆凝膠等配制成非牛頓型除冰防冰液，待用。稀釋除冰液時(shí)，統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)硬水（符合ASTM D1193 Ⅳ型）進(jìn)行稀釋。

1.2.3 黏度的測定

將待測樣品控溫至20℃，恒溫0.5h。如非特別指出，本文中的測試黏度均指采用LV2轉(zhuǎn)子，在20℃下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0.3r·min-1時(shí)測出的黏度結(jié)果。

1.2.4 流體耐硬水指數(shù)

流體的耐硬水性可以用流體稀釋液的黏度與原液的黏度直接進(jìn)行比較，以判斷黏度是降低還是升高。這樣的比較不夠準(zhǔn)確，單純從數(shù)值上很難做出判斷。為了解決這一問題，本文提出了流體耐硬水指數(shù)這一概念。所謂耐硬水指數(shù)，是指同一溫度下75%稀釋液的黏度與原液黏度之比，用符號P表示。例如原液黏度9.5 Pa·s，75%稀釋液黏度7.6 Pa·s，則耐硬水指數(shù)P=7.6/9.5=0.8。由此可知，耐硬水指數(shù)P可以明確地表述流體的耐硬水性，從而提供一個(gè)準(zhǔn)確的概念，不會(huì)讓研究者的判斷含糊。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室近期的測試數(shù)據(jù)，筆者對流體耐硬水指數(shù)做了一些討論。

2.1 樹脂種類對耐硬水指數(shù)的影響

流體中常用的增稠樹脂有多種，如卡波姆941、卡波姆934、卡波姆980、卡波姆981、卡波姆1342等。本文重點(diǎn)比較了同為長流變樹脂的卡波姆941和卡波姆1342。在實(shí)驗(yàn)中，兩種樹脂的添加比例、用量、其他添加劑的比例完全相同，配出兩種流體，黏度測試結(jié)果見表1。從表1可知，使用卡波姆1342的流體，其耐硬水指數(shù)高于使用卡波姆941的流體。

表1 樹脂種類對除冰液耐硬水指數(shù)的影響

卡波姆1342是一種疏水改性共聚物，而卡波姆941是傳統(tǒng)的均聚物[5]，因此筆者推斷，分子結(jié)構(gòu)上的差別，會(huì)造成流體對硬水稀釋響應(yīng)的差別。

2.2 樹脂配比對耐硬水指數(shù)的影響

卡波姆樹脂從流變學(xué)上可分為兩類，一類是長流變樹脂，一類是短流變樹脂。實(shí)踐證明，非牛頓除冰/防冰流體要想獲得良好的流變學(xué)性能和除冰/防冰性能，一般需要綜合使用長流變樹脂和短流變樹脂。經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證，兩種樹脂的比例，對流體的耐剪切性有很大的影響。筆者通過實(shí)驗(yàn)，考察了兩種樹脂的配比對流體的耐硬水指數(shù)的影響?？ú?41為長流變流體，卡波姆934為短流變流體，在其它實(shí)驗(yàn)條件固定不變的前提下，兩種卡波姆的配比不同，導(dǎo)致的流體耐硬水指數(shù)的變化如表2所示。結(jié)果顯示，941/934的比例提高時(shí)，耐硬水指數(shù)P增大。

表2 卡波姆941/934樹脂配比比例對除冰液耐硬水指數(shù)的影響

用同為長流變的卡波姆1342替換卡波姆941，做類似實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。從結(jié)果可以看出，含卡波姆1342比例更大的流體，其耐硬水指數(shù)更高。

表3 卡波姆1342/934樹脂配比比例對耐硬水指數(shù)的影響

圖1是不同比例的長流變卡波姆對耐硬水指數(shù)的影響，可以看出，隨著長流變卡波姆的比例增加，耐硬水指數(shù)逐漸增大。

圖1 不同比例的長流變卡波姆對耐硬水指數(shù)的影響

需要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，除了耐硬水指數(shù)，還需要考慮其它因素對混合流體的影響，耐剪切度便是其中一個(gè)需考慮的因素[6]。耐剪切度降低，會(huì)導(dǎo)致混合流體的防冰性能明顯下降，所以需要在諸多的因素中尋求平衡點(diǎn)，綜合考慮各因素的影響，不能單純使用耐硬水指數(shù)高的單一卡波姆。

相比長流變樹脂而言，短流變樹脂的耐剪切度較優(yōu)，因此，需綜合考量各種影響后，選取最優(yōu)的卡波姆配比。

2.3 助劑對耐硬水指數(shù)的影響

在除冰液的配制中，黏度控制劑的使用不可避免。配方中，黏度控制劑對非牛頓型流體抗硬水性能的影響，需要通過實(shí)驗(yàn)來得出結(jié)論。本節(jié)重點(diǎn)研究了磷酸鈉、鉬酸鈉和磷酸氫二鉀等幾種黏度控制劑對流體耐硬水性的影響。

首先比較了磷酸鈉和鉬酸鈉對流體耐硬水性的影響。根據(jù)2.2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首先選用卡波姆1342與卡波姆934的混合配比流體，其它實(shí)驗(yàn)條件不變，分別采用相同比例的磷酸鈉和鉬酸鈉作為黏度控制劑添加到體系中，結(jié)果見表4。從表4可知，使用鉬酸鈉作為黏度控制劑的流體，其耐硬水性高于使用磷酸鈉的流體。

表4 不同助劑對1342/934混合非牛頓流體抗硬水指數(shù)的影響

將卡波姆1342換為卡波姆941，配制成卡波姆941/934混合流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件與上述相同，結(jié)果如表5所示。從表5可知，鉬酸鈉更有助于提高流體的耐硬水性。

表5 不同助劑對941/934混合非牛頓流體抗硬水指數(shù)的影響

在工業(yè)中，磷酸鈉常用作硬水軟化劑，但對比數(shù)據(jù)后可知，在兩種長流變/短流變混合非牛頓體系中，耐硬水性能反而不如鉬酸鈉。從表4和表5的數(shù)據(jù)可知，以磷酸氫二鉀作流體黏度控制劑的體系，耐硬水性能太差，因此在實(shí)際使用中不作考慮。

3 結(jié)論

1）本文提出了一個(gè)可以對流體的耐硬水性進(jìn)行定量表述的指標(biāo)——耐硬水指數(shù)P，使用該指數(shù)可明確表示出流體耐硬水性的微小差別。

2）對于同為長流變樹脂的卡波姆941和卡波姆1342，從耐硬水指數(shù)的結(jié)果看，卡波姆1342的表現(xiàn)較優(yōu)。

3）在實(shí)驗(yàn)配比中增加長流變樹脂的比例，可以提高流體的耐硬水性能。

4）比較了3種黏度控制劑磷酸鈉、鉬酸鈉和磷酸氫二鉀對流體耐硬水性的影響，結(jié)果表明，使用鉬酸鈉更有利于提高流體的耐硬水性。磷酸氫二鉀會(huì)導(dǎo)致混合體系的耐硬水性能大幅下降，不適合在實(shí)際應(yīng)用中添加。

5）耐硬水性能作為非牛頓流體的一個(gè)使用指標(biāo)，其應(yīng)用還要與其它指標(biāo)如耐剪切性、流變性等相結(jié)合，選取各性能指標(biāo)最優(yōu)的平衡點(diǎn)，作為實(shí)際配比應(yīng)用的參考。