冷卻液/防凍液儲(chǔ)備堿度—重要質(zhì)量指標(biāo)

張智 孟令飛

摘 要：文章分析了冷卻系統(tǒng)所用的冷卻液/防凍液的儲(chǔ)備堿度是一項(xiàng)重要的質(zhì)量指標(biāo)，二元醇熱裂氧化形成酸性物，破壞冷卻系統(tǒng)鋁合金表面的氧化膜，良好的腐蝕抑制體系，主要有金屬腐蝕抑制性能，還有冷卻液足夠的緩沖能力儲(chǔ)備堿度兩個(gè)方面，這樣才能保證體系在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，能夠持新冷卻液優(yōu)化的pH值基本不變。一個(gè)不具有足夠的儲(chǔ)備堿度防凍液配方，即使通過(guò)實(shí)驗(yàn)室玻璃器皿法測(cè)試腐蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)際使用中，一定存在短時(shí)間內(nèi)pH值降低和升高的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致腐蝕發(fā)生。對(duì)于無(wú)機(jī)鹽配方IAT，最低可接受的儲(chǔ)備堿度，廣泛認(rèn)為不低于10ml HCl（0.1N）；對(duì)于有機(jī)酸OAT配方，普遍認(rèn)為接受的最低儲(chǔ)備堿度5ml HCl（0.1N）；新型的無(wú)機(jī)有機(jī)酸混合配方，作者認(rèn)為接受最低儲(chǔ)備堿度4ml HCl（0.1N）。冷卻液儲(chǔ)備堿度低于這個(gè)水平，都屬于風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：冷卻液/防凍液的儲(chǔ)備堿度；冷卻系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電是指把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能。風(fēng)是一種沒(méi)有公害的能源，利用風(fēng)力發(fā)電非常環(huán)保，且能夠產(chǎn)生非常巨大的電能，因此越來(lái)越多的國(guó)家更加重視風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)及變流器等部分組成，其中變流器需要采用2M瓦的IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管），IGBT在運(yùn)行時(shí)會(huì)釋放出大量熱；在影院級(jí)投影系統(tǒng)由于光機(jī)燈泡運(yùn)行釋放大量的熱，這就需要類似汽車燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電和影院級(jí)投影機(jī)水冷系統(tǒng)采用鋁合金水冷板進(jìn)行散熱。水冷系統(tǒng)是保護(hù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及投影機(jī)正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)必不可缺的重要組成部分。由于使用到劣質(zhì)冷卻液，pH值在非常短時(shí)間降低或升高，從而導(dǎo)致發(fā)生金屬腐蝕穿透停機(jī)事故。對(duì)于冷卻液的選擇和質(zhì)量控制，沸點(diǎn)、冰點(diǎn)及金屬腐蝕測(cè)試結(jié)果是常見(jiàn)的能表示腐蝕抑制能力質(zhì)量指標(biāo)。儲(chǔ)備堿度表示水溶液對(duì)酸化的抵抗能力，而其作為冷卻液/防凍液的長(zhǎng)期有效的重要性能指標(biāo)，還沒(méi)有引起各相關(guān)人員的重視，使得產(chǎn)品在實(shí)際使用中出現(xiàn)品質(zhì)問(wèn)題，包括使用壽命，更換指標(biāo)或性能監(jiān)控，不能合理實(shí)施，從而引發(fā)水冷系統(tǒng)鋁合金腐蝕，導(dǎo)致變流器或投影機(jī)停機(jī)的嚴(yán)重故障。不僅縮短使用壽命，還有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

1 風(fēng)力發(fā)電及投影機(jī)水冷系統(tǒng)冷卻液pH值和鋁合金腐蝕控制

1.1 概述

布拜圖（E電位pH圖）是表示腐蝕有關(guān)的所有化學(xué)反應(yīng)。在風(fēng)力發(fā)電水冷系統(tǒng)的冷卻液/防凍液中，通常是陽(yáng)極保護(hù)或者鈍化態(tài)保護(hù)，腐蝕電位正移?；仡欙L(fēng)力發(fā)電冷卻系統(tǒng)中的主要金屬（鋁合金）與水的pH值電位平衡圖，就會(huì)發(fā)現(xiàn)精確平衡腐蝕抑制體系的重要性。

鋁：最佳保護(hù)的pH值范圍4～8.5。

合適的腐蝕抑制體系，主要包括兩個(gè)方面：金屬腐蝕抑制的性能，冷卻液體系良好的水溶液對(duì)酸化的抵抗能力，確保體系在使用較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持與新的冷卻液優(yōu)化的pH值基本一致的能力。冷卻液的這種緩沖能力就是儲(chǔ)備堿度。

1.2 鋁的腐蝕態(tài)、免蝕態(tài)和鈍化態(tài)的理論工況

在不同環(huán)境下，鋁會(huì)以幾種氫氧化物存在。見(jiàn)下圖，在25℃下，電位pH圖顯示，三水

氧化鋁是穩(wěn)定的形態(tài)，其鈍化態(tài)存在于pH范圍4～8.5。而一水氧化鋁不穩(wěn)定，其鈍化態(tài)只存在pH值4.5～6.2的范圍。

25℃鋁的腐蝕態(tài)、免蝕態(tài)和鈍化態(tài)的理論工況圖

2 導(dǎo)致水冷系統(tǒng)冷卻液pH降低的因素

在風(fēng)力發(fā)電水冷系統(tǒng)的冷卻液/防凍液中添加的主要成分是乙二醇或丙二醇，在風(fēng)力發(fā)電

系統(tǒng)中，冷卻液乙二醇或丙二醇，會(huì)被冷卻系統(tǒng)的溶解氧氧化，發(fā)生降解。降解過(guò)程如下：

乙二醇降解：

HOOCH2CH2OHO2+heatHOOCCOOH + HOCH2COOH + HCOOH

乙二醇 草酸 乙醇酸 甲酸

丙二醇降解：

CH3CH（OH）CH2OHO2+heatCH3COCOOH + CH3CH（OH）COOH + HCOOH + CH3COOH

丙二醇 丙酮酸 乳酸 草酸 乙酸

降解生成的甲酸屬于強(qiáng)酸，腐蝕性強(qiáng)。草酸為弱酸，與乙醇酸、丙酮酸、乳酸等，影響體系酸堿平衡，導(dǎo)致pH值下降。

3 儲(chǔ)備堿度

3.1 SH/T 0091關(guān)于儲(chǔ)備堿度的定義

儲(chǔ)備堿度：用濃度c（HCl）= 0.100 0mol/L 的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定10mL 試樣至pH值為5.5時(shí)所需要的毫升數(shù)（精確到0.1mL）。

3.2 儲(chǔ)備堿度的測(cè)定

（1）用移液管移取10mL完全混合的試樣，放入150mL燒杯中，再向杯中加入約90mL超純水。

注：如果儲(chǔ)備堿度小于2，則試樣的量可以增加到50mL。

（2）將裝有試樣的燒杯放在電位滴定計(jì)臺(tái)架上，將pH復(fù)合電極完全浸泡在試樣中。

（3）將裝好鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的滴定管下部尖端部分放入燒杯中，調(diào)節(jié)電位滴定計(jì)的溫度補(bǔ)償器到被測(cè)液體實(shí)際溫度，并記錄試樣最初的pH值。

（4）開(kāi)啟攪拌器使試樣均勻。

（5）設(shè)定pH值預(yù)控點(diǎn)為7，終點(diǎn)pH值為5.5。啟動(dòng)自動(dòng)滴定裝置，滴定完成后記錄所消耗的標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液（c（HCl）= 0.100 0mol/L）的體積。

3.3 腐蝕抑制劑的緩沖性能

3.3.1 無(wú)機(jī)鹽技術(shù)冷卻液——IAT

傳統(tǒng)無(wú)機(jī)酸技術(shù)冷卻液的儲(chǔ)備堿度的典型范圍在10～14，是因?yàn)闊o(wú)機(jī)酸堿緩沖系統(tǒng)的pH值在7～9范圍內(nèi)。例如，硅酸鹽，緩沖系的pH值為7.5，只需要0.5%重量就能提供足夠的儲(chǔ)備堿度。

3.3.2 有機(jī)酸技術(shù)——OAT

脂肪族一元酸和芳香酸

己酸、庚酸、辛酸、異辛酸、壬酸、癸酸、新癸酸、十一烷酸、十二烷酸、中的一種或兩種酸，或其堿金屬鹽緩沖能力通常較差，pH值小于5，也就是說(shuō)，極少有這種酸在pH5.5被滴定。然而，在pH4.5時(shí)，這類酸會(huì)從冷卻液中沉淀出來(lái)。

脂肪族二元酸

二元酸辛二酸、壬二酸、癸二 酸、十一烷二酸或十二烷二酸的緩沖能力好于脂肪族和芳香族一元酸，在pH值5.5時(shí)，能夠獲得較高的儲(chǔ)備堿度而不會(huì)有沉淀。原因在于，這種類型的酸，一個(gè)羧基官能團(tuán)提供儲(chǔ)備堿度，另外一個(gè)羧基官能團(tuán)提供溶解度。在pH4.5時(shí)，這種二元酸的儲(chǔ)備堿度與兩個(gè)羧酸根被滴定，比同樣鏈長(zhǎng)的一元酸獲得多一倍的儲(chǔ)備堿度，只有C鏈長(zhǎng)≥10時(shí)才會(huì)有沉淀出現(xiàn)。

3.3.3 無(wú)機(jī)有機(jī)酸混合配方技術(shù)

混合酸。新的冷卻液緩沖理論認(rèn)為，充分利用無(wú)機(jī)與有機(jī)酸的優(yōu)越性，實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明，能獲得更好更穩(wěn)定的儲(chǔ)備堿度。

4 結(jié)論

對(duì)鋁合金的最佳保護(hù)，理論和實(shí)際都認(rèn)為只能在合適的pH范圍內(nèi)，一些腐蝕抑制劑如偏硅酸鈉能夠?qū)︿X合金提供優(yōu)異的保護(hù)，但是其緩沖能力差。如果一個(gè)冷凍液配方不具備足夠的儲(chǔ)備堿度，即使能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)室腐蝕測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際使用中，一定存在pH值短時(shí)間降低或升高的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致腐蝕發(fā)生。判斷冷卻液的質(zhì)量好壞，應(yīng)該同時(shí)考察腐蝕測(cè)試數(shù)據(jù)和足夠的儲(chǔ)備堿度。對(duì)于無(wú)機(jī)鹽ITA配方，最低可接受的儲(chǔ)備堿度，普遍認(rèn)為不小于10ml，HCl （0.1N），對(duì)于有機(jī)酸OAT配方，廣泛認(rèn)可的儲(chǔ)備堿度是5ml，HCl （0.1N）。混合酸配方緩沖體系，作者通過(guò)實(shí)際測(cè)試認(rèn)為，可接受的儲(chǔ)備堿度是4ml，HCl（0.1N）冷卻液的儲(chǔ)備堿度低于這個(gè)水平的，應(yīng)該作為短壽命的風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品。

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