汽車防凍液基礎(chǔ)液的研制

劉旭初，楊昌炎

(1．武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院，湖北武漢 430205;2．綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430205)

隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們對汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)［1－2］的要求逐漸提高。防凍液是保障發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要條件［3］，直接影響了發(fā)動機(jī)的工作效率。防凍液基礎(chǔ)液是防凍液的主體，由水和防凍劑［4］組成。冰點(diǎn)是防凍液基礎(chǔ)液的重要指標(biāo)，低冰點(diǎn)可以保障防凍液在嚴(yán)寒條件下不結(jié)冰［5］，從而保障發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)作。乙二醇－水型［6］防凍液基礎(chǔ)液是目前市場上最為常見的防凍液基礎(chǔ)液類型，乙二醇含量往往偏高，有著成本高、防凍性能不足等缺點(diǎn)。因此研制出新型高性能的防凍液基礎(chǔ)液顯得十分有意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 材料與儀器

乙二醇，分析純，西隴化工股份有限公司;丙三醇，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠;1，2－丙二醇，化學(xué)純，國藥集團(tuán);乙二醇甲醚，分析純，國藥集團(tuán);丙二醇甲醚，分析純，國藥集團(tuán);二甘醇，分析純，國藥集團(tuán)。

電子天平;集熱式恒溫加熱磁力攪拌器;低溫冷卻液循環(huán)泵;離心管;玻璃棒;溫度計。

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

發(fā)動機(jī)冷卻液冰點(diǎn)的測定依據(jù)SHT 0090－91《發(fā)動機(jī)冷卻液冰點(diǎn)測定法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。量取75～100 mL試樣，將其注入一個帶攪拌裝置的冷卻管中。采用制冷劑冷卻法或其他方法使試樣降溫，仔細(xì)觀察，記錄試樣每分鐘的溫度，并繪制出時間－溫度曲線圖。繪制出試劑的結(jié)晶曲線和冷卻曲線的交點(diǎn)，其縱坐標(biāo)即為試樣的冰點(diǎn)。當(dāng)試驗(yàn)中出現(xiàn)過冷現(xiàn)象時，試劑過冷后回升到的最高溫度即為冰點(diǎn)。

1．3 參照組的選擇與測定

考慮到實(shí)驗(yàn)條件、產(chǎn)品實(shí)用性等因素，根據(jù)國標(biāo)GB29743－2013，決定選取市面上常見的LEC－Ⅱ(－30℃)型乙二醇－水型防凍液基礎(chǔ)液作為參照組，實(shí)際測得此時乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47%，冰點(diǎn)－30℃，沸點(diǎn)107．2℃，參照組冰、沸點(diǎn)隨乙二醇濃度變化的參數(shù)如圖1所示。

圖1 乙二醇－水型基礎(chǔ)液冰、沸點(diǎn)隨乙二醇含量的變化Fig．1 Variation of ice and boiling point of ethylene glycol－ water base liquid with ethylene glycol content

可以看出在質(zhì)量分?jǐn)?shù)34%～47%范圍內(nèi)，隨著乙二醇含量的不斷增加，基礎(chǔ)液冰點(diǎn)呈不斷下降走勢;沸點(diǎn)呈不斷升趨勢。當(dāng)乙二醇含量達(dá)到47%時，基礎(chǔ)液冰點(diǎn)達(dá)到－30℃，沸點(diǎn)達(dá)到107．2℃。

2 結(jié)果與分析

2．1 防凍劑的篩選

參照組LEC－Ⅱ(－30℃)型乙二醇－水型防凍液基礎(chǔ)液中乙二醇含量較高，考慮降低乙二醇含量，用其他低碳醇、醇醚類物質(zhì)代替，控制有機(jī)物總含量的同時以期得到更低冰點(diǎn)的基礎(chǔ)液配方。選取丙三醇、1，2－丙二醇，乙二醇甲醚、丙二醇甲醚、二甘醇作為篩選的防凍劑。將乙二醇的含量將至30%，篩選的試劑選取4%、6%、8%、10%、12%五個梯度水平，其余部分為蒸餾水，分別進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，測量冰點(diǎn)如圖2所示。

圖2 防凍劑含量對防凍液基礎(chǔ)液冰點(diǎn)的影響Fig．2 Effect of antifreeze content on freezing point of antifreeze base fluid

由圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著防凍劑濃度的增加，防凍液基礎(chǔ)液冰點(diǎn)均呈現(xiàn)下降趨勢。乙二醇甲醚對于乙二醇－水體系，降低冰點(diǎn)的效果最為顯著，丙二醇甲醚、1，2－丙二醇對于乙二醇－水體系體系，降低冰點(diǎn)效果較為顯著，丙三醇、二甘醇降低冰點(diǎn)效果較弱。當(dāng)各個防凍劑含量達(dá)到12%時，冰點(diǎn)均未達(dá)到參照組－30℃的水平。

2．2 復(fù)合實(shí)驗(yàn)

單因素冰點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中，冰點(diǎn)均沒有達(dá)到－30℃水平，因此考慮適當(dāng)提高乙二醇含量，適當(dāng)調(diào)整其他防凍劑含量，設(shè)計了如表1的四組分復(fù)合實(shí)驗(yàn)。按計量，將乙二醇、乙二醇甲醚、丙三醇、丙二醇甲醚加入燒杯中，室溫下用玻璃棒攪拌5min至均勻混合，然后測量其冰點(diǎn)。

表1 丙二醇甲醚對復(fù)合液冰點(diǎn)的影響Table 1 Effect of propylene glycolmethyl ether on ice point of composite liquid

由復(fù)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)丙二醇甲醚含量達(dá)到8%時，復(fù)合液冰點(diǎn)與參照組相近，達(dá)到了預(yù)期效果為了探究各個因子對冰點(diǎn)影響程度的主次關(guān)系，找出最好的因素組合，選擇設(shè)計正交試驗(yàn)。

2．3 正交試驗(yàn)

根據(jù)復(fù)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以乙二醇含量、乙二醇甲醚含量、丙二醇甲醚含量、丙三醇含量為因變量設(shè)計一個四因素四水平的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計表2。

表2 正交試驗(yàn)表Table 2 Orthogonal test table

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交分析，如表3所示。

表3 冰點(diǎn)正交分析表Table 3 Ice point orthogonal analysis table

由正交試驗(yàn)分析表綜合分析冰點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，極差分析得極差分析得 RA=2．5，RB=1．85，RC=2．325，RD=0．375 可知 RA＞RC＞RB＞RD。因此因子的主次順序是A＞C＞B＞D，由各因素的K值可以看出A列中K4絕對值最大，故乙二醇含量A以A4水平最好，同理可得同理可得乙二醇甲醚含量B以B4水平最好、丙二醇甲醚含量C以C4水平最好，丙三醇含量D以D1水平最好。所以最佳實(shí)驗(yàn)組合為A4B4C4D1。

進(jìn)行冰點(diǎn)最佳組合A4B4C4D1的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4。

表4 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)表Table 4 Confirmatory test table

最終選用配方為乙二醇34%、乙二醇甲醚2．5%、丙二醇甲醚8．5%、丙三醇0．5%、蒸餾水54．5%，此時防凍液基礎(chǔ)液冰點(diǎn)達(dá)到了 －31．6℃，超過了參照組水平，且有機(jī)物總含量45．5%低于參照組47%，達(dá)到了預(yù)期效果。

3 小結(jié)與展望

3．1 小結(jié)

本文通過單因素實(shí)驗(yàn)法，對防凍劑進(jìn)行篩選，通過復(fù)合實(shí)驗(yàn)得到各組分的合理區(qū)間，最終通過正交試驗(yàn)確定了最佳配方，得到了以下結(jié)論:

(1)各因素對基礎(chǔ)液冰點(diǎn)的影響顯著性順序?yàn)?乙二醇＞丙二醇甲醚＞乙二醇甲醚＞丙三醇。

(2)基礎(chǔ)液最佳配方為乙二醇34%、乙二醇甲醚2．5%、丙二醇甲醚8．5%、丙三醇0．5%、蒸餾水54．5%，此時防凍液基礎(chǔ)液冰點(diǎn)達(dá)到了－31．6℃。

3．2 展望

本文篩選的防凍劑種類有限，后續(xù)可以尋找其它經(jīng)濟(jì)性能好的高沸點(diǎn)、低冰點(diǎn)化合物，如二甲亞砜，1，3－丁二醇，二乙二醇單丁醚等代替乙二醇作為基礎(chǔ)液，以達(dá)到提升防凍性能，降低成本的目的。