65號(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性研究

毛紀(jì)昕，胡建強(qiáng)，郭 力

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空軍需與燃料系，江蘇 徐州 221000)

近年來(lái)，隨著機(jī)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(lái)越快，消耗的功率越來(lái)越大，散發(fā)出的熱量也越來(lái)越多[1-3]。眾所周知，器件的可靠性對(duì)溫度十分敏感，因此，冷卻散熱技術(shù)的發(fā)展是機(jī)載電子設(shè)備高可靠、高性能、低成本發(fā)展趨勢(shì)中至關(guān)重要的一個(gè)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(jià)的特點(diǎn)被人們普遍認(rèn)可。機(jī)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(diǎn)高、冰點(diǎn)低、流動(dòng)性好等一些獨(dú)特性能而廣受人們喜愛(ài)[5-7]。但在實(shí)際使用過(guò)程中，保障人員發(fā)現(xiàn)，在加注前的循環(huán)過(guò)濾中，航空冷卻液有時(shí)會(huì)出現(xiàn)泡沫較多的現(xiàn)象，無(wú)法對(duì)飛機(jī)進(jìn)行加注使用，嚴(yán)重影響飛行保障效率。

本研究主要對(duì)4個(gè)不同廠家生產(chǎn)的65號(hào)航空冷卻液進(jìn)行泡沫傾向性的測(cè)定，并對(duì)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(duì)航空冷卻液的儲(chǔ)存與使用提供更多的理論支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑及原料

A型65號(hào)航空冷卻液，由沈陽(yáng)龍騰化工有限公司生產(chǎn)；B型65號(hào)航空冷卻液，由中國(guó)石化潤(rùn)滑油公司生產(chǎn)；C型65號(hào)航空冷卻液，由重慶特陽(yáng)化工有限公司生產(chǎn)；D型65號(hào)航空冷卻液，實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)大于99%)、正辛酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99%)、T922抗泡劑(工業(yè)級(jí))，均由徐州錦繡化工公司生產(chǎn)；蒸餾水，實(shí)驗(yàn)室制備。

1.2 儀器設(shè)備

BF-24航空冷卻液泡沫傾向測(cè)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(guó)泰克利斯技術(shù)有限公司生產(chǎn)；BX1012空氣壓縮機(jī)，由福建巨霸機(jī)械有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)方法

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

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配方65號(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性對(duì)比

根據(jù) SH/T 0066—2002試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，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(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)其泡沫傾向性，即泡沫生成體積越大，泡沫破滅時(shí)間越長(zhǎng)，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(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性試驗(yàn)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(shí)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(dá)到了225 mL，泡沫破滅時(shí)間也較長(zhǎng)，大于規(guī)范中的5 s。同時(shí)，隨著溫度分別升高到75 ℃和85 ℃，在通氣時(shí)間較短的情況下，冷卻液生成的泡沫體積較小，泡沫破滅時(shí)間較短，符合規(guī)范要求。但隨著通氣時(shí)間的增長(zhǎng)，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(shí)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(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性試驗(yàn)結(jié)果

B型65號(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可知，在通氣時(shí)間或溫度相同的條件下，不同溫度或通氣時(shí)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(shuō)明了B型冷卻液的泡沫生成體積受溫度和通氣時(shí)間影響較小。與A型65號(hào)冷卻液不同的是，B型65號(hào)航空冷卻液泡沫傾向性較小并且?guī)缀醪皇芩囟群屯鈺r(shí)間的影響。

C型65號(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可知，與A型65號(hào)冷卻液較為相似，其泡沫傾向性同樣受水浴溫度和通氣時(shí)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(shí)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(guò)100 mL，最大值達(dá)到了200 mL，泡沫破滅時(shí)間也超過(guò)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(shí)間也縮短至5 s以內(nèi)，達(dá)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(shí)間縮短到2 s，同樣能夠得出升溫能夠縮短泡沫破滅時(shí)間的結(jié)論。

表2 B型65號(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性試驗(yàn)結(jié)果

表3 C型65號(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性試驗(yàn)結(jié)果

D型65號(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性試驗(yàn)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(yàn)條件下均不合格，并且產(chǎn)生的泡沫體積遠(yuǎn)大于合格標(biāo)準(zhǔn)。由于D型冷卻液是試驗(yàn)室自配的，添加時(shí)只考慮了添加劑的種類和劑量，沒(méi)有考慮到添加劑的活性以及相互的協(xié)同作用，導(dǎo)致其泡沫特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于冷卻液產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，這也同樣說(shuō)明了冷卻液配方會(huì)顯著地影響冷卻液的泡沫特性。

表4 D型65號(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性試驗(yàn)結(jié)果

2.2 無(wú)添加劑的水乙二醇溶液的泡沫傾向性分析

表5為無(wú)添加劑的乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗(yàn)結(jié)果。從表5可知，試驗(yàn)所測(cè)定的不同質(zhì)量分?jǐn)?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(yàn)條件下其泡沫體積均未超過(guò)50 mL，泡沫破滅時(shí)間小于5 s，符合規(guī)范要求。說(shuō)明水乙二醇溶液極性體系能夠在低溫長(zhǎng)時(shí)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(wú)添加劑的乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗(yàn)結(jié)果

將65號(hào)航空冷卻液與乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的水乙二醇溶液的泡沫傾向性結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(yàn)溫度和通氣時(shí)間影響較大，產(chǎn)生的泡沫體積遠(yuǎn)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(shí)間越長(zhǎng)，泡沫體積越大；C型航空冷卻液在低溫下泡沫傾向性大，當(dāng)溫度升高時(shí)，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(shí)間影響較小，且產(chǎn)生的泡沫體積遠(yuǎn)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(wú)添加劑的乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的水乙二醇溶液泡沫生成體積隨時(shí)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(zhǎng)趨勢(shì)差異顯著，A型和D型航空冷卻液泡沫體積增長(zhǎng)較快，分別在 20 s 和40 s時(shí)生成的泡沫體積便達(dá)到了50 mL，C型冷卻液泡沫體積在經(jīng)過(guò)短暫的增長(zhǎng)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(gè)充氣過(guò)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(wú)添加劑的水乙二醇溶液泡沫體積對(duì)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(hào)航空冷卻液以及水乙二醇溶液泡沫生成體積隨時(shí)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(duì)冷卻液泡沫傾向性的影響，選取65號(hào)冷卻液中主要的3種添加劑(緩蝕劑、防腐劑和消泡劑)進(jìn)行試驗(yàn)。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(fù)合消泡劑)，分別與乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的水乙二醇溶液進(jìn)行配制，3種添加劑加入量(w)均為0.2%。對(duì)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?jǐn)?shù)0.2%鉬酸鈉緩蝕劑的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗(yàn)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(méi)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(shí)間均小于4 s，并且當(dāng)溫度升至55 ℃后，其產(chǎn)生的泡沫體積更小，泡沫破滅時(shí)間更短，與無(wú)添加劑的水乙二醇溶液相近，說(shuō)明鉬酸鈉并沒(méi)有影響水乙二醇的泡沫傾向性。

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

添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%正辛酸的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。從表7可知，添加質(zhì)量分?jǐn)?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(dá)到350 mL，而且泡沫破滅時(shí)間較長(zhǎng)，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(shuō)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(qiáng)，能夠迅速產(chǎn)生大量泡沫，只有當(dāng)溫度升到85 ℃高溫時(shí)，泡沫生成體積才從350 mL下降到265 mL；在泡沫破滅時(shí)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(dǎo)致泡沫破滅時(shí)間較長(zhǎng)，最長(zhǎng)達(dá)73 s。隨著溫度升高，雖然泡沫生成體積不變，但泡沫破滅時(shí)間會(huì)隨著溫度的升高而縮短，到75 ℃時(shí)，泡沫生成體積不變，而泡沫破滅時(shí)間能夠從73 s 縮短至22 s，表明升溫能夠有效促進(jìn)冷卻液中的氣體釋放。

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

添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2% T922的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗(yàn)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?jǐn)?shù)為0.2%的T922會(huì)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(jī)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?jǐn)?shù)0.2% T922的水乙二醇溶液的泡沫傾向性試驗(yàn)結(jié)果

2.4 泡沫傾向性機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)比航空冷卻液、水乙二醇溶液及其含不同添加劑時(shí)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(guò)程中基本不會(huì)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(dǎo)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(méi)有變化，是因?yàn)殂f酸鈉為無(wú)機(jī)添加劑，在溶液中溶解后電離成鉬酸根離子和鈉離子，對(duì)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(jī)防腐劑，其結(jié)構(gòu)上的羧基屬于親水基團(tuán)，而烴基屬于憎水基團(tuán)，在通入空氣形成氣泡的過(guò)程中，正辛酸分子便會(huì)吸附在氣-液界面上，分子中的羧基親水基團(tuán)和水接觸，烴基憎水基團(tuán)便和空氣接觸，形成定向排列，一方面加強(qiáng)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(dòng)性和泡沫破裂速率，泡沫穩(wěn)定性得以增強(qiáng)，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(jī)硅型消泡劑與非硅型消泡劑的復(fù)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(huì)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(shí)間都對(duì)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?yàn)殡S著溫度的升高，泡沫中的氣體分子受熱加劇運(yùn)動(dòng)，使得氣體的擴(kuò)散作用增強(qiáng)，并且高溫還能加快液膜的排液作用，使得液膜越來(lái)越薄，泡沫穩(wěn)定性下降[8-9]。而通氣時(shí)間越長(zhǎng)，冷卻液泡沫傾向性越差，是因?yàn)檠娱L(zhǎng)通氣時(shí)間，就增加了空氣與冷卻液的接觸時(shí)間[10]，使得更多的氣體有機(jī)會(huì)溶入冷卻液中，并且由于空氣的攪動(dòng)作用，使得溶入冷卻液的氣體變得更加細(xì)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(yàn)溫度和不同通氣時(shí)間下產(chǎn)生的泡沫體積較小，且泡沫破滅時(shí)間短，不是導(dǎo)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(hào)航空冷卻液在泡沫傾向性能上表現(xiàn)差異巨大，說(shuō)明65號(hào)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(duì)水乙二醇溶液泡沫傾向性的影響程度由大到小的順序?yàn)椋赫了?T922抗泡劑>鉬酸鈉。

(3) 65號(hào)航空冷卻液的泡沫傾向性會(huì)受溫度與通氣時(shí)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(shí)間的增長(zhǎng)而變大。