汽车防冻液基础液的研制

刘旭初，杨昌炎

(1．武汉工程大学化工与制药学院，湖北武汉 430205;2．绿色化工过程教育部重点实验室，湖北武汉 430205)

随着国内汽车工业的快速发展，人们对汽车发动机冷却系统［1－2］的要求逐渐提高。防冻液是保障发动机正常运转的重要条件［3］，直接影响了发动机的工作效率。防冻液基础液是防冻液的主体，由水和防冻剂［4］组成。冰点是防冻液基础液的重要指标，低冰点可以保障防冻液在严寒条件下不结冰［5］，从而保障发动机的正常运作。乙二醇－水型［6］防冻液基础液是目前市场上最为常见的防冻液基础液类型，乙二醇含量往往偏高，有着成本高、防冻性能不足等缺点。因此研制出新型高性能的防冻液基础液显得十分有意义。

1 实验部分

1．1 材料与仪器

乙二醇，分析纯，西陇化工股份有限公司;丙三醇，分析纯，天津市大茂化学试剂厂;1，2－丙二醇，化学纯，国药集团;乙二醇甲醚，分析纯，国药集团;丙二醇甲醚，分析纯，国药集团;二甘醇，分析纯，国药集团。

电子天平;集热式恒温加热磁力搅拌器;低温冷却液循环泵;离心管;玻璃棒;温度计。

1．2 实验方法

发动机冷却液冰点的测定依据SHT 0090－91《发动机冷却液冰点测定法》标准进行测定。量取75～100 mL试样，将其注入一个带搅拌装置的冷却管中。采用制冷剂冷却法或其他方法使试样降温，仔细观察，记录试样每分钟的温度，并绘制出时间－温度曲线图。绘制出试剂的结晶曲线和冷却曲线的交点，其纵坐标即为试样的冰点。当试验中出现过冷现象时，试剂过冷后回升到的最高温度即为冰点。

1．3 参照组的选择与测定

考虑到实验条件、产品实用性等因素，根据国标GB29743－2013，决定选取市面上常见的LEC－Ⅱ(－30℃)型乙二醇－水型防冻液基础液作为参照组，实际测得此时乙二醇质量分数为47%，冰点－30℃，沸点107．2℃，参照组冰、沸点随乙二醇浓度变化的参数如图1所示。

图1 乙二醇－水型基础液冰、沸点随乙二醇含量的变化Fig．1 Variation of ice and boiling point of ethylene glycol－ water base liquid with ethylene glycol content

可以看出在质量分数34%～47%范围内，随着乙二醇含量的不断增加，基础液冰点呈不断下降走势;沸点呈不断升趋势。当乙二醇含量达到47%时，基础液冰点达到－30℃，沸点达到107．2℃。

2 结果与分析

2．1 防冻剂的筛选

参照组LEC－Ⅱ(－30℃)型乙二醇－水型防冻液基础液中乙二醇含量较高，考虑降低乙二醇含量，用其他低碳醇、醇醚类物质代替，控制有机物总含量的同时以期得到更低冰点的基础液配方。选取丙三醇、1，2－丙二醇，乙二醇甲醚、丙二醇甲醚、二甘醇作为筛选的防冻剂。将乙二醇的含量将至30%，筛选的试剂选取4%、6%、8%、10%、12%五个梯度水平，其余部分为蒸馏水，分别进行单因素实验，测量冰点如图2所示。

图2 防冻剂含量对防冻液基础液冰点的影响Fig．2 Effect of antifreeze content on freezing point of antifreeze base fluid

由图2实验结果可以看出，随着防冻剂浓度的增加，防冻液基础液冰点均呈现下降趋势。乙二醇甲醚对于乙二醇－水体系，降低冰点的效果最为显著，丙二醇甲醚、1，2－丙二醇对于乙二醇－水体系体系，降低冰点效果较为显著，丙三醇、二甘醇降低冰点效果较弱。当各个防冻剂含量达到12%时，冰点均未达到参照组－30℃的水平。

2．2 复合实验

单因素冰点实验中，冰点均没有达到－30℃水平，因此考虑适当提高乙二醇含量，适当调整其他防冻剂含量，设计了如表1的四组分复合实验。按计量，将乙二醇、乙二醇甲醚、丙三醇、丙二醇甲醚加入烧杯中，室温下用玻璃棒搅拌5min至均匀混合，然后测量其冰点。

表1 丙二醇甲醚对复合液冰点的影响Table 1 Effect of propylene glycolmethyl ether on ice point of composite liquid

由复合实验数据可以看出，当丙二醇甲醚含量达到8%时，复合液冰点与参照组相近，达到了预期效果为了探究各个因子对冰点影响程度的主次关系，找出最好的因素组合，选择设计正交试验。

2．3 正交试验

根据复合实验数据，以乙二醇含量、乙二醇甲醚含量、丙二醇甲醚含量、丙三醇含量为因变量设计一个四因素四水平的正交试验，试验设计表2。

表2 正交试验表Table 2 Orthogonal test table

对试验结果进行正交分析，如表3所示。

表3 冰点正交分析表Table 3 Ice point orthogonal analysis table

由正交试验分析表综合分析冰点实验结果，极差分析得极差分析得 RA=2．5，RB=1．85，RC=2．325，RD=0．375 可知 RA＞RC＞RB＞RD。因此因子的主次顺序是A＞C＞B＞D，由各因素的K值可以看出A列中K4绝对值最大，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。所以最佳实验组合为A4B4C4D1。

进行冰点最佳组合A4B4C4D1的验证实验，结果如表4。

表4 验证性实验表Table 4 Confirmatory test table

最终选用配方为乙二醇34%、乙二醇甲醚2．5%、丙二醇甲醚8．5%、丙三醇0．5%、蒸馏水54．5%，此时防冻液基础液冰点达到了 －31．6℃，超过了参照组水平，且有机物总含量45．5%低于参照组47%，达到了预期效果。

3 小结与展望

3．1 小结

本文通过单因素实验法，对防冻剂进行筛选，通过复合实验得到各组分的合理区间，最终通过正交试验确定了最佳配方，得到了以下结论:

(1)各因素对基础液冰点的影响显著性顺序为:乙二醇＞丙二醇甲醚＞乙二醇甲醚＞丙三醇。

(2)基础液最佳配方为乙二醇34%、乙二醇甲醚2．5%、丙二醇甲醚8．5%、丙三醇0．5%、蒸馏水54．5%，此时防冻液基础液冰点达到了－31．6℃。

3．2 展望

本文筛选的防冻剂种类有限，后续可以寻找其它经济性能好的高沸点、低冰点化合物，如二甲亚砜，1，3－丁二醇，二乙二醇单丁醚等代替乙二醇作为基础液，以达到提升防冻性能，降低成本的目的。