65号航空冷却液的泡沫倾向性研究

2020-06-29毛纪昕胡建强

石油炼制与化工 2020年5期

毛纪昕，胡建强，郭力

(空军勤务学院航空军需与燃料系，江苏徐州 221000)

近年来，随着机载电子设备高性能化、小型化的发展，作为电子设备核心的芯片，工作的主频越来越快，消耗的功率越来越大，散发出的热量也越来越多[1-3]。众所周知，器件的可靠性对温度十分敏感，因此，冷却散热技术的发展是机载电子设备高可靠、高性能、低成本发展趋势中至关重要的一个环节[4]。

目前，使用较广的散热技术为液体散热，因其高效廉价的特点被人们普遍认可。机载设备散热主要靠航空冷却液，其主要成分为水乙二醇溶液，由于它的沸点高、冰点低、流动性好等一些独特性能而广受人们喜爱[5-7]。但在实际使用过程中，保障人员发现，在加注前的循环过滤中，航空冷却液有时会出现泡沫较多的现象，无法对飞机进行加注使用，严重影响飞行保障效率。

本研究主要对4个不同厂家生产的65号航空冷却液进行泡沫倾向性的测定，并对比水乙二醇溶液的泡沫倾向性，探究航空冷却液产生泡沫的原因，以期对航空冷却液的储存与使用提供更多的理论支持。

1 实验

1.1 试剂及原料

A型65号航空冷却液，由沈阳龙腾化工有限公司生产；B型65号航空冷却液，由中国石化润滑油公司生产；C型65号航空冷却液，由重庆特阳化工有限公司生产；D型65号航空冷却液，实验室自制；乙二醇，分析纯，由西陇化工股份有限公司生产；钼酸钠(质量分数大于99%)、正辛酸(质量分数大于99%)、T922抗泡剂(工业级)，均由徐州锦绣化工公司生产；蒸馏水，实验室制备。

1.2 仪器设备

BF-24航空冷却液泡沫倾向测定仪，由大连北方分析仪器有限公司生产；FOAMSCAN泡沫扫描仪，由法国泰克利斯技术有限公司生产；BX1012空气压缩机，由福建巨霸机械有限公司生产。

1.3 试验方法

采用BF-24航空冷却液泡沫倾向测定仪，根据石化行业标准《发动机冷却液泡沫倾向测定法(SH/T 0066—2002)》分别测试航空冷却液与水乙二醇溶液在不同温度和不同充气时间下的泡沫倾向性，并进行添加剂对比试验。试验条件为：空气流量保持在(1 000±25) mL/min；通气时间分别为5，10，20 min；试验温度分别为25，35，55，75，85 ℃。试验前用参比冷却液来确定所用玻璃器皿和试验仪器是否残留消泡剂。

2 结果与讨论

2.1 不同配方65号航空冷却液的泡沫倾向性对比

根据 SH/T 0066—2002试验方法进行试验，并根据《航空冷却液规范(GJB 6100—2007)》中的泡沫体积和泡沫破灭时间来评价其泡沫倾向性，即泡沫生成体积越大，泡沫破灭时间越长，表示泡沫倾向性越大；反之，泡沫倾向性就越小。

表1为A型65号航空冷却液的泡沫倾向性试验结果。从表1可以看出，A型航空冷却液的泡沫倾向性受温度和时间影响较为明显。在温度较低的条件下，A型航空冷却液的泡沫体积较大，均大于规范中的50 mL，最大值达到了225 mL，泡沫破灭时间也较长，大于规范中的5 s。同时，随着温度分别升高到75 ℃和85 ℃，在通气时间较短的情况下，冷却液生成的泡沫体积较小，泡沫破灭时间较短，符合规范要求。但随着通气时间的增长，生成的泡沫就越多，冷却液的泡沫倾向性也就越大。因此，温度越高，通气时间越短，A型航空冷却液的泡沫倾向性就越小。

表1 A型65号航空冷却液的泡沫倾向性试验结果

B型65号航空冷却液的泡沫倾向性试验结果如表2所示。从表2可知，在通气时间或温度相同的条件下，不同温度或通气时间下B型航空冷却液产生的泡沫体积均小于规定值50 mL，这说明了B型冷却液的泡沫生成体积受温度和通气时间影响较小。与A型65号冷却液不同的是，B型65号航空冷却液泡沫倾向性较小并且几乎不受水浴温度和通气时间的影响。

C型65号航空冷却液的泡沫倾向性试验结果如表3所示。从表3可知，与A型65号冷却液较为相似，其泡沫倾向性同样受水浴温度和通气时间的影响，且在常温条件下泡沫倾向性大，泡沫生成体积和泡沫破灭时间均不合格，但随着温度升高，泡沫倾向性逐渐变小。在25 ℃和35 ℃的条件下，C型航空冷却液产生的泡沫体积较大，均超过100 mL，最大值达到了200 mL，泡沫破灭时间也超过10 s。但随着温度升高至55 ℃，C型航空冷却液所产生的泡沫体积减小至40 mL以内，泡沫破灭时间也缩短至5 s以内，达到规范要求。随着温度继续升高，在75 ℃和85 ℃下，虽然泡沫体积较55 ℃并未减少太多，但在高温条件下，其泡沫破灭时间缩短到2 s，同样能够得出升温能够缩短泡沫破灭时间的结论。

表2 B型65号航空冷却液的泡沫倾向性试验结果

表3 C型65号航空冷却液的泡沫倾向性试验结果

D型65号航空冷却液的泡沫倾向性试验结果如表4所示，从表4可知，D型航空冷却液的泡沫倾向性较大，在各种试验条件下均不合格，并且产生的泡沫体积远大于合格标准。由于D型冷却液是试验室自配的，添加时只考虑了添加剂的种类和剂量，没有考虑到添加剂的活性以及相互的协同作用，导致其泡沫特性远远差于冷却液产品标准，这也同样说明了冷却液配方会显著地影响冷却液的泡沫特性。

表4 D型65号航空冷却液的泡沫倾向性试验结果

2.2 无添加剂的水乙二醇溶液的泡沫倾向性分析

表5为无添加剂的乙二醇质量分数为65%的水乙二醇溶液的泡沫倾向性试验结果。从表5可知，试验所测定的不同质量分数的水乙二醇溶液泡沫倾向性均表现优异，在不同的试验条件下其泡沫体积均未超过50 mL，泡沫破灭时间小于5 s，符合规范要求。说明水乙二醇溶液极性体系能够在低温长时间的通气条件下保持较小的泡沫体积，并且能够迅速消泡，表现出优异的泡沫倾向性。

表5 无添加剂的乙二醇质量分数为65%的水乙二醇溶液的泡沫倾向性试验结果

将65号航空冷却液与乙二醇质量分数为65%的水乙二醇溶液的泡沫倾向性结果进行对比，结果如图1所示。从图1可以看出：各样品的泡沫倾向性差异较大，A型和D型航空冷却液泡沫体积受试验温度和通气时间影响较大，产生的泡沫体积远大于水乙二醇溶液的泡沫体积，并且温度越高，泡沫体积越小，通气时间越长，泡沫体积越大；C型航空冷却液在低温下泡沫倾向性大，当温度升高时，其泡沫倾向性变小，生成泡沫体积减小；而B型航空冷却液和水乙二醇溶液的泡沫体积受温度和时间影响较小，且产生的泡沫体积远小于A型和D型航空冷却液的泡沫体积。

4种航空冷却液(A，B，C，D)以及无添加剂的乙二醇质量分数为65%的水乙二醇溶液泡沫生成体积随时间的变化如图2所示。从图2可以看出，4种航空冷却液泡沫体积增长趋势差异显著，A型和D型航空冷却液泡沫体积增长较快，分别在 20 s 和40 s时生成的泡沫体积便达到了50 mL，C型冷却液泡沫体积在经过短暂的增长后便逐渐下降，泡沫体积稳定在5 mL左右。B型冷却液和水乙二醇溶液在整个充气过程中泡沫倾向性表现优异，泡沫体积最高值也小于20 mL，最后稳定在5 mL左右。

图1 不同温度下冷却液与无添加剂的水乙二醇溶液泡沫体积对比■—水乙二醇溶液; ■—B型冷却液; ■—C型冷却液; ■—A型冷却液; ■—D型冷却液

图2 65号航空冷却液以及水乙二醇溶液泡沫生成体积随时间的变化曲线 —A型冷却液; —B型冷却液; —C型冷却液; —D型冷却液; —水乙二醇溶液

2.3 添加不同添加剂的水乙二醇溶液泡沫倾向性分析

为了探究添加剂对冷却液泡沫倾向性的影响，选取65号冷却液中主要的3种添加剂(缓蚀剂、防腐剂和消泡剂)进行试验。其中，缓蚀剂选用钼酸钠，防腐剂选用正辛酸，消泡剂选用T922(复合消泡剂)，分别与乙二醇质量分数为65%的水乙二醇溶液进行配制，3种添加剂加入量(w)均为0.2%。对比加入不同添加剂的水乙二醇溶液泡沫倾向性的差异。

添加质量分数0.2%钼酸钠缓蚀剂的水乙二醇溶液的泡沫倾向性试验结果如表6所示。从表6可知，添加钼酸钠缓蚀剂的水乙二醇溶液的泡沫倾向性较好，加入钼酸钠缓蚀剂并没有让水乙二醇的泡沫倾向性产生变化，其产生的泡沫体积均小于40 mL，泡沫破灭时间均小于4 s，并且当温度升至55 ℃后，其产生的泡沫体积更小，泡沫破灭时间更短，与无添加剂的水乙二醇溶液相近，说明钼酸钠并没有影响水乙二醇的泡沫倾向性。

表6 添加质量分数0.2%钼酸钠的水乙二醇溶液的泡沫倾向性试验结果

添加质量分数0.2%正辛酸的水乙二醇溶液的泡沫倾向性试验结果如表7所示。从表7可知，添加质量分数0.2%正辛酸的水乙二醇溶液的泡沫倾向性较差，通气后便迅速产生大量泡沫，泡沫体积最大值达到350 mL，而且泡沫破灭时间较长，空气释放能力弱，与水乙二醇溶液的泡沫倾向性差异明显，说明正辛酸的加入使得水乙二醇溶液的泡沫倾向性发生了显著变化。在泡沫生成体积上，加入正辛酸的水乙二醇溶液发泡能力明显增强，能够迅速产生大量泡沫，只有当温度升到85 ℃高温时，泡沫生成体积才从350 mL下降到265 mL；在泡沫破灭时间上，由于泡沫生成体积较大，而正辛酸的加入使得溶液的空气释放能力减弱，导致泡沫破灭时间较长，最长达73 s。随着温度升高，虽然泡沫生成体积不变，但泡沫破灭时间会随着温度的升高而缩短，到75 ℃时，泡沫生成体积不变，而泡沫破灭时间能够从73 s 缩短至22 s，表明升温能够有效促进冷却液中的气体释放。

表7 添加质量分数0.2%正辛酸的水乙二醇溶液的泡沫倾向性试验结果

添加质量分数0.2% T922的水乙二醇溶液的泡沫倾向性试验结果如表8所示。从表8可知，向水乙二醇溶液中加入质量分数为0.2%的T922会在一定程度上增加溶液的泡沫倾向性，生成的泡沫体积较未添加T922的水乙二醇溶液有所增加，但均在合格范围内，表明添加T922影响水乙二醇溶液的泡沫倾向性，但影响程度不如有机酸添加剂显著。随着温度升高，生成的泡沫体积减少至与未添加T922的水乙二醇溶液一致。

表8 添加质量分数0.2% T922的水乙二醇溶液的泡沫倾向性试验结果

2.4 泡沫倾向性机理分析

通过对比航空冷却液、水乙二醇溶液及其含不同添加剂时的泡沫倾向性可以得出，水乙二醇体系本身是极性的，在通气搅拌的过程中基本不会产生泡沫，而航空冷却液出现泡沫较多的现象是由于其加入的部分添加剂属于表面活性物质，与水乙二醇形成了两性环境，导致了大量泡沫的产生。例如添加钼酸钠的水乙二醇溶液泡沫倾向性没有变化，是因为钼酸钠为无机添加剂，在溶液中溶解后电离成钼酸根离子和钠离子，对溶液的泡沫倾向性不产生影响。而添加正辛酸的水乙二醇溶液泡沫倾向性变化明显，是由于正辛酸为有机防腐剂，其结构上的羧基属于亲水基团，而烃基属于憎水基团，在通入空气形成气泡的过程中，正辛酸分子便会吸附在气-液界面上，分子中的羧基亲水基团和水接触，烃基憎水基团便和空气接触，形成定向排列，一方面加强液膜弹性，减小表面张力和透气性，另一方面提升液膜黏度，减少流动性和泡沫破裂速率，泡沫稳定性得以增强，表面张力越低，泡沫就越容易形成，并且形成的泡沫也就越稳定。由于T922消泡剂是有机硅型消泡剂与非硅型消泡剂的复合，其中不免含有二甲基硅油这种非极性物质，表面张力较小，反而会使得水乙二醇溶液的泡沫倾向性出现一定程度下降。

温度和通气时间都对冷却液的泡沫倾向性有着显著的影响，温度越高，冷却液泡沫倾向性越好，这是因为随着温度的升高，泡沫中的气体分子受热加剧运动，使得气体的扩散作用增强，并且高温还能加快液膜的排液作用，使得液膜越来越薄，泡沫稳定性下降[8-9]。而通气时间越长，冷却液泡沫倾向性越差，是因为延长通气时间，就增加了空气与冷却液的接触时间[10]，使得更多的气体有机会溶入冷却液中，并且由于空气的搅动作用，使得溶入冷却液的气体变得更加细小，更能稳定存在于冷却液中，生成的泡沫更难消除。