非牛顿型除冰防冰液耐硬水性的研究

聂国庆

（西安万德能源化学股份有限公司，陕西 西安 710075）

卡波姆是一种常用的非牛顿流体，很低的浓度下即可形成黏度非常大的凝胶[1]，广泛应用于化妆品和药品，也常用作增稠剂、助悬剂、凝胶基质等[2]。在飞机除冰防冰领域，它被用作增稠剂添加在除冰防冰液中，能够延长除冰防冰液的防冰保持时间。

有研究表明，硬水对牛顿流体有一定程度的影响，但影响总体较小[3]；但对于非牛顿流体，由于其与牛顿流体的性质存在较大的差异，在具体应用中，硬水会对非牛顿流体产生较大影响。

由于不同地区的水硬度不同，在对非牛顿型除冰防冰液进行稀释使用的过程中，会产生不同程度的影响，包括对黏度的影响，最终会影响到除冰防冰液的使用效果。非牛顿流体在用标准硬水稀释时，黏度一般会发生变化，大多数情况下流体黏度会降低，也有部分流体稀释后黏度会升高。通常来说，流体的耐硬水程度越高，稀释后的黏度就越高，越有利于流体防冰，越有利于提高流体的水喷雾耐受时间（该指标是模拟-5℃冻雨条件下除冰防冰液的防冰时间，简称WSET）[4]的测试值。具体有哪些因素会影响流体的耐硬水性，本文将对此展开一些探讨。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：磷酸钠、钼酸钠、磷酸氢二钾（均为分析纯）；乙二醇（工业一级品）。实验用水为自制去离子水，硬水（自制，符合ASTM D 1193 Ⅳ型水）。

仪器：LVDV-II+P型旋转黏度计，HH-4型数显恒温水浴锅，JJ-1增力电动搅拌器。

卡波姆树脂：卡波姆941、卡波姆934、卡波姆1342。

1.2 实验方法

1.2.1 卡波姆凝胶的制备

将卡波姆树脂按照实验设定的配比，用搅拌器在去离子水中均匀分散，并静置过夜。

1.2.2 非牛顿型除冰防冰液的制备

按照设定比例，将乙二醇、卡波姆凝胶等配制成非牛顿型除冰防冰液，待用。稀释除冰液时，统一采用标准硬水（符合ASTM D1193 Ⅳ型）进行稀释。

1.2.3 黏度的测定

将待测样品控温至20℃，恒温0.5h。如非特别指出，本文中的测试黏度均指采用LV2转子，在20℃下，转子转速为0.3r·min-1时测出的黏度结果。

1.2.4 流体耐硬水指数

流体的耐硬水性可以用流体稀释液的黏度与原液的黏度直接进行比较，以判断黏度是降低还是升高。这样的比较不够准确，单纯从数值上很难做出判断。为了解决这一问题，本文提出了流体耐硬水指数这一概念。所谓耐硬水指数，是指同一温度下75%稀释液的黏度与原液黏度之比，用符号P表示。例如原液黏度9.5 Pa·s，75%稀释液黏度7.6 Pa·s，则耐硬水指数P=7.6/9.5=0.8。由此可知，耐硬水指数P可以明确地表述流体的耐硬水性，从而提供一个准确的概念，不会让研究者的判断含糊。

2 实验结果与讨论

根据实验室近期的测试数据，笔者对流体耐硬水指数做了一些讨论。

2.1 树脂种类对耐硬水指数的影响

流体中常用的增稠树脂有多种，如卡波姆941、卡波姆934、卡波姆980、卡波姆981、卡波姆1342等。本文重点比较了同为长流变树脂的卡波姆941和卡波姆1342。在实验中，两种树脂的添加比例、用量、其他添加剂的比例完全相同，配出两种流体，黏度测试结果见表1。从表1可知，使用卡波姆1342的流体，其耐硬水指数高于使用卡波姆941的流体。

表1 树脂种类对除冰液耐硬水指数的影响

卡波姆1342是一种疏水改性共聚物，而卡波姆941是传统的均聚物[5]，因此笔者推断，分子结构上的差别，会造成流体对硬水稀释响应的差别。

2.2 树脂配比对耐硬水指数的影响

卡波姆树脂从流变学上可分为两类，一类是长流变树脂，一类是短流变树脂。实践证明，非牛顿除冰/防冰流体要想获得良好的流变学性能和除冰/防冰性能，一般需要综合使用长流变树脂和短流变树脂。经实验论证，两种树脂的比例，对流体的耐剪切性有很大的影响。笔者通过实验，考察了两种树脂的配比对流体的耐硬水指数的影响。卡波姆941为长流变流体，卡波姆934为短流变流体，在其它实验条件固定不变的前提下，两种卡波姆的配比不同，导致的流体耐硬水指数的变化如表2所示。结果显示，941/934的比例提高时，耐硬水指数P增大。

表2 卡波姆941/934树脂配比比例对除冰液耐硬水指数的影响

用同为长流变的卡波姆1342替换卡波姆941，做类似实验，结果如表3所示。从结果可以看出，含卡波姆1342比例更大的流体，其耐硬水指数更高。

表3 卡波姆1342/934树脂配比比例对耐硬水指数的影响

图1是不同比例的长流变卡波姆对耐硬水指数的影响，可以看出，随着长流变卡波姆的比例增加，耐硬水指数逐渐增大。

图1 不同比例的长流变卡波姆对耐硬水指数的影响

需要注意的是，在实际应用中，除了耐硬水指数，还需要考虑其它因素对混合流体的影响，耐剪切度便是其中一个需考虑的因素[6]。耐剪切度降低，会导致混合流体的防冰性能明显下降，所以需要在诸多的因素中寻求平衡点，综合考虑各因素的影响，不能单纯使用耐硬水指数高的单一卡波姆。

相比长流变树脂而言，短流变树脂的耐剪切度较优，因此，需综合考量各种影响后，选取最优的卡波姆配比。

2.3 助剂对耐硬水指数的影响

在除冰液的配制中，黏度控制剂的使用不可避免。配方中，黏度控制剂对非牛顿型流体抗硬水性能的影响，需要通过实验来得出结论。本节重点研究了磷酸钠、钼酸钠和磷酸氢二钾等几种黏度控制剂对流体耐硬水性的影响。

首先比较了磷酸钠和钼酸钠对流体耐硬水性的影响。根据2.2的实验结果，首先选用卡波姆1342与卡波姆934的混合配比流体，其它实验条件不变，分别采用相同比例的磷酸钠和钼酸钠作为黏度控制剂添加到体系中，结果见表4。从表4可知，使用钼酸钠作为黏度控制剂的流体，其耐硬水性高于使用磷酸钠的流体。

表4 不同助剂对1342/934混合非牛顿流体抗硬水指数的影响

将卡波姆1342换为卡波姆941，配制成卡波姆941/934混合流体进行实验，实验条件与上述相同，结果如表5所示。从表5可知，钼酸钠更有助于提高流体的耐硬水性。

表5 不同助剂对941/934混合非牛顿流体抗硬水指数的影响

在工业中，磷酸钠常用作硬水软化剂，但对比数据后可知，在两种长流变/短流变混合非牛顿体系中，耐硬水性能反而不如钼酸钠。从表4和表5的数据可知，以磷酸氢二钾作流体黏度控制剂的体系，耐硬水性能太差，因此在实际使用中不作考虑。

3 结论

1）本文提出了一个可以对流体的耐硬水性进行定量表述的指标——耐硬水指数P，使用该指数可明确表示出流体耐硬水性的微小差别。

2）对于同为长流变树脂的卡波姆941和卡波姆1342，从耐硬水指数的结果看，卡波姆1342的表现较优。

3）在实验配比中增加长流变树脂的比例，可以提高流体的耐硬水性能。

4）比较了3种黏度控制剂磷酸钠、钼酸钠和磷酸氢二钾对流体耐硬水性的影响，结果表明，使用钼酸钠更有利于提高流体的耐硬水性。磷酸氢二钾会导致混合体系的耐硬水性能大幅下降，不适合在实际应用中添加。

5）耐硬水性能作为非牛顿流体的一个使用指标，其应用还要与其它指标如耐剪切性、流变性等相结合，选取各性能指标最优的平衡点，作为实际配比应用的参考。