聶國慶

（西安萬德能源化學股份有限公司，陜西 西安 710075）

卡波姆是一種常用的非牛頓流體，很低的濃度下即可形成黏度非常大的凝膠[1]，廣泛應用于化妝品和藥品，也常用作增稠劑、助懸劑、凝膠基質等[2]。在飛機除冰防冰領域，它被用作增稠劑添加在除冰防冰液中，能夠延長除冰防冰液的防冰保持時間。

有研究表明，硬水對牛頓流體有一定程度的影響，但影響總體較小[3]；但對于非牛頓流體，由于其與牛頓流體的性質存在較大的差異，在具體應用中，硬水會對非牛頓流體產(chǎn)生較大影響。

由于不同地區(qū)的水硬度不同，在對非牛頓型除冰防冰液進行稀釋使用的過程中，會產(chǎn)生不同程度的影響，包括對黏度的影響，最終會影響到除冰防冰液的使用效果。非牛頓流體在用標準硬水稀釋時，黏度一般會發(fā)生變化，大多數(shù)情況下流體黏度會降低，也有部分流體稀釋后黏度會升高。通常來說，流體的耐硬水程度越高，稀釋后的黏度就越高，越有利于流體防冰，越有利于提高流體的水噴霧耐受時間（該指標是模擬-5℃凍雨條件下除冰防冰液的防冰時間，簡稱WSET）[4]的測試值。具體有哪些因素會影響流體的耐硬水性，本文將對此展開一些探討。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：磷酸鈉、鉬酸鈉、磷酸氫二鉀（均為分析純）；乙二醇（工業(yè)一級品）。實驗用水為自制去離子水，硬水（自制，符合ASTM D 1193 Ⅳ型水）。

儀器：LVDV-II+P型旋轉黏度計，HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，JJ-1增力電動攪拌器。

卡波姆樹脂：卡波姆941、卡波姆934、卡波姆1342。

1.2 實驗方法

1.2.1 卡波姆凝膠的制備

將卡波姆樹脂按照實驗設定的配比，用攪拌器在去離子水中均勻分散，并靜置過夜。

1.2.2 非牛頓型除冰防冰液的制備

按照設定比例，將乙二醇、卡波姆凝膠等配制成非牛頓型除冰防冰液，待用。稀釋除冰液時，統(tǒng)一采用標準硬水（符合ASTM D1193 Ⅳ型）進行稀釋。

1.2.3 黏度的測定

將待測樣品控溫至20℃，恒溫0.5h。如非特別指出，本文中的測試黏度均指采用LV2轉子，在20℃下，轉子轉速為0.3r·min-1時測出的黏度結果。

1.2.4 流體耐硬水指數(shù)

流體的耐硬水性可以用流體稀釋液的黏度與原液的黏度直接進行比較，以判斷黏度是降低還是升高。這樣的比較不夠準確，單純從數(shù)值上很難做出判斷。為了解決這一問題，本文提出了流體耐硬水指數(shù)這一概念。所謂耐硬水指數(shù)，是指同一溫度下75%稀釋液的黏度與原液黏度之比，用符號P表示。例如原液黏度9.5 Pa·s，75%稀釋液黏度7.6 Pa·s，則耐硬水指數(shù)P=7.6/9.5=0.8。由此可知，耐硬水指數(shù)P可以明確地表述流體的耐硬水性，從而提供一個準確的概念，不會讓研究者的判斷含糊。

2 實驗結果與討論

根據(jù)實驗室近期的測試數(shù)據(jù)，筆者對流體耐硬水指數(shù)做了一些討論。

2.1 樹脂種類對耐硬水指數(shù)的影響

流體中常用的增稠樹脂有多種，如卡波姆941、卡波姆934、卡波姆980、卡波姆981、卡波姆1342等。本文重點比較了同為長流變樹脂的卡波姆941和卡波姆1342。在實驗中，兩種樹脂的添加比例、用量、其他添加劑的比例完全相同，配出兩種流體，黏度測試結果見表1。從表1可知，使用卡波姆1342的流體，其耐硬水指數(shù)高于使用卡波姆941的流體。

表1 樹脂種類對除冰液耐硬水指數(shù)的影響

卡波姆1342是一種疏水改性共聚物，而卡波姆941是傳統(tǒng)的均聚物[5]，因此筆者推斷，分子結構上的差別，會造成流體對硬水稀釋響應的差別。

2.2 樹脂配比對耐硬水指數(shù)的影響

卡波姆樹脂從流變學上可分為兩類，一類是長流變樹脂，一類是短流變樹脂。實踐證明，非牛頓除冰/防冰流體要想獲得良好的流變學性能和除冰/防冰性能，一般需要綜合使用長流變樹脂和短流變樹脂。經(jīng)實驗論證，兩種樹脂的比例，對流體的耐剪切性有很大的影響。筆者通過實驗，考察了兩種樹脂的配比對流體的耐硬水指數(shù)的影響。卡波姆941為長流變流體，卡波姆934為短流變流體，在其它實驗條件固定不變的前提下，兩種卡波姆的配比不同，導致的流體耐硬水指數(shù)的變化如表2所示。結果顯示，941/934的比例提高時，耐硬水指數(shù)P增大。

表2 卡波姆941/934樹脂配比比例對除冰液耐硬水指數(shù)的影響

用同為長流變的卡波姆1342替換卡波姆941，做類似實驗，結果如表3所示。從結果可以看出，含卡波姆1342比例更大的流體，其耐硬水指數(shù)更高。

表3 卡波姆1342/934樹脂配比比例對耐硬水指數(shù)的影響

圖1是不同比例的長流變卡波姆對耐硬水指數(shù)的影響，可以看出，隨著長流變卡波姆的比例增加，耐硬水指數(shù)逐漸增大。

圖1 不同比例的長流變卡波姆對耐硬水指數(shù)的影響

需要注意的是，在實際應用中，除了耐硬水指數(shù)，還需要考慮其它因素對混合流體的影響，耐剪切度便是其中一個需考慮的因素[6]。耐剪切度降低，會導致混合流體的防冰性能明顯下降，所以需要在諸多的因素中尋求平衡點，綜合考慮各因素的影響，不能單純使用耐硬水指數(shù)高的單一卡波姆。

相比長流變樹脂而言，短流變樹脂的耐剪切度較優(yōu)，因此，需綜合考量各種影響后，選取最優(yōu)的卡波姆配比。

2.3 助劑對耐硬水指數(shù)的影響

在除冰液的配制中，黏度控制劑的使用不可避免。配方中，黏度控制劑對非牛頓型流體抗硬水性能的影響，需要通過實驗來得出結論。本節(jié)重點研究了磷酸鈉、鉬酸鈉和磷酸氫二鉀等幾種黏度控制劑對流體耐硬水性的影響。

首先比較了磷酸鈉和鉬酸鈉對流體耐硬水性的影響。根據(jù)2.2的實驗結果，首先選用卡波姆1342與卡波姆934的混合配比流體，其它實驗條件不變，分別采用相同比例的磷酸鈉和鉬酸鈉作為黏度控制劑添加到體系中，結果見表4。從表4可知，使用鉬酸鈉作為黏度控制劑的流體，其耐硬水性高于使用磷酸鈉的流體。

表4 不同助劑對1342/934混合非牛頓流體抗硬水指數(shù)的影響

將卡波姆1342換為卡波姆941，配制成卡波姆941/934混合流體進行實驗，實驗條件與上述相同，結果如表5所示。從表5可知，鉬酸鈉更有助于提高流體的耐硬水性。

表5 不同助劑對941/934混合非牛頓流體抗硬水指數(shù)的影響

在工業(yè)中，磷酸鈉常用作硬水軟化劑，但對比數(shù)據(jù)后可知，在兩種長流變/短流變混合非牛頓體系中，耐硬水性能反而不如鉬酸鈉。從表4和表5的數(shù)據(jù)可知，以磷酸氫二鉀作流體黏度控制劑的體系，耐硬水性能太差，因此在實際使用中不作考慮。

3 結論

1）本文提出了一個可以對流體的耐硬水性進行定量表述的指標——耐硬水指數(shù)P，使用該指數(shù)可明確表示出流體耐硬水性的微小差別。

2）對于同為長流變樹脂的卡波姆941和卡波姆1342，從耐硬水指數(shù)的結果看，卡波姆1342的表現(xiàn)較優(yōu)。

3）在實驗配比中增加長流變樹脂的比例，可以提高流體的耐硬水性能。

4）比較了3種黏度控制劑磷酸鈉、鉬酸鈉和磷酸氫二鉀對流體耐硬水性的影響，結果表明，使用鉬酸鈉更有利于提高流體的耐硬水性。磷酸氫二鉀會導致混合體系的耐硬水性能大幅下降，不適合在實際應用中添加。

5）耐硬水性能作為非牛頓流體的一個使用指標，其應用還要與其它指標如耐剪切性、流變性等相結合，選取各性能指標最優(yōu)的平衡點，作為實際配比應用的參考。