ضد یخ یک افزودنی است که نقطه انجماد مایع مبتنی بر آب را کاهش می دهد. مخلوط ضد یخ برای رسیدن به فرورفتگی نقطه انجماد برای محیط های سرد استفاده می شود. ضد یخ های معمولی همچنین نقطه جوش مایع را افزایش می دهند و اجازه می دهند دمای مایع خنک کننده بالاتر باشد. [1] با این حال، همه افزودنی‌های ضد یخ معمولی نیز ظرفیت گرمایی کمتری نسبت به آب دارند و توانایی آب را برای عمل به عنوان خنک‌کننده در صورت اضافه شدن به آن کاهش می‌دهند. [2]
از آنجایی که آب خواص خوبی به عنوان خنک کننده دارد، از آب به علاوه ضد یخ در موتورهای احتراق داخلی و سایر کاربردهای انتقال حرارت مانند چیلرهای HVAC و آبگرمکن های خورشیدی استفاده می شود . هدف از ضد یخ جلوگیری از ترکیدن یک محفظه سفت و سخت به دلیل انبساط در هنگام یخ زدن آب است . از نظر تجاری، هر دو ماده افزودنی (کنسانتره خالص) و مخلوط (محلول رقیق شده) بسته به زمینه، ضد یخ نامیده می شوند. انتخاب دقیق ضد یخ می تواند محدوده دمایی وسیعی را ایجاد کند که در آن مخلوط در فاز مایع باقی بماند ، که برای انتقال حرارت کارآمد و عملکرد مناسب مبدل های حرارتی بسیار مهم است . اکثر فرمولاسیون های ضد یخ تجاری که برای استفاده در کاربردهای انتقال حرارت در نظر گرفته شده اند، شامل عوامل ضد خوردگی و ضد حفره (که مدار هیدرولیک را از سایش تدریجی محافظت می کنند) هستند.
آب خنک کننده اصلی موتورهای احتراق داخلی بود. ارزان، غیر سمی است و ظرفیت گرمایی بالایی دارد. با این حال، تنها محدوده مایع 100 کلوین دارد و پس از انجماد گسترش می یابد. برای رفع این مشکلات، خنک کننده های جایگزین با خواص بهبود یافته توسعه یافتند. نقطه انجماد و جوش خواص جمع آوری محلول است که به غلظت مواد محلول بستگی دارد. نمک ها نقطه ذوب محلول های آبی را کاهش می دهند. نمک ها اغلب برای یخ زدایی استفاده می شوند ، اما محلول های نمکی برای سیستم های خنک کننده استفاده نمی شوند زیرا باعث خوردگی فلزات می شوند. ترکیبات آلی با وزن مولکولی پایین تمایل به نقطه ذوب کمتر از آب دارند که آنها را برای استفاده به عنوان عوامل ضد یخ مناسب می کند. محلول های ترکیبات آلی به ویژه الکل ها در آب موثر است. الکل هایی مانند متانول، اتانول، اتیلن گلیکول و غیره از زمانی که در دهه 1920 تجاری شدند، اساس همه ضدیخ ها بوده اند. [1]
بیشتر موتورهای خودرو برای از بین بردن گرمای اتلاف با آب خنک می‌شوند ، اگرچه «آب» مورد استفاده در واقع مخلوطی از آب و ضدیخ است. اصطلاح خنک کننده موتور به طور گسترده در صنعت خودرو استفاده می شود که وظیفه اصلی آن انتقال حرارت همرفتی برای موتورهای احتراق داخلی را پوشش می دهد . هنگامی که در زمینه خودرو استفاده می شود، بازدارنده های خوردگی برای کمک به محافظت از رادیاتور خودروها اضافه می شود ، که اغلب حاوی طیف وسیعی از فلزات ناسازگار الکتروشیمیایی ( آلومینیوم ، چدن ، مس ، برنج ، لحیم کاری و غیره) هستند. روان کننده آب بند پمپ آب نیز اضافه می شود.
ضد یخ برای غلبه بر کاستی های آب به عنوان مایع انتقال حرارت ساخته شد .
از سوی دیگر، اگر مایع خنک‌کننده موتور بیش از حد داغ شود، ممکن است در داخل موتور بجوشد و باعث ایجاد حفره‌های بخار شود که منجر به نقاط داغ موضعی و خرابی فاجعه‌بار موتور شود. اگر از آب معمولی به عنوان خنک کننده موتور در آب و هوای شمالی استفاده شود، یخ زدگی رخ می دهد و باعث آسیب قابل توجهی به موتور می شود. همچنین، آب ساده شیوع خوردگی گالوانیکی را افزایش می دهد . خنک کننده مناسب موتور و سیستم خنک کننده تحت فشار این کاستی های آب را برطرف می کند. با ضد یخ مناسب، محدوده دمای وسیعی را می توان توسط مایع خنک کننده موتور تحمل کرد، مانند -34 درجه فارنهایت (37- درجه سانتیگراد) تا +265 درجه فارنهایت (129 درجه سانتیگراد) برای 50٪ (حجمی) پروپیلن گلیکول رقیق شده با مقطر. آب و سیستم خنک کننده تحت فشار 15 psi .
ضد یخ خنک کننده اولیه موتور متانول (متیل الکل) بود . اتیلن گلیکول به این دلیل ساخته شد که نقطه جوش بالاتر آن با سیستم های گرمایش سازگارتر بود.
گروه فولکس واگن به ویژه به توسعه خنک کننده ها و استانداردهای آنها (VW TL 774) با همکاری Haertol Chemie از ماگدبورگ متعهد بوده است. استانداردهای فولکس واگن عبارتند از: G11، G12، G12+، G12++، G13 و G12evo.
یکی دیگر از شرکت‌های درگیر در توسعه، BASF (Glysantin) است که استانداردهای آن عبارتند از: G30، G40، G48، G05، G33 و G34.
گروه فولکس واگن:
BASF:
[3] [4]
رایج‌ترین محلول‌های ضدیخ مبتنی بر آب که در خنک‌کننده‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند ، مخلوطی از آب و اتیلن گلیکول (EGW) یا پروپیلن گلیکول (PGW) هستند. استفاده از اتیلن گلیکول به ویژه در صنعت خودروسازی سابقه طولانی تری دارد. با این حال، محلول های EGW فرموله شده برای صنعت خودرو اغلب دارای بازدارنده های زنگ بر پایه سیلیکات هستند که می توانند سطوح مبدل حرارتی را بپوشانند و/یا مسدود کنند. اتیلن گلیکول به عنوان یک ماده شیمیایی سمی ذکر شده است که نیاز به مراقبت در حمل و دفع دارد.
اتیلن گلیکول دارای خواص حرارتی مطلوبی از جمله نقطه جوش بالا، نقطه انجماد پایین، پایداری در طیف وسیعی از دماها و گرمای ویژه و هدایت حرارتی بالا است. همچنین ویسکوزیته پایینی دارد و بنابراین نیاز پمپاژ آن کاهش می یابد. اگرچه EGW دارای خواص فیزیکی مطلوب تری نسبت به PGW است، خنک کننده دوم در کاربردهایی استفاده می شود که سمیت ممکن است نگران کننده باشد. PGW به طور کلی برای استفاده در برنامه های غذایی یا پردازش مواد غذایی ایمن شناخته می شود و همچنین می تواند در فضاهای بسته استفاده شود.
مخلوط‌های مشابه معمولاً در سیستم‌های HVAC و گرمایش یا سرمایش صنعتی به‌عنوان یک رسانه انتقال حرارت با ظرفیت بالا استفاده می‌شوند . بسیاری از فرمول‌ها دارای بازدارنده‌های خوردگی هستند و انتظار می‌رود که این مواد شیمیایی (به صورت دستی یا تحت کنترل خودکار) دوباره پر شوند تا لوله‌ها و تجهیزات گران قیمت از خوردگی جلوگیری کنند.
پروتئین های ضد یخ به ترکیبات شیمیایی تولید شده توسط برخی از حیوانات ، گیاهان و سایر موجودات اطلاق می شود که از تشکیل یخ جلوگیری می کند. به این ترتیب، این ترکیبات به ارگانیسم میزبان خود اجازه می دهند تا در دمای بسیار پایین تر از نقطه انجماد آب کار کند. پروتئین های ضد یخ به کریستال های کوچک یخ متصل می شوند تا از رشد و تبلور مجدد یخ جلوگیری کنند که در غیر این صورت کشنده خواهد بود. [5] [6]
محافظ سرما معمولاً در کرایوبیولوژی برای جلوگیری یا مهار انجماد در اسپرم، خون، سلول‌های بنیادی، دانه‌های گیاهی و غیره استفاده می‌شود . محافظ برودتی [7] [8]
اکثر ضدیخ ها از مخلوط کردن آب مقطر با مواد افزودنی و یک محصول پایه، معمولاً MEG (مونو اتیلن گلیکول) یا MPG (مونو پروپیلن گلیکول) ساخته می شوند. محلول های اتیلن گلیکول برای اولین بار در سال 1926 در دسترس قرار گرفت و به عنوان "ضد یخ دائمی" به بازار عرضه شد زیرا نقاط جوش بالاتر مزایایی را برای استفاده در تابستان و همچنین در هوای سرد ایجاد می کرد. امروزه از آنها برای کاربردهای مختلفی از جمله خودرو استفاده می شود ، اما جایگزین هایی با سمیت کمتر ساخته شده با پروپیلن گلیکول موجود است.
هنگامی که اتیلن گلیکول در یک سیستم استفاده می شود، ممکن است به پنج اسید آلی (فورمیک، اگزالیک، گلیکولیک، گلی اگزالیک و اسید استیک) اکسید شود. مخلوط ضد یخ اتیلن گلیکول مهار شده با افزودنی هایی که PH و قلیائیت ذخیره محلول را برای جلوگیری از اکسید شدن اتیلن گلیکول و تشکیل این اسیدها بافر می کنند، در دسترس هستند. نیتریت ها ، سیلیکات ها ، بورات ها و آزول ها نیز ممکن است برای جلوگیری از حمله خورنده به فلز استفاده شوند.
اتیلن گلیکول مزه ای تلخ و شیرین دارد و باعث اشتعال می شود. اثرات سمی مصرف اتیلن گلیکول به این دلیل رخ می دهد که توسط کبد به 4 ماده شیمیایی دیگر که بسیار سمی تر هستند تبدیل می شود. دوز کشنده اتیلن گلیکول خالص 1.4 میلی لیتر بر کیلوگرم است (3 اونس مایع آمریکا (90 میلی لیتر) برای یک فرد 140 پوندی (64 کیلوگرم) کشنده است) اما اگر ظرف یک ساعت درمان شود بسیار کشنده است. [9] ( به مسمومیت با اتیلن گلیکول مراجعه کنید ).
پروپیلن گلیکول به طور قابل توجهی کمتر از اتیلن گلیکول سمی است و ممکن است به عنوان "ضد یخ غیر سمی" برچسب گذاری شود. در مواردی که اتیلن گلیکول نامناسب است، مانند سیستم‌های فرآوری مواد غذایی یا لوله‌های آب در خانه‌هایی که ممکن است بلعیدن اتفاقی ممکن است، به عنوان ضدیخ استفاده می‌شود. به عنوان مثال، FDA ایالات متحده اجازه می دهد تا پروپیلن گلیکول به تعداد زیادی از غذاهای فوق فرآوری شده ، از جمله بستنی ، کاسترد منجمد ، سس سالاد، و محصولات پخته شده اضافه شود و معمولاً به عنوان ماده اصلی در " الکترونیکی " استفاده می شود. مایع " مورد استفاده در سیگارهای الکترونیکی . پروپیلن گلیکول به اسید لاکتیک اکسید می شود . [10]
علاوه بر خوردگی سیستم خنک کننده، رسوب بیولوژیکی نیز رخ می دهد. هنگامی که لجن باکتری شروع به رشد می کند، نرخ خوردگی سیستم افزایش می یابد. تعمیر و نگهداری سیستم هایی با استفاده از محلول گلیکول شامل نظارت منظم بر حفاظت در برابر یخ زدگی، pH ، وزن مخصوص ، سطح بازدارنده، رنگ و آلودگی بیولوژیکی است.
پروپیلن گلیکول زمانی که به رنگ قرمز تبدیل شد باید جایگزین شود. هنگامی که محلول آبی پروپیلن گلیکول در یک سیستم خنک کننده یا گرمایشی به رنگ قرمز یا سیاه در می آید، این نشان می دهد که آهن موجود در سیستم به طور قابل توجهی خورده می شود. در غیاب مهارکننده‌ها، پروپیلن گلیکول می‌تواند با اکسیژن و یون‌های فلزی واکنش داده و ترکیبات مختلفی از جمله اسیدهای آلی (مانند فرمیک، اگزالیک، استیک) تولید کند. این اسیدها خوردگی فلزات را در سیستم تسریع می کنند. [11] [12] [13] [14]
پروپیلن گلیکول متیل اتر به عنوان ضد یخ در موتورهای دیزلی استفاده می شود. فرارتر از گلیکول است. [1]
گلیسرول هنگامی که برای ضدیخ خودرو استفاده می‌شود، این مزیت را دارد که غیرسمی است، دمای نسبتاً بالا را تحمل می‌کند و خورنده نیست. با این حال به طور گسترده استفاده نمی شود. [1] گلیسرول از لحاظ تاریخی به عنوان یک ضد یخ برای کاربردهای خودرو قبل از جایگزینی با اتیلن گلیکول استفاده می شد . [15] [16] فولکس واگن ضد یخ G13 (TL 774-G) حاوی گلیسرول را در سال 2008 معرفی کرد که به دلیل سمیت کم و کاهش انتشار CO 2 برای محیط زیست بهتر به بازار عرضه شد . [17] با این حال، از سال 2018، آنها به G12EVO (TL 774-L) رفته اند که دیگر حاوی گلیسرول نیست. [18]
گلیسرول برای استفاده به عنوان ضد یخ در بسیاری از سیستم های اسپرینکلر الزامی است. [ نیازمند منبع ]
هنگامی که ضدیخ با آب مخلوط شد و مورد استفاده قرار گرفت، به طور دوره ای نیاز به نگهداری دارد. اگر مایع خنک کننده موتور نشت کند، بجوشد، یا اگر سیستم خنک کننده نیاز به تخلیه و پر کردن مجدد داشته باشد، باید محافظ ضد یخ ضد یخ در نظر گرفته شود. در موارد دیگر، یک وسیله نقلیه ممکن است نیاز به کار در یک محیط سردتر داشته باشد که به ضد یخ بیشتر و آب کمتری نیاز دارد. معمولاً از سه روش برای تعیین نقطه انجماد محلول با اندازه گیری غلظت استفاده می شود: [19]
هم وزن مخصوص و هم ضریب شکست تحت تأثیر دما قرار می گیرند، اگرچه اولی به طور فاجعه بار کمتری تحت تأثیر قرار می گیرد. با این وجود، جبران دما برای اندازه گیری RI توصیه می شود. [19] محلول‌های پروپیلن گلیکول را نمی‌توان با استفاده از وزن مخصوص آزمایش کرد، زیرا نتایج مبهم دارند (محلول‌های 40 و 100 درصد وزن مخصوص یکسانی دارند)، [19] اگرچه استفاده‌های معمولی به ندرت از غلظت 60 درصد فراتر می‌رود.
نقطه جوش را می توان به طور مشابه با غلظت داده شده از یکی از سه روش تعیین کرد. برگه‌های اطلاعات مخلوط‌های خنک‌کننده گلیکول/آب معمولاً از فروشندگان مواد شیمیایی موجود است. [20]
بیشتر فرمولاسیون های ضد یخ تجاری شامل ترکیبات بازدارنده خوردگی و یک رنگ رنگی (معمولاً سبز فلورسنت ، قرمز، نارنجی، زرد یا آبی) برای کمک به شناسایی هستند. [21] معمولاً از رقت 1:1 با آب استفاده می شود که بسته به فرمولاسیون، نقطه انجماد در حدود -34 درجه فارنهایت (-37 درجه سانتیگراد) ایجاد می شود. در مناطق گرمتر یا سردتر، به ترتیب از رقت‌های ضعیف‌تر یا قوی‌تر استفاده می‌شود، اما محدوده 40%/60% تا 60%/40% اغلب برای اطمینان از حفاظت در برابر خوردگی، و 70%/30% برای حداکثر جلوگیری از یخ زدگی مشخص می‌شود. -84 درجه فارنهایت (64- درجه سانتیگراد). [22]
در صورت عدم وجود نشتی، مواد شیمیایی ضد یخ مانند اتیلن گلیکول یا پروپیلن گلیکول ممکن است خواص اولیه خود را به طور نامحدود حفظ کنند. در مقابل، بازدارنده‌های خوردگی به تدریج مصرف می‌شوند و باید هر از گاهی دوباره پر شوند. سیستم‌های بزرگ‌تر (مانند سیستم‌های HVAC ) اغلب توسط شرکت‌های تخصصی نظارت می‌شوند که مسئولیت افزودن بازدارنده‌های خوردگی و تنظیم ترکیب خنک‌کننده را بر عهده دارند. برای سادگی، اکثر خودروسازان تعویض دوره ای کامل مایع خنک کننده موتور را برای تجدید همزمان بازدارنده های خوردگی و حذف آلاینده های انباشته شده توصیه می کنند.
به طور سنتی، دو بازدارنده اصلی خوردگی در وسایل نقلیه استفاده می شد: سیلیکات ها و فسفات ها . خودروهای ساخت آمریکا به طور سنتی از سیلیکات و فسفات استفاده می کردند. [23] محصولات اروپایی حاوی سیلیکات و سایر مهارکننده‌ها هستند، اما فسفات ندارند. [23] ژاپنی ها به طور سنتی از فسفات ها و سایر مهارکننده ها استفاده می کنند، اما سیلیکات ندارند. [23] [24]
اکثر خودروهای مدرن با فناوری اسید آلی (OAT) ضد یخ (به عنوان مثال، DEX-COOL [25] )، یا با فرمولاسیون فناوری اسید آلی هیبریدی (HOAT) (مثلا Zerex G-05)، [26] ساخته می‌شوند . ادعا می شود که عمر مفید پنج سال یا 240000 کیلومتر (150000 مایل) افزایش یافته است.
DEX-COOL به طور خاص باعث بحث و جدل شده است . دعوی قضایی آن را با خرابی واشر منیفولد ورودی در موتورهای 3.1 لیتری و 3.4 لیتری جنرال موتورز (GM) و با خرابی های دیگر در موتورهای 3.8 و 4.3 لیتری مرتبط دانسته است. یکی از اجزای ضد خوردگی ارائه شده به عنوان سدیم یا پتاسیم 2-اتیل هگزانوات و اتیل هگزانوئیک اسید با نایلون 6،6 و لاستیک سیلیکون ناسازگار است و نرم کننده شناخته شده ای است . دعاوی دسته جمعی در چندین ایالت ایالات متحده، و در کانادا، [27] برای رسیدگی به برخی از این ادعاها ثبت شد. اولین موردی که به تصمیم رسید در میسوری بود، جایی که در اوایل دسامبر 2007 توافقنامه اعلام شد . [29] جنرال موتورز ( شرکت انحلال موتورها ) در سال 2009 اعلام ورشکستگی کرد، که تا زمانی که دادگاه مشخص کند چه کسی حقوق می گیرد، مطالبات معوق را به هم بست. [30]
به گفته سازنده DEX-COOL، "اختلاط یک خنک کننده سبز رنگ [غیر OAT] با DEX-COOL فاصله تغییر دسته را به 2 سال یا 30000 مایل کاهش می دهد، اما در غیر این صورت هیچ آسیبی به موتور وارد نمی شود." [31] ضد یخ DEX-COOL از دو بازدارنده استفاده می کند: سبکات و 2-EHA ( 2-اتیل هگزانوئیک اسید )، دومی که به خوبی با آب سخت موجود در ایالات متحده کار می کند، اما نرم کننده ای است که می تواند باعث نشت واشر شود. [23]
با توجه به اسناد داخلی GM، [31] به نظر می رسد که مقصر نهایی خودروهایی است که برای مدت طولانی با سطح خنک کننده پایین کار می کنند. مایع خنک کننده کم به دلیل درپوش های فشاری است که در حالت باز از کار می افتند. (درپوش ها و بطری های ریکاوری جدید همزمان با DEX-COOL معرفی شدند). این امر اجزای موتور داغ را در معرض هوا و بخارات قرار می دهد و باعث خوردگی و آلودگی مایع خنک کننده با ذرات اکسید آهن می شود که به نوبه خود می تواند مشکل درپوش فشار را تشدید کند زیرا آلودگی باعث می شود درپوش ها برای همیشه باز شوند. [31]
خنک کننده های جدید هوندا و تویوتا با عمر طولانی از OAT با سبکات استفاده می کنند، اما بدون 2-EHA. برخی از فسفات های اضافه شده در حین ایجاد OAT محافظت می کنند. [23] هوندا به طور خاص 2-EHA را از فرمول های خود حذف می کند.
به طور معمول، ضد یخ OAT حاوی رنگ نارنجی است تا آن را از خنک کننده های معمولی مبتنی بر گلیکول (سبز یا زرد) متمایز کند، اگرچه برخی از محصولات OAT ممکن است حاوی رنگ قرمز یا ارغوانی باشند. برخی از خنک کننده های OAT جدیدتر ادعا می کنند که با انواع خنک کننده های OAT و مبتنی بر گلیکول سازگار هستند . اینها معمولاً به رنگ سبز یا زرد هستند. [21]
خنک کننده های HOAT معمولا یک OAT را با یک بازدارنده سنتی، معمولا سیلیکات ها، مخلوط می کنند. [32]
یک مثال Zerex G05 است که یک فرمول کم سیلیکات و بدون فسفات است که شامل مهارکننده بنزوات است . [23]
یک خنک کننده HOAT می تواند عمر مفیدی به اندازه 10 سال / 180000 مایل داشته باشد. [32]
خنک کننده های P-HOAT فسفات ها را با HOAT مخلوط می کنند. [32] این فناوری معمولاً در تولیدات آسیایی استفاده می شود و اغلب به رنگ قرمز یا آبی رنگ می شود. [32]
خنک کننده های Si-OAT سیلیکات ها را با HOAT مخلوط می کنند. [32] این فناوری معمولاً در ساخت‌های اروپایی استفاده می‌شود و اغلب صورتی رنگ می‌شود. [32]
تمام فرمولاسیون های ضد یخ خودرو، از جمله فرمولاسیون های اسید آلی جدیدتر (ضد یخ OAT)، به دلیل ترکیب مواد افزودنی (حدود 5٪) از جمله روان کننده ها، بافرها و بازدارنده های خوردگی برای محیط زیست خطرناک هستند. [33] از آنجایی که مواد افزودنی در ضد یخ اختصاصی هستند، برگه‌های اطلاعات ایمنی (SDS) ارائه شده توسط سازنده، تنها ترکیباتی را فهرست می‌کنند که در صورت استفاده مطابق با توصیه‌های سازنده، خطرات ایمنی قابل توجهی در نظر گرفته می‌شوند. افزودنی های رایج عبارتند از سیلیکات سدیم ، دی سدیم فسفات ، سدیم مولیبدات ، سدیم بورات ، بنزوات دناتونیوم و دکسترین (هیدروکسی اتیل نشاسته).
رنگ دی‌سدیم فلورسین به فرمول‌های معمولی اتیلن گلیکول اضافه می‌شود تا مقادیر نشت‌شده را از سایر مایعات وسیله نقلیه تشخیص دهد و به‌عنوان نشانگر نوع آن از انواع ناسازگار متمایز شود. [21] این رنگ هنگامی که توسط نور آبی یا UV از نور روز یا لامپ‌های آزمایشی روشن می‌شود، سبز روشن فلورسانس می‌شود.
ضد یخ خودرو به دلیل افزودنی tolyltriazole که یک بازدارنده خوردگی است بوی خاصی دارد . بوی نامطبوع در تولیل تریازول مصارف صنعتی ناشی از ناخالصی های موجود در محصول است که از ایزومرهای تولویدین (اورتو، متا و پارا تولویدین) و متا دیامینو تولوئن که محصولات جانبی در ساخت تولیل تریازول هستند، ایجاد می شود. [34] این محصولات جانبی بسیار واکنش پذیر هستند و آمین های آروماتیک فرار تولید می کنند که مسئول بوی نامطبوع هستند. [35]