Научная статья на тему 'Загустители в составах противооблединительных жидкостей'

Загустители в составах противооблединительных жидкостей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
696
117
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА / PROTECTIVE PROPERTIES / ПРОТИВООБЛЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ЖИДКОСТИ / ANTIICING FLUID / СКОРОСТЬ СДВИГА / SHEAR RATE / ЗАГУСТИТЕЛИ / THICKENERS

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Куряшов Д. А., Башкирцева Н. Ю., Овчинникова Ю. С., Мингазов Р. Р., Сладовская О. Ю.

Показано важное значение защитных свойств противооблединительных жидкостей (ПОЖ) при обработке воздушных судов в условиях выпадения замерзающих осадков. Показано, что наиболее эффективными загустителями ПОЖ могут стать полисахариды (ксантан и карбоксиметилцеллюлоза), полимеры и сополимеры акриловой и метакриловой кислот, а также гидрофобно модифицированные акриловые полимеры. Применение ПОЖ должно обеспечивать образование сплошной пленки во время старта или взлета.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Куряшов Д. А., Башкирцева Н. Ю., Овчинникова Ю. С., Мингазов Р. Р., Сладовская О. Ю.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Загустители в составах противооблединительных жидкостей»

УДК 661.175.3

Д. А. Куряшов, Н. Ю. Башкирцев;!, Ю. С. Овчинникова, Р. Р. Мингазов, О. Ю. Сладовская, Р. Р. Рахматуллин

ЗАГУСТИТЕЛИ В СОСТАВАХ ПРОТИВООБЛЕДИНИТЕЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Ключевые слова: защитные свойства, противооблединительные жидкости, скорость сдвига, загустители.

Показано важное значение защитных свойств противооблединительных жидкостей (ПОЖ) при обработке воздушных судов в условиях выпадения замерзающих осадков. Показано, что наиболее эффективными загустителями ПОЖ могут стать полисахариды (ксантан и карбоксиметилцеллюлоза), полимеры и сополимеры акриловой и метакриловой кислот, а также гидрофобно модифицированные акриловые полимеры. Применение ПОЖ должно обеспечивать образование сплошной пленки во время старта или взлета.

Keywords: protective properties, anti- icing fluid, shear rate, thickeners.

The importance of the protective properties of anti-icing fluids (AMPs) in the treatment of aircraft in a loss offreezing precipitation is been stated. It is shown that the most effective thickeners of AMPs can be polysaccharides (xanthan and carboxymethylcellulose), polymers and copolymers of acrylic and methacrylic acids as well as hydrophobically modified acrylic polymers. The use of AMPs must provide: a continuous film formation during the start or takeoff.

Эффективная защита противообледенитель-ных жидкостей (ПОЖ) обеспечивается высокой вязкостью. В сочетании с присутствующими в составе ПОЖ смачивающими агентами повышенная вязкость позволяет получить на поверхности воздушных судов (ВС) защитную пленку увеличенной толщины и, следовательно, увеличить время действия жидкости. Это защитное свойство имеет важное значение в условиях выпадения замерзающих осадков, когда ожидается более длительное время выруливания. В условиях образования инея оно составляет до 12 часов, что позволяет ее использовать при таких погодных условиях для обработки воздушных судов до посадки пассажиров. В условиях других видов реальных осадков, в зависимости от температуры наружного воздуха и концентрации, оно может составлять от 20-40 минут до 1-1,5 часа, что должно быть практически достаточно для обеспечения безопасности взлета в большинстве случаев. Применение ПОЖ должно обеспечивать:

- (а) образование сплошной пленки после нанесения посредством стандартного распылительного устройства даже на негоризонтальных поверхностях самолета, которые являются определяющими по отношению к его аэродинамическим характеристикам во время старта или взлета, например вертикальный хвостовой стабилизатор, но в то же время как бы не прерывают плавную линию контура поверхности фюзеляжа;

- (б) продолжительный антиобледенитель-ный защитный эффект;

- (в) стекание защитной пленки с поверхности крыльев как результат действия сдвигающей силы ветра при отрыве воздушного судна от земли.

Таким образом, для выполнения заложенных функций, ПОЖ должны обладать неньютоновскими реологическими характеристиками, т. е. их вязкость должна уменьшаться при возрастании скорости сдвига. Такие свойства обеспечивают, с одной стороны, значительную толщину слоя ПОЖ на поверхностях самолета после противообледенительной обработки и соответственно значительное время защитного действия, а с другой стороны -- своевре-

менное полное удаление ПОЖ с поверхностей ВС в процессе разбега под воздействием скоростного напора воздуха, все более "разжижающего" нанесенный слой ПОЖ по мере возрастания скорости.

Типичная зависимость вязкости ПОЖ IV типа от скорости сдвига приведена на рис. 1. Видно, что с увеличением скорости сдвига вязкость ПОЖ снижается на несколько порядков.

100000 т-

100-1-,-,-,-

0.01 0.1 1 10 100

Скорость сдвига, с"1

Рис. 1 - Типичная зависимость вязкости загущенной ПОЖ от скорости сдвига

Неньютоновские свойства ПОЖ достигаются введением в их состав загустителей. Применяемые в настоящее время загустители можно разделить на две группы: органические и неорганические.

Первая группа - органические высокомолекулярные соединения, представленные биополимерами, их производными и продуктами их деструкции, а также синтетическими полимерами.

При использовании био- и синтетических полимеров вязкость увеличивается в результате перекрывания исключенных объемов отдельных макромолекул, обусловленное либо перекрыванием сфер влияния полимерных цепей, характеризующихся дальнодействующими (электростатическими)

силами, либо физическим взаимопроникновением цепных молекул.

Общим результатом этого процесса является достижение определенной структурной вязкости состава (псевдопластичности).

Органические соединения, используемые в качестве загустителей, приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Органические соединения, используемые в качестве загустителей

Класс соединений Загуститель и его характеристика

Полисахариды Агар - гидроколлоид, получаемый из красных водорослей класса ЯИо^р-Ьу-сеае-ОгасПапа, веШшт, Сегатшт и др.

Альгинаты - соли альгиновой кислоты, которая в 18-40 мас. % содержится во всех бурых водорослях.

Карраген—семейство линейных сульфатных полисахаридов, природный ге-леобразователь, получаемый при переработке красных морских водорослей.

Гуаровая смола - высокозамещенный неионный природный полисахарид группы галактоманнанов.

Смола рожкового дерева-полисахарид, получаемый при переработке плодов рожкового дерева.

Ксантан - внеклеточный гетерополисахарид, вырабатываемый бактериями ХалШотопаБ сатреБЙБ.

Велановая смола - технический микробный полисахарид, продуцируемый при размножении штамма А1са%епе8

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) -простой эфир целлюлозы, в котором карбоксилметильная группа (-СН2-СООН) соединяется гидроксильными группами глюкозных мономеров.

Гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ)

Синтетические полимеры Полиакриловая кислота - полимер акриловой кислоты. Получают радикальной полимеризацией акриловой кислоты в водном растворе или в среде органических растворителей.

Поливинилпирролидон -синтетический полимер-гаммавиниллактам М-аминомасляной кислоты. 5-й мас. % раствор (с молекулярным весом 3000000) поливинилпирролидона.

Гидрофобно модифицированные полимеры (ГМП) - гидрофобизирован-ные полимеры с расположенными рядом гидрофильными и гидрофобными структурными звеньями

Вторая группа - коллоидные двухфазные системы с ярко выраженной поверхностью раздела. В этом случае загустителями являются неорганические твердые вещества, причем устойчивая внутренняя структура в таких системах образуется при обязательном наличии не менее трех компонентов, два из которых являются внутренней и наружной фазами системы, а третий — диспергатором или стабилизатором системы. Действие неорганических загустителей на основе различных минеральных глин (силикатов алюминия и магния) основано на образовании пространственных гелей из частиц пластинчатой формы или имеющих форму цепочек. Пространственная ориентация возникает вследствие противоположных зарядов поверхности частиц, что обеспечивает тесный контакт между ними, таким образом, возникает структура «карточного домика».

Неорганические филосиликатные загустители (бентонит) обычно применяют в сочетании с эфирами целлюлозы. Они повышают псевдопластичность композиций. Структура гелей разрушается при приложении определенного напряжения сдвига, однако, после его снятия она через некоторое время восстанавливается.

При использовании неорганических загустителей существует значительная вероятность образования сухих остатков после высыхания ПОЖ. Сухие остатки образуются в аэродинамически застойных зонах и полостях самолетов, в которые могут попадать ПОЖ при обработках и в процессе взлета (при сходе жидкостей с поверхностей под воздействием скоростного напора воздуха) и откуда они не могут быть удалены набегающим потоком воздуха.

При многократных противообледенитель-ных обработках после последовательных высыханий в полетах сухие остатки накапливаются и в дальнейшем, в случае приземления и нахождения самолета в условиях высокой влажности или дождя, могут гидратироваться, т.е. насыщаться водой с увеличением объема в сотни раз, превращаясь в гелеоб-разные отложения.

В следующем полете такие отложения, имея сравнительно высокую температуру кристаллизации, могут замерзнуть и вызвать негативные последствия (затруднения в перемещениях подвижных элементов конструкции самолета, в том числе конечных выключателей и т.п.). По этим причинам, применение неорганических загустителей в составе ПОЖ нежелательно.

Средства для устранения обледенения самолетов должны удовлетворять большому количеству требований. Согласно АМЕ 1428 исследуются не только текучесть и время защиты от обледенения, но также и многие другие физические свойства. В частности, средства для устранения обледенения самолетов с загустителем должны быть стойкими при сдвиге.

Жидкости наносятся распыливающими машинами (де-айсер), оказывающими большую механическую нагрузку на жидкость. При этом средства для устранения обледенения не должны терять более 20 % от своей первоначальной вязкости. Наконец, остатки средств для устранения обледенения,

которые скопились после взлета самолета в аэродинамически спокойных зонах несущих поверхностей и поэтому не смогли стечь, не должны образовывать гелевые отложения. Данные характеристики ПОЖ можно достичь ограничением содержания в составах органических полимерных загустителей и использованием кремнесодержащих соединений.

В рассмотренных во время патентного поиска изобретениях органические полимерные загустители в основном представлены структурированными гомо- или сополимеризатами ненасыщенных карбоновых кислот, таких как акриловая и метакри-ловая, и их производными, такие как сложные эфи-ры и амиды, а также простыми эфирами целлюлозы (простые эфиры алкил-, гидроксиалкил- и карбокси-алкилцеллюлозы), полиэтиленгликолями, поливи-нилпирролидонами, по-ливиниловыми спиртами, полиэтиленоксидами, ксантанами и т.д. Механизм загустевания всех этих органических полимеров основан на образовании полимерной сетчатой структуры в гликолевом растворе.

Однако все перечисленные загустители при механических нагрузках испытывают сильную невосполнимую деструкцию. Это проявляется в необратимом снижении вязкости при сильном воздействии сдвигом, вызываемом быстроходными мешалками, насосами или протеканием по трубопроводам с малым поперечным сечением. Механическая нагрузка ведет к разрушению полимерных цепей и, следовательно, к связанному с этим необратимому повреждению сетчатой структуры полимера.

Еще одним недостатком традиционных полимерных загустителей является возможность образовывать гель при определенных внешних условиях. Если после взлета самолета средства для устранения

обледенения скопились на его аэродинамически спокойных участках, то под действием низкого давления на высоте такие остатки полностью высыхают. Эти остатки могут сильно разбухать при контакте с влагой, например дождевой водой. Образующиеся при этом гели способны замерзать при низких температурах на больших высотах полета, и вследствие этого негативно влиять на органы управления воздушного судна.

Перечисленные необходимые свойства ПОЖ можно достичь применением в составах загустителей совместно с полимерами кремнесодержа-щих соединений (силикаты, алюмосиликаты, крем-неорганические соединения и т.д.).

Таким образом, обзор показывает, что наиболее эффективными загустителями ПОЖ могут стать полисахариды (ксантан и карбоксиметилцел-люлоза), полимеры и сополимеры акриловой и ме-такриловой кислот, гидрофобно модифицированные акриловые полимеры, а так же применение в составах загустителей совместно с полимерами кремне-содержащих соединений.

Литература

1. Нечаев, А.П. Пищевая химия /А.П. Нечаев и др.- СПб.: ГИОРД, 2003,- 640с.

2. Анисимов, A.M. Загустители и их применение / Сост. A.M. Анисимов. - М.: МРЗ Пресс, 2005.

3. Широков, В.А. Химическая модификация крахмала и ее перспективы / В.А. Широков, В.Н. Кряжев // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья. - 2007. — С.233-236.

4. Rubinstein M., Semenov A.N. «Dynamics of entangled solutions of associating polymers». Macromolecules, 2001, v.34 (4), p.1058.

© Д. А. Куряшов - к.х.н., зав. лаб. «Исследование коллоидно-химических свойств растворов» каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, [email protected]; Н. Ю. Башкирцев;! - д.т.н., проф., зав. кафедрой химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, [email protected]; Ю. С. Овчинникова - ст. препод. той же кафедры, [email protected]; Р. Р. Мингазов - к.т.н., доцент той же кафедры, [email protected]; О. Ю. Сладовская - к.т.н., доцент той же кафедры, [email protected]; Р. Р. Рахматуллин - к.х.н., доц. каф. технологии основного органического и нефтехимического синтеза КНИТУ, [email protected].

© D. A. Kuryashov - Ph.D., Head of the Laboratory "Research on colloid-chemical properties of solutions", Department of Chemical Technology of Petroleum and Gas processing KNRTU, [email protected]; N. Y. Bashkirtseva - Professor, Head. Department of Chemical Technology of Petroleum and Gas processing KNRTU, [email protected]; Y. S. Ovchinnikova - Senior Lecturer Department of Chemical Technology of Petroleum and Gas processing KNRTU, [email protected]; R. R Mingazov - Ph.D., Associate Professor Department of Chemical Technology of Petroleum and Gas processing KNRTU, [email protected]; O. Y. Sladovskaya -Ph.D., Associate Professor Department of Chemical Technology of Petroleum and Gas processing KNRTU, [email protected]; R. R. Rahmatiillin - Ph.D., Associate Professor Department of Technology of basic organic and petrochemical synthesis KNRTU, [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.