Результат интеллектуальной деятельности: ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к составам противообледенительных жидкостей для удаления ледяных отложений (иней, изморозь, снег, лед) с поверхности самолетов и предотвращения повторного обледенения в наземных условиях при предполетной подготовке летательного аппарата вплоть до взлета.

При наземном обледенении самолетов льдообразование обычно наблюдается на большей части крыла, хвостового оперения и фюзеляжа, вследствие чего происходит искажение профиля самолета, увеличивается лобовое сопротивление и вес летательного аппарата, резко снижаются аэродинамические характеристики. Все это усложняет и в ряде случаев делает невозможным взлет самолета, а также нередко приводит к авариям.

В связи с тем, что процесс обледенения самолетов может протекать в различных погодных условиях, в международных стандартах ISO 11075 и ISO 11078 на жидкости для удаления льда и предотвращения обледенения предусмотрены два основных метода оценки противообледенительных свойств:
1-й тест Water Spray Endurance Test (WSET) - стойкость к воздействию водяных капель, которая оценивается временем формирования ледяных отложений определенной толщины на поверхности наклонной металлической пластины, обработанной противообледенительной жидкостью и имеющей температуру -5^oС. В процессе испытания при температуре воздуха -5^oС водяные капли бомбардируют наклонную пластину с нанесенной пленкой противообледенительной жидкости. Интенсивность подачи водяных капель составляет (5±0,2) г/дм ² в час, что соответствует среднему уровню выпадения осадков - 0,5 мм/ч.

2-й тест High Humidity Endurance Test (HHET) - стойкость к высоковлажностному воздействию, которое заключается в обливе неохлажденной жидкостью наклоненной металлической пластины, имеющей температуру (-5±0,5)^oС, при температуре воздуха (0±0,5)^oС и относительной влажности (96±2)%.

Стойкость к высоковлажностному воздействию характеризуется временем образования льда до фиксированной (25 мм) отметки на поверхности пластины под влиянием условий, при которых скорость обледенения соответствует 0,3 г/дм² в час. При этом скорость накопления воды в виде инея составляет 0,03 мм/ч.

Известна плавящая лед композиция (патент США 5645755, заявл. 20.07.95 г. ; МПК: С 09 К 3/18), содержащая 95 мас.% щелочных веществ с рН выше 7 (хлорид, карбамид, сульфат аммония, смесь ацетата кальция и магния или смесь названных солей) и 5 мас.% ингибитора коррозии (2-бутин-1,4-диол).

Этот состав хорошо удаляет льдообразования, но оказывает негативное действие на лакокрасочные покрытия, органические стекла и резины. Кроме того, при плавлении льда происходит разжижение композиции, она легко стекает с наклонных поверхностей и предотвращает процесс повторного обледенения в течение всего 1-2 минут, что не достаточно для реальных условий эксплуатации самолета.

Противообледенительный состав для нанесения на крылья самолетов (патент США 5591375, заявл. 27.03.95 г; МПК: С 09 К 3/18, С 09 К 5/00) является двухкомпонентным. Компонент А включает 0,1-20 мас.%, по меньшей мере, одного полисахарида, содержащего кислотные функциональные группы, 0,5-20 мас.% желатина, 60-99 мас.% органического гликоля с низкой токсичностью, 20-99 мас.% воды. Компонент Б содержит гель-стабилизирующие водорастворимые поливалентные катионные соли алюминия, кальция, железа, олова, хрома, цинка (концентрация поливалентного катиона - 0,001-20 мас.%) в растворителе, представляющем собой смесь органического гликоля с низкой токсичностью и воды (содержание воды в смеси - 20-99 мас.%).

При напылении на защищаемую от обледенения поверхность компонентов А и Б из индивидуальных аэрозольных емкостей они сначала образуют гель, который превращается в упругое покрытие. Несмотря на низкую адгезию льда к покрытию на основе этого состава, оно не удовлетворяет критерию аэропригодности по международному стандарту ISO 11078.

Для увеличения времени защитного действия противообледенительных жидкостей в их состав вводят загустители, основное назначение которых - повышение толщины защитной пленки. Так, например, известны антиобледенители для самолетов (заявка Германии 4412790 от 14.04.94 г.; МПК: С 09 К 3 /18) на основе гликолей и воды, которые имеют в своем составе в качестве загустителя водорастворимые сшитые сополимеры, состоящие из 75-99 вес.% полимеризованных единиц акриловой кислоты или метакриловой кислоты, 1-15 вес.% полимеризованных единиц одного сложного эфира или амида акриловой кислоты с алкильным остатком, содержащим от 6 до 22 атомов углерода в эфирной группе, и с одним или двумя алкильными остатками С₆-C₂₂ в каждой амидной группе и 0,01-10 вес. % заполимеризованного агента сшивки при следующем соотношении компонентов, вес.%:
- 35-70 гликоля из группы алкиленгликолей с 2-3 атомами углерода и оксаалкиленгликолей с 4-6 атомами углерода;
- 0,05-1,5 загустителя;
- 0,02-1,5 ПАВ из группы оксилатов спиртов жирного ряда и алкиларилсульфонатов;
- 0,01-1,0 ингибитора коррозии;
- по меньшей мере одно основание для регулирования рН 7-11;
- до 100 воды.

При оценке противообледенительных свойств защитных пленок по методу WSET эффективность составила 34 мин. Однако из-за наличия в составе антиобледенителя высокомолекулярного загустителя пленка полностью не сдувается с поверхности самолета при его разбеге.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым нами за прототип жидкости для удаления льда является композиция авиационной льдоудаляющей жидкости (заявка WO 94/05741 с приоритетом США от 09.09.92 г.; МПК: С 09 К 3/18), включающая от 41 до 92% от веса всей композиции этиленгликоля или смесь этиленгликоля (41-82%) и диэтиленгликоля (4,5-9%); 0,03-0,30% гидроксида калия в качестве агента для поддержания рН в пределах от 7-10; 0,2-2,0%, по меньшей мере, одного неионного или анионного ПАВ, выбранного из группы эфиров полиэтиленгликоля с молекулярным весом от 250 до 650, или их смеси; 0-0,2% кремнийорганического антивспенивателя; 0,2-1,45% ингибитора коррозии в виде композиции, включающей эфир фосфат, толилтриазол, триэтиламин, и 5,28-53,57% воды. Композиция при нанесении на поверхность алюминия имеет краевой угол смачивания от 0 до 35^o и поверхностное натяжение от 15 до 40 дин/см, что обеспечивает значение полного смачивания в пределах от 0 до - 5 дин/см. Это означает, что данная композиция хорошо смачивает поверхность и растекается по ней в виде тонкой защитной пленки толщиной несколько микрон, обеспечивая, тем самым, резкое снижение адгезии льда к поверхностям самолета.

К недостаткам прототипа следует отнести низкую эффективность предотвращения повторного обледенения (WSET=5-9 мин) из-за малой толщины защитной пленки, многокомпонентный состав жидкости (до 7 компонентов), токсичность отдельных компонентов (триэтиламин, толилтриазол), а также введение в композицию большого количества (до 2%) биологически жестких поверхностно-активных веществ (до 2%), характеризующихся длительным периодом биоразложения при попадании в грунтовые воды со взлетно-посадочных полос аэродромов вместе с атмосферными осадками, что в конечном счете негативно сказывается на экологической обстановке в районе аэродромов.

В качестве прототипа жидкости для удаления льда и длительного предотвращения от повторного обледенения самолетов нами выбрана противообледенительная жидкость (патент РФ 2100398 с приоритетом от 05.04.93 г.; МПК: С 09 К 3/18), имеющая следующий состав, мас.%:
Алкиленполиоль - 30 - 95
Двузамещенный фосфат щелочного металла - 0,5 - 1,5
Бензолсульфонат метилдиэтил- аминометильных производных диэтиленгликолевых эфиров жирных спиртов - 0,5 - 5,0
Стеариновая кислота - 0,1 - 1,2
Вода - До 100
Известная противообледенительная жидкость не удовлетворяет требованиям по поверхностному натяжению и по сроку хранения, так при хранении более 1 года вязкость жидкости возрастает в 2-3 раза из-за введения большого количества (до 6,2%) структурирующих добавок, ввиду чего становится невозможным ее нанесение на поверхность самолета существующими распылительными установками.

Технической задачей изобретения является создание двух вариантов противообледенительной жидкости, обладающих повышенными антиобледенительными свойствами, один из которых предназначен для удаления льда и кратковременного (10-15 минут) предотвращения повторного обледенения (первый вариант), а второй вариант противообледенительной жидкости предполагается использовать как для удаления льда, так и для длительного (более 30 минут в условиях переохлажденного дождя) предотвращения наземного обледенения самолетов.

Предлагаемая противообледенительная жидкость по первому варианту включает гликоль, поверхностно-активное вещество, ингибитор коррозии и воду, которая отличается тем, что в качестве поверхностно-активного вещества она имеет в своем составе техническую смесь полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена следующего состава
С₉Н₁₉С₆Н₄O(С₂Н₄O)_nН,
где n - усредненное число молей окиси этилена, присоединенное к одному молю алкилфенолов; n=9-12, а в качестве ингибитора коррозии содержит двузамещенный фосфат щелочного металла при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Гликоль - 30 - 95
Техническая смесь полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена - 0,2 - 0,3
Двузамещенный фосфат щелочного металла - 0,5 - 1,5
Вода - До 100
В качестве гликоля используют 1,2-пропиленгликоль (ТУ 2422-069-05766801-97) или диэтиленгликоль (ГОСТ 10136-77). Двузамещенный фосфат щелочного металла представляет собой калий фосфорнокислый двузамещенный трехводный (ГОСТ 2493-75).

Во втором варианте изобретения предлагается противообледенительная жидкость, включающая алкиленполиоль, двузамещенный фосфат щелочного металла, бензолсульфонат метилдиэтиламинометильных производных диэтиленгликолевых эфиров жирных спиртов, стеариновую кислоту и воду, которая отличается тем, что дополнительно содержит техническую смесь полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена следующего состава
С₉H₁₉С₆Н₄О(C₂H₄O)_nН,
где n - усредненное число молей окиси этилена, присоединенное к одному молю алкилфенолов;
n= 9-12 в качестве поверхностно-активного вещества при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алкиленполиоль - 50 - 95
Двузамещенный фосфат щелочного металла - 0,5 - 1,5
Бензолсульфонат метилдиэтиламинометильных производных диэтиленгликолевых эфиров жирных спиртов - 0,3 - 0,5
Поверхностно-активное вещество - 0,3 - 0,4
Стеариновая кислота - 0,1 - 0,2
Вода - До 100
Двузамещенный фосфат щелочного металла представляет собой калий фосфорнокислый двузамещенный трехводный (ГОСТ 2493-75). В качестве алкиленполиоля используют 1,2-пропиленгликоль (ТУ 2422-069-05766801-97).

Введение в рецептуру противообледенительной жидкости по первому варианту изобретения в качестве поверхностно-активного вещества технической смеси полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена в сочетании с двузамещенным фосфатом калия приводит к увеличению толщины защитной пленки, а следовательно, и длительности предотвращения обледенения.

Использование добавки поверхностно-активного вещества - технической смеси полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена - в рецептуре противообледенительной жидкости по второму варианту изобретения в сочетании с бензолсульфонатом метилдиэтиламинометильных производных диэтиленгликолевых эфиров жирных спиртов и стеариновой кислотой позволяет улучшить реологические свойства противообледенительной жидкости, что обеспечивает значительное увеличение длительности предотвращения обледенения, легкое удаление защитной пленки жидкости во время разбега самолета с сохранением его аэродинамических характеристик на высоком уровне.

В таблицах 1 и 2 приведены составы предложенных противообледенительных жидкостей и их свойства по сравнению с прототипами.

Обозначения в таблицах 1 и 2:
ДГ - диэтиленгликоль;
ПГ - 1,2-пропиленгликоль;
ЭГ - этиленгликоль;
ПЭГЭМ - полиэтиленгликолевые эфиры моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена;
ДКФ - дикалийфосфат (калий фосфорнокислый двузамещенный трехводный);
АСН - алкил(С₁₄,С₁₆)сульфонат натрия;
КОА - кремнийорганический антивспениватель;
ИК - ингибитор коррозии;
КОН - гидроксид калия;
ТЭА - триэтиламин;
ДИФ - динатрийфосфат;
СК - стеариновая кислота;
Алкамон ОС-2 - бензолсульфонат метилдиэтиламинометильных производных диэтиленгликолевых эфиров жирных спиртов.

Примеры конкретного осуществления.

Пример 1 (первый вариант противообледенительной жидкости). В реактор, оборудованный мешалкой, рубашкой для обогрева или охлаждения и обратным холодильником, загружают 682 кг воды и 15 кг дикалийфосфата, включают мешалку и обогрев. Растворение дикалийфосфата проводят в течение 15 мин при 60^oС. Затем загружают 300 кг диэтиленгликоля и 3 кг технической смеси полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена. Растворение при указанной температуре проводят в течение 30 мин. После чего полученную жидкость охлаждают до температуры 20^oС.

По аналогичной технологии получают жидкости состава, приведенного в таблице 1 (примеры 2 и 3).

Пример 5 (второй вариант противообледенительной жидкости).

В реактор, оборудованный мешалкой, рубашкой для обогрева или охлаждения и обратным холодильником, загружают 478 кг воды, 500 кг пропиленгликоля и 15 кг дикалийфосфата, включают мешалку и обогрев. Растворение дикалийфосфата в водно-пропиленгликолевой смеси проводят в течение 15 мин при 75-80^oС. Затем последовательно загружают 3 кг алкамона ОС-2, 3 кг технической смеси полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена и 1 кг стеариновой кислоты. После загрузки каждого из перечисленных компонентов проводят перемешивание в течение 15 мин при указанной температуре. Полученную жидкость охлаждают до температуры 20^oС.

По аналогичной технологии получают жидкости состава, приведенного в таблице 2 (примеры 6 и 7).

Из данных таблицы 1 видно, что противообледенительные жидкости (примеры 1-3), включающие 30-95 мас.% 1,2-пропиленгликоля или диэтиленгликоля, 0,2-0,3 мас.% технической смеси полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена в качестве поверхностно-активного вещества, 0,5-1,5 мас.% калия фосфорнокислого двузамещенного трехводного в качестве ингибитора коррозии и воды до 100 мас.%, имеет более низкое поверхностное натяжение при 20^oС 33-38 мН/м, чем у прототипа по примеру 4-39 мН/м. Предлагаемая противообледенительная жидкость образует на защищаемой поверхности при температуре -10^oС пленку толщиной 0,03-0,07 мм, что на порядок превышает толщину защитной пленки у прототипа (0,002 мм). Вследствие этого защитные пленки предлагаемой жидкости имеют большую стойкость к воздействию водяных капель (WSET = 11-15 мин вместо 9 мин у прототипа) и повышенной влажности (ННЕТ = 2-3 ч вместо 1 ч для прототипа). В реальных условиях эксплуатации защитная пленка предлагаемой противообледенительной жидкости за счет сорбции воды и ее паров будет предохранять поверхность от обмерзания, в то время как пленка жидкости известного состава не обладает защитной способностью ввиду своей малой толщины и большого количества целевых добавок, которые являются гидрофильными соединениями, то есть веществами, хорошо сорбирующими воду. Таким образом, на поверхности самолета с нанесенной тонкой защитной пленкой жидкости, имеющей состав по прототипу, будут формироваться льдообразования, удаление которых будет происходить только при разбеге самолета. Однако существующие инструкции по эксплуатации авиационной техники запрещают допуск самолета к полету при наличии на поверхности льда.

Противообледенительные жидкости по второму варианту изобретения (примеры 5-7), включающие 50-95 мас.% пропиленгликоля, 0,5-1,5 мас.% калия фосфорнокислого двузамещенного трехводного в качестве ингибитора коррозии, 0,3-0,5 мас. % бензолсульфоната метилдиэтиламинометильных производных диэтиленгликолевых эфиров жирных спиртов, 0,3-0,4 мас.% технической смеси полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена в качестве поверхностно-активного вещества, 0,1-0,2 мас.% стеариновой кислоты и воды до 100 мас.% по сравнению с жидкостью с составом по прототипу (пример 8) имеют поверхностное натяжение 38-39 мН/м, что удовлетворяет требованиям международного стандарта ISO 11078. Толщина защитной пленки и, соответственно, стойкость к воздействию водяных капель и повышенной влажности предлагаемых противообледенительных жидкостей в 1,5-2 раза превышает аналогичные характеристики жидкости, имеющей состав по прототипу. Несомненным преимуществом противообледенительных жидкостей по второму варианту изобретения является легкость удаления защитной пленки в начальной стадии разбега самолета по сравнению с жидкостью по прототипу, что подтверждается данными по коэффициенту вязкости (таблица 2). Коэффициент вязкости является расчетной величиной и представляет собой отношение значений динамической вязкости, измеренных при температуре -10^oС и скорости сдвига 2,7 и 27 с^-1. Для заявляемых противообледенительных жидкостей коэффициент вязкости в 1,6-2,9 раза выше, чем у прототипа. Это означает, что при переходе от меньшей скорости сдвига к большей (имитация начальной стадии разбега самолета при взлете) вязкость защитной пленки противообледенительной жидкости резко снижается, и она легко удаляется набегающим воздушным потоком. При более высоких значениях коэффициента вязкости этот процесс облегчается.

Таким образом, предлагаемые противообледенительные жидкости позволяют увеличить толщину защитных пленок и тем самым повысить в 1,5 раза длительность их действия, предотвращающего обледенение. Это в свою очередь ведет к снижению материальных и трудовых затрат на противообледенительную обработку самолетов. Кроме того, улучшение реологических характеристик противообледенительных жидкостей по второму варианту изобретения, достигаемое введением в рецептуру сочетания трех компонентов-структурообразователей: бензолсульфоната метилдиэтиламинометильных производных диэтиленгликолевых эфиров жирных спиртов, технической смеси полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов на основе тримеров пропилена, стеариновой кислоты - приводит к полному удалению защитной пленки на начальной стадии разбега самолета, ввиду чего повышается безопасность полетов и их регулярность.

Производство предлагаемых противообледенительных жидкостей является более дешевым из-за использования в рецептуре жидкости в качестве поверхностно-активного вещества технической смеси полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов вместо дорогостоящего индивидуального химического соединения с определенной молекулярной массой, а также уменьшения числа компонентов в рецептуре композиции противообледенительной жидкости по первому варианту изобретения.

Использование в рецептуре предлагаемых противообледенительных жидкостей нетоксичных компонентов и поверхностно-активных веществ с повышенной биоразлагаемостью значительно улучшает токсикологическую и экологическую обстановку при производстве и применении жидкостей.