Способы подавления или уменьшения обледенения с использованием водоактивируемых экзотермических антиобледенительных составов и наборы для получения указанных составов
Изобретение относится к способам подавления или уменьшения обледенения или образования снега на поверхности с помощью антиобледенительных составов. Антиобледенительные составы содержат янтарную кислоту и/или янтарный ангидрид и нейтрализующее основание, в частности гидроксид натрия, гидроксид калия или гидроксид аммония. При смешивании с водой антиобледенительные составы образуют соли янтарной кислоты в результате реакции, которая быстро выделяет теплоту в количестве, достаточном для расплавления льда на поверхности. В других вариантах антиобледенительные составы содержат также гликоль, который ингибирует повторное образование льда на очищенной от него поверхности. Изобретение также относится к наборам, предназначенным для получения нагретого раствора для расплавления снега и льда. Изобретение позволяет создать нагретые антиобледенительные составы, которые являются эффективными для плавления снега и льда на поверхности с целью защиты от обледенения самолетов и территории, где они эксплуатируются. 4 н. и 25 з.п. ф-лы, 7 табл., 11 ил.
Настоящее изобретение относится к антиобледенительным составам, предназначенным для удаления льда с поверхности и содержащим янтарную кислоту и/или янтарный ангидрид и нейтрализующее основание, в частности гидроксид натрия, гидроксид калия или гидроксид аммония, при этом указанные антиобледенительные составы при смешивании с водой образуют соли янтарной кислоты в результате реакции, которая быстро выделяет теплоту в количестве, достаточном для расплавления льда на поверхности, а соли янтарной кислоты действуют в качестве антиобледенителя и депрессанта точки замерзания. В особых вариантах реализации антиобледенительные составы включают также гликоль, который подавляет повторное образование льда на очищенной от него поверхности. Антиобледенительные составы пригодны и эффективны для применения в аэропортах, где существуют проблемы с коррозией авиационных сплавов и бетонных взлетно-посадочных полос.
Химическую защиту от обледенения регулярно применяют во время зимнего сезона для безопасности движения на дорожных магистралях, а также в жилых и торговых зонах, включая участки для парковки, пешеходные дорожки, подъездные пути и т.п. Аэропорты и авиабазы также используют сочетание механических устройств и антиобледенительных химикатов, чтобы обеспечить безопасность полетов в зимние месяцы.
Обычная сухая соль представляет собой антиобледенительный химикат, который наиболее широко используют на дорогах. Она отличается эффективностью, низкой стоимостью, надежностью и простотой хранения и применения. Ее используют ежегодно в количестве около 10 миллионов тонн (Committee on the Comparative Costs of Rock Salt and CMA for Highway Deicing, Washington, D.C., (1991)). Основной недостаток сухой соли связан с дорогостоящим ущербом, который наносится дорожной инфраструктуре, автотранспорту и окружающей среде. Ущерб, наносимый конструкциям, включает разрушение бетона и коррозию стали, что приводит к высоким расходам на техническое обслуживание. Сгорание листвы, уплотнение грунтов и загрязнение воды представляют собой примеры проявления вредного влияния применяемого хлорида натрия на окружающую среду.
Проблемы, связанные с применением хлоридных солей на дорогах в качестве антиобледенительных химикатов, привели к использованию для этих целей менее вредных химикатов, а именно ацетата кальция и магния (calcium magnesium acetate, CMA) (Miller, Ways to Help Bridges and Deicers Coexist: CMA Cuts Corrosion on Zilwaukee Bridge, Better Roads, (February 1993); Strawn, CMA has Role to Play in Critical Applications, Kuennen, Ed., Roads & Bridges, (March 1993)). Ацетат кальция и магния ингибирует разрушение бетона и коррозию. Этот антиобледенитель оказывает небольшое влияние на окружающую среду. Однако недостатком его применения является высокая стоимость, которая составляет 925 долларов США за тонну, что в 20 раз выше, чем у обычной сухой соли. Кроме того, он является не очень эффективным антиобледенителем.
ICEBAN - новая разработка Natural Solutions Corporation (100 Volvo Parkway 200, Chesapeake, Virginia 23320). ICEBAN - природный жидкий концентрированный остаток, который получают из побочных продуктов, образующихся при производстве сыра, спирта или при мокром помоле кукурузы (патенты США 5709812, 5709813 и 5635101, Janke et al.). Он не является коррозионно-активным и обладает хорошими антиобледенительными свойствами. Однако наиболее заметный недостаток ICEBAN как антиобледенителя заключается в том, что его получают в жидкой форме. Оборудование, которое в настоящее время используют для разброса антиобледенителей, предназначено для твердых составов. Переход на жидкие антиобледенители требует переделки оборудования, что вызывает существенные капиталовложения, а также влечет за собой расходы на резервуары для хранения материала. Дополнительные трудности может создавать вязкость жидкости при низких температурах.
Европейский патент ЕР 82890136.5, Kaes, предлагает смесь дикарбоновых кислот, состоящую из (30-35% по массе) адипиновой кислоты, (40-50% по массе) глутаровой кислоты и (20-25% по массе) янтарной кислоты, в форме калиевой соли в качестве антиобледенителя, пригодного для применения в аэропортах. Хотя данный состав в жидкой форме обладает приемлемыми антиобледенительными свойствами, он вызывает коррозию металлов и поэтому не соответствует требованиям стандарта для авиационных металлов. Его коррозионное воздействие на обработанный дихроматом магниевый авиационный сплав, наиболее чувствительный к коррозии, в четыре раза выше, чем у янтарнокислого калия. Кроме того, этот продукт не опробован в широких масштабах.
Антиобледенительные химикаты, описанные выше, проникают в лед или расплавляют его в результате их тенденции к образованию водных растворов, которые имеют более низкую температуру замерзания. С целью усиления этого процесса в патенте США 4692259, Roman, патенте США 4400285, Gancy, и патенте США 4425251, Gancy, предложены составы, которые выделяют теплоту при контакте с водой. В них описаны химические антиобледенители двойного действия, которые расплавляют лед, используя теплоту экзотермической реакции между агентом и водой, а также используют эффект снижения температуры замерзания образующегося раствора.
Патент США 4692259, Roman, в предпочтительном варианте реализации представляет антиобледенительный состав, который использует теплоту реакции магния с водой и снижение температуры замерзания под действием образующихся хлоридных солей.
В патентах США 4400285 и 4425251, Gancy, экзотермический эффект взаимодействия между оксидом кальция и водой объединяется с эффектом снижения температуры замерзания под действием ацетатных солей с целью получения антиобледенителей двойного действия.
Задачей указанных изобретений является получение составов, обеспечивающих быструю экзотермическую реакцию и долговременный эффект снижения точки замерзания, которые действуют, дополняя друг друга, придавая антиобледенителям превосходную функцию плавления льда. Однако изобретение 4692259, Roman, содержит соли хлористоводородной кислоты. Коррозия металла и разрушение бетона, вызванные хлоридами, убедительно подтверждаются документами (Miller, Ways to Help Bridges and Deicers Coexist: CMA Cuts Corrosion on Zilwaukee Bridge, Better Roads, (February 1993); Strawn, CMA has Role to Play in Critical Applications, Kuennen, Ed., Roads & Bridges, (March 1993)). В присутствии достаточного количества влаги и кислорода ионы хлора ускоряют процесс коррозии, увеличивая электропроводность растворов. Кроме того, хлориды, в особенности хлориды кальция и магния, увеличивают время контакта металл-влага, способствуя тем самым процессу коррозии. При этом имеются четкие доказательства кумулятивного и длительного влияния хлорида на окружающую среду (Strawn, CMA has Role to Play in Critical Applications, Kuennen, Ed., Roads & Bridges, (March 1993)). Соляной туман и солевые растворы наносят ущерб придорожной растительности. Стоки солевых растворов вызывают уплотнение и высокую засоленность грунтов, что снижает плодородие и проницаемость, приводит к гибели растительности и к последующей эрозии почвы. В Калифорнии и Нью-Йорке пришлось принимать экстренные меры для уменьшения влияния сухой соли на лесной заповедник Тахоэ и парк Эдайрондэк соответственно. Поэтому любой антиобледенитель, обычный или двойного действия, не сможет занять места на рынке, если он не обеспечит минимизации разрушения конструкций вследствие коррозии и минимизации ущерба, наносимого растительному и животному миру.
Составы двойного действия, описанные в патенте США 4425251, Gancy, и в патенте США 5334323, Schrimpf et al., содержат ацетатные соли. Показано, что ацетатные соли представляют собой более безопасную альтернативу хлоридам. Антиобледенители на ацетатной основе, в частности CMA, не вызывают коррозии стали и алюминия и оказывают небольшое влияние или вообще не влияют на окружающую среду. Однако ацетатные соли являются слишком дорогостоящими для широкого применения на дорогах и непригодны для применения в аэропортах, на авиабазах и самолетах.
В настоящее время для защиты от обледенения самолетов наносят антиобледенительные жидкости на основе пропиленгликоля. Эти жидкости распыляют на поверхности самолета, чтобы обеспечить отделение образовавшегося льда. Предполагается также, что пропиленгликоль предотвращает образование льда. Множество патентов описывает составы и способы для данного применения, в частности патент США 4191348, Holwerda, патент США 4254821, Matsuda et at., патент США 4573802, Kerrigan et al., патент США 4826107, Thornton-Trump, патент США 5096145, Philips et at., патент США 5244168, Williams и патент США 5845848, Amako et al. В общем случае пропиленгликоль не считается эффективным антиобледенителем. Его относят к антиобледенителям, которые предотвращают образование льда. Многие изобретатели предлагают способы предварительного подогрева антиобледенительных жидкостей, содержащих гликоли, чтобы усилить их антиобледенительное действие. Эти способы используют источник теплоты и теплообменник в различных конфигурациях, чтобы обеспечить подачу тепла перед нанесением антиобледенителя. Они не пригодны для быстрого применения, несмотря на затраты, связанные с использованием внешнего источника тепла.
Для удаления снега и льда в аэропортах и на авиабазах, а также с самолетов химическое антиобледенение не имеет широкого применения из-за отсутствия химического антиобледенительного агента, который удовлетворяет требованиям стандартов для авиационных металлов.
Антиобледенители для аэропортов и авиабаз должны соответствовать строгим критериям. Эти критерии установлены для того, чтобы защитить специальные сплавы, которые используют в авиации для критических конструктивных узлов. В этой связи сохраняется потребность в химическом антиобледенителе, который обеспечивает эффективное удаление льда и соответствует требованиям стандартов для антиобледенителей, предназначенных для авиационной техники и территорий, где она размещается.
Настоящее изобретение обеспечивает антиобледенительные составы, предназначенные для удаления льда и содержащие янтарную кислоту и/или янтарный ангидрид и нейтрализующее основание, в частности гидроксид натрия или гидроксид калия, при этом антиобледенительные составы при смешивании с водой образуют соли янтарной кислоты в результате реакции, которая быстро выделяет достаточное количество теплоты для расплавления льда на поверхности, а соли янтарной кислоты действуют в качестве антиобледенителя и депрессанта точки замерзания. В особых вариантах реализации антиобледенительные составы включают также гликоль, который подавляет повторное образование льда на очищенной от него поверхности. Антиобледенительные составы пригодны и эффективны для применения в аэропортах, где существуют проблемы с коррозией авиационных сплавов и бетонных взлетно-посадочных полос.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает способ ингибирования или уменьшения обледенения или покрытия снегом поверхности, который включает (а) смешивание в качестве реагентов соединения янтарной кислоты и основания в водном растворе с получением соли янтарной кислоты при рН от 4 до 11 в качестве антиобледенительного состава, при этом реагенты нагревают раствор, и (б) нанесение нагретого раствора на указанную поверхность для быстрого расплавления льда и снега.
Настоящее изобретение обеспечивает также способ получения нагретого раствора для приложения теплоты к поверхности для расплавления льда или снега, который включает (а) смешивание в качестве реагентов предварительно отмеренного количества соединения янтарной кислоты и основания в водном растворе с получением соли янтарной кислоты при рН примерно от 4 до 11 и (б) нанесение нагретого раствора для приложения тепла к указанной поверхности для расплавления льда и снега.
В следующем варианте реализации способа соединения находятся в сухой гранулированной форме и содержатся по меньшей мере в одном контейнере для применения на операции (а).
В особых вариантах реализации вышеуказанных способов соединение янтарной кислоты выбирают из группы, включающей ангидрид янтарной кислоты, янтарную кислоту и их смесь. Предпочтительное основание выбирают из группы, включающей гидроксид щелочного металла, гидроксид щелочноземельного металла, органическое основание и их смеси. В другом предпочтительном варианте реализации основание выбирают из группы, включающей гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид аммония и их смеси. В следующем варианте реализации антиобледенительное органическое соединение многоатомного спирта смешивают с раствором, который наносят на операции (б). Многоатомный спирт предпочтительно выбирают из группы, включающей этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль и дипропиленгликоль-пропиленгликоль. Более предпочтительно гликоль представляет собой пропиленгликоль.
Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает набор для получения нагретого раствора, который содержит (а) по меньшей мере один контейнер с предварительно отмеренными количествами соединений, которые вступают в экзотермическую реакцию с образованием соли янтарной кислоты при рН примерно от 4 до 11 при добавлении предварительно определенного количества воды, с образованием нагретого раствора, при этом указанные соединения представляют собой соединение янтарной кислоты и основание; и (б) инструкции к набору для смешивания указанных соединений с водой с получением нагретого раствора.
Далее настоящее изобретение обеспечивает набор для продажи в форме отдельных блоков, предназначенный для получения нагретого раствора, который содержит предварительно отмеренное количество соединений, которые вступают в экзотермическую реакцию, образуя соль янтарной кислоты при рН примерно от 4 до 11 при добавлении предварительно определенного количества воды с получением нагретого раствора, при этом указанные соединения представляют собой соединение янтарной кислоты и основание. Такой набор особенно полезен в качестве разогревающего средства и применения для горячего обертывания при медицинском лечении, в грелках для рук, подогревателях для сидений и подогревателях пищи.
В другом варианте реализации набор содержит дополнительный контейнер с водой, предназначенной для добавления к компонентам.
В следующем варианте реализации реагирующие компоненты содержат в отдельных контейнерах, которые продают в форме отдельных блоков.
В следующем варианте реализации набора между контейнерами устанавливают перегородки, которые открывают для смешивания компонентов.
В следующем варианте реализации набора соединения находятся в сухой гранулированной форме.
В предпочтительном варианте реализации соединение янтарной кислоты выбирают из группы, включающей ангидрид янтарной кислоты, янтарную кислоту и их смеси. В другом предпочтительном варианте реализации основание выбирают из группы, включающей гидроксид щелочного металла, гидроксид щелочноземельного металла, органическое основание и их смеси.
В следующем предпочтительном варианте реализации основание выбирают из группы, включающей гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид аммония и их смеси. В следующем варианте реализации набора указанный набор включает также антиобледенительное органическое соединение многоатомного спирта. Многоатомный спирт предпочтительно представляет собой гликоль, выбранный из группы, включающей этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль и дипропиленгликоль-пропиленгликоль. Более предпочтительно гликоль представляет собой пропиленгликоль.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание нагретых антиобледенительных составов, которые являются эффективными для плавления льда на поверхности и соответствуют требованиям стандартов для антиобледенителей, предназначенных для использования с целью защиты от обледенения самолетов и территории, где они эксплуатируются.
Другой задачей настоящего изобретения является создание нагретых антиобледенительных составов, которые являются эффективными для плавления льда на поверхности и обладают минимальной коррозионной активностью по отношению к металлическим сплавам и бетону.
Следующей задачей настоящего изобретения являются нагретые антиобледенительные составы, которые являются эффективными для плавления льда на поверхности и ингибируют повторное образование льда на указанной поверхности.
Эти и другие задачи настоящего изобретения решаются с помощью предпочтительных вариантов реализации, описанных со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых представлены:
Фигура 1 - зависимость температуры от времени при образовании янтарнокислого калия в водной среде. Кривые на фигуре 1: (а) - экзотермичность гидроксида калия в воде, (b) - экзотермичность гидроксида калия и янтарной кислоты в воде и (с) - экзотермичность гидроксида калия и янтарного ангидрида в воде.
Фигура 2 - зависимость температуры от времени при образовании янтарнокислого калия в водной среде, содержащей пропиленгликоль. Кривые на фигуре 2: (с) - экзотермичность гидроксида калия и янтарного ангидрида в воде, (d) - экзотермичность гидроксида калия и янтарной кислоты в водном растворе пропиленгликоля (40:40:20 по массе) и (е) - экзотермичность гидроксида калия и янтарного ангидрида в водном растворе пропиленгликоля (33,3:33,3:33,3 по массе).
Фигура 3 - зависимость температуры от времени при образовании янтарнокислого натрия в водной среде. Кривые на фигуре 3: (f) - экзотермичность гидроксида натрия в воде, (g) - экзотермичность гидроксида натрия и янтарной кислоты в воде и (h) - экзотермичность гидроксида натрия и янтарного ангидрида в воде.
Фигура 4 - зависимость температуры от времени при образовании янтарнокислого натрия в водной среде, содержащей пропиленгликоль. Кривые на фигуре 4: (i) - экзотермичность гидроксида натрия и янтарного ангидрида в водном растворе пропиленгликоля (40:40:20 по массе) и (j) - экзотермичность гидроксида натрия и янтарного ангидрида кислоты в водном растворе пропиленгликоля (33,3:33,3:33,3 по массе).
Фигура 5 - зависимость температуры от времени при образовании янтарнокислого аммония в водной среде. Кривые на фигуре 5: (k) - экзотермичность гидроксида аммония и янтарной кислоты в воде и (l) - экзотермичность гидроксида аммония и янтарного ангидрида в воде.
Фигура 6 - скорость коррозии магниевого сплава, обработанного дихроматом, в водных антиобледенительных растворах, содержащих 3% по массе антиобледенителя. На фигуре 6: Y - скорость коррозии в мг/см2, (а) - скорость коррозии для формиата калия, (b) - скорость коррозии для формиата натрия, (с) - скорость коррозии для ацетата калия, (d) - скорость коррозии для смеси дикарбоновых кислот согласно ЕР 82890136.5, (е) - скорость коррозии для янтарнокислого калия, (f) - скорость коррозии для смеси янтарнокислого калия и пропиленгликоля 50:50 (по массе) и (g) - скорость коррозии для смеси янтарнокислого калия и янтарнокислого магния 95:5 (по массе).
Фигура 7 - скорость коррозии стали 1430 с кадмиевым покрытием, имеющим низкое охрупчивание, в водных антиобледенительных растворах, содержащих 50% по массе антиобледенителя при 35°С. На фигуре 7: Y - скорость коррозии в мг/см2, (а) - скорость коррозии для формиата калия, (b) - скорость коррозии для формиата натрия, (с) - скорость коррозии для ацетата калия, (d) - скорость коррозии для ацетата натрия, (е) - скорость коррозии для янтарнокислого калия, (f) - скорость коррозии для смеси янтарнокислого калия и пропиленгликоля 50:50 (по массе) и (g) - скорость потери массы, допустимая согласно AMS 1435 А.
Фигура 8 - влияние водных антиобледенителей на бетон. Измерили кумулятивную массу в граммах бетона, отслоившегося после 50 циклов замораживания и оттаивания. На фигуре 8: Y - ось массы отслоившегося бетона в граммах, (а) - масса отслоения, вызванного формиатом калия, (b) - масса отслоения, вызванного ацетатом калия, (с) - масса отслоения, вызванного хлоридом натрия, (d) - масса отслоения, вызванного янтарнокислым калием, (е) - масса отслоения, вызванного смесью янтарнокислого калия и пропиленгликоля 50:50 (по массе) и (f) - масса отслоения, вызванного деионизованной, дистиллированной водой.
Фигура 9 - зависимость массы расплавленного льда под действием "естественно горячего" водного янтарнокислого калия в присутствии пропиленгликоля при температуре -20, -15, -10 и -5°С. На фигуре 9: Y - масса расплавленного льда в граммах на грамм антиобледенителя; (а) - расплавление льда 50%-ным по массе раствором водного янтарнокислого калия при указанных температурах, (b) - расплавление льда 50%-ным по массе раствором смеси 3:2 по массе водного янтарнокислого калия при указанных температурах и (с) - расплавление льда 50%-ным по массе раствором водного пропиленгликоля при указанных температурах.
Фигура 10 - набор для получения нагретого антиобледенительного состава согласно настоящему изобретению, в котором соединение янтарной кислоты и основание находятся в разных контейнерах.
Фигура 11 - устройство 100 подогрева для генерации теплоты, содержащее первый отсек 110 с сухой смесью соединения 112 янтарной кислоты и основания 114, который отделен хрупкой перегородкой 120 (заштрихована) от второго отсека 116, содержащего воду 118.
Все патенты, патентные заявки, правительственные издания, постановления правительства и литературные источники, цитируемые в данном описании, приведены во всей их полноте в качестве ссылки. В случае противоречий приоритет имеет настоящее описание, включая приведенные определения.
Настоящее изобретение обеспечивает экзотермические химические антиобледенительные составы двойного действия и способы применения экзотермических химических антиобледенительных составов (1) в аэропортах, на авиабазах и для гражданских/военных самолетов, (2) для гражданских/военных морских судов и вспомогательных конструкций и (3) на дорожных магистралях, проездах в жилых и промышленных зонах, тротуарах и пешеходных дорогах. Изобретение обеспечивает химические составы, которые содержат янтарную кислоту или янтарный ангидрид и нейтрализующие основания, а также, возможно, соответствующие ингибиторы коррозии и пропиленгликоль. В экзотермических химических антиобледенительных составах согласно изобретению при контакте с водой происходят химические реакции с выделением тепла. Такие химические реакции включают растворение, нейтрализацию и гидратацию. Как показывают примеры, в результате реакций выделяется большое количество теплоты, при этом выделение теплоты происходит практически мгновенно. Оба этих явления полезны для получения эффективных антиобледенителей двойного действия.
Замечательная особенность настоящего изобретения заключается в том, что конечные продукты реакций сами являются чрезвычайно эффективными антиобледенителями и депрессантами точки замерзания, как показано в патенте США 6287480, Berglund et al., который переуступлен общим правопреемникам. В патенте США 6287480 показана возможность применения солей янтарной кислоты, в частности янтарнокислого калия, натрия и аммония, в качестве антиобледенительных химикатов. Соли янтарной кислоты обеспечивают прямое снижение себестоимости на 40% по сравнению с ацетатом кальция и магния (СМА). В водной среде соли янтарной кислоты становятся депрессантами точки замерзания, в еще большей степени усиливая защиту от обледенения. Кроме того, более высокие характеристики солей янтарной кислоты по сравнению с СМА позволяют получить дополнительную экономию за счет сокращения косвенных издержек благодаря снижению количества и частоты применения антиобледенителей. При этом соли янтарной кислоты не вызывают коррозии и являются экологически безвредными. Поэтому предполагается, что антиобледенители на основе солей янтарной кислоты обеспечат снижение расходов на техническое обслуживание инфраструктуры дорог и сделают чище придорожную окружающую среду.
В патенте США 6287480 показано также, что защита от обледенения аэропортов и авиабаз представляет собой чрезвычайно перспективный рынок для антиобледенителей на основе янтарнокислого калия. Антиобледенители для аэропортов и авиабаз должны соответствовать строгим критериям. Эти критерии установлены для того, чтобы защитить специальные сплавы, которые используют в авиации для критических конструктивных узлов. Патент США 6287480 показал также, что янтарнокислый калий позволяет получить составы, которые соответствуют еще более высоким требованиям, чем предусмотренные стандартами для авиационных металлов.
В настоящее время планируется испытание в аэропортах антиобледенителя, известного как CF7, на основе ацетата калия, производства Cryotech Deicing Technology, Fort Madison, Iowa. Поэтому в патенте США 6287480 приведено сравнение янтарнокислого калия с CF7. Патент США 6287480 показал, что янтарнокислый калий имеет коррозионную активность, на 75% меньшую, чем CF7, и на 80% меньшую, чем ацетат калия, который является главным компонентом CF7. Настоящее изобретение еще более усиливает полезность солей янтарной кислоты в качестве антиобледенителей благодаря установленному фактору, что смесь соединения янтарной кислоты с основанием в водном растворе выделяет большое количество теплоты при образовании солей янтарной кислоты, которые обеспечивают эффективную борьбу с обледенением поверхности.
Согласно настоящему изобретению растворение основания, в частности гидроксида калия или гидроксида натрия, в воде и одновременное добавление янтарной кислоты вызывает протекание двух экзотермических реакций, а именно растворения основания и нейтрализации кислоты. Уникальная особенность данного изобретения заключается в том, что замена янтарной кислоты янтарным ангидридом приводит к возникновению мощного источника теплоты, а именно гидратации янтарного ангидрида для образования янтарной кислоты. Такая замена, разумеется, не приводит к изменению конечного продукта, который вступает в контакт с обледенелой поверхностью.
Таким образом, соединения, образующие янтарные соли согласно настоящему изобретению, обеспечивают получение экзотермических химических антиобледенительных составов, которые эффективно удаляют лед с поверхности и эффективно предотвращают повторное образование льда на указанной поверхности. Экзотермические химические антиобледенительные составы содержат соединение янтарной кислоты, предпочтительно соединение янтарной кислоты, выбранное из группы, включающей янтарную кислоту, янтарный ангидрид и их смеси, и основание, предпочтительно основание, выбранное из группы, включающей гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид аммония и их смеси. В особых вариантах реализации экзотермические химические антиобледенительные составы включают также ингибиторы коррозии, загустители и соединения, которые подавляют образование льда на поверхности, повторное замораживание воды, образовавшейся из расплавленного льда, или повторное образование льда на поверхности, с которой лед был удален. Благодаря теплоте, которую вырабатывают экзотермические химические антиобледенительные составы, и экологической безвредности компонентов этих составов расплавление льда на поверхности можно обеспечить с небольшим негативным воздействием на окружающую среду.
Настоящее изобретение включает также множество вариантов устройств для нанесения экзотермических химических антиобледенительных составов на лед, покрывающий поверхность, с целью расплавления указанного льда. Для специалистов в данной области очевидно, что известные устройства для нанесения антиобледенительных растворов на поверхность самолетов и на другие поверхности можно приспособить для нанесения экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению. Так, например, устройство для нанесения антиобледенительных растворов на поверхности самолетов, описанное в патенте США 5845848, Amako et al., в патенте США 4826107, Thornton-Trump, в патенте США 4573802, Kerrigan et al., в патенте США 4191348, Holwerda или в патенте США 5096145, Philips et al., можно адаптировать для нанесения экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению. В вышеуказанных устройствах используются нагреватели для подогрева антиобледенительных растворов. Однако при использовании экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению вместо известных антиобледенительных растворов нагреватели становятся ненужными.
В одном из способов нанесения экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на лед, находящийся на поверхности, водные растворы компонентов указанных экзотермических химических антиобледенительных составов, а именно соединения янтарной кислоты и основание, хранят раздельно. Для нанесения антиобледенителя водные растворы смешивают, чтобы получить выделяющую теплоту водную смесь, которую наносят на лед, находящийся на некоторой поверхности. В особых вариантах реализации водные растворы дополнительно смешивают с водой перед нанесением или во время нанесения.
В другом способе нанесения экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на лед, находящийся на поверхности, компоненты указанных экзотермических химических антиобледенительных составов, а именно соединение янтарной кислоты и основание, хранят раздельно, однако, один из этих компонетов хранят в форме водного раствора, а другой - сухой форме. Так, например, соединение янтарной кислоты можно хранить в форме водного раствора, а основание - сухой форме. Для нанесения антиобледенителя водный раствор смешивают с сухой формой, чтобы получить выделяющую теплоту водную смесь, которую наносят на лед, находящийся на поверхности, с целью расплавления указанного льда. Смешивание проводят в резервуаре, а затем наносят водную смесь, выделяющую теплоту, на лед, находящийся на поверхности. В особых вариантах реализации сухую форму смешивают с водой для получения водного раствора, который затем смешивают с первым водным раствором. Поскольку выделение тепла происходит почти мгновенно, в альтернативном варианте реализации водный раствор и сухую форму или водный раствор, в котором растворяют сухую форму, одновременно смешивают и наносят на лед, находящийся на поверхности. Это можно реализовать с помощью средства, которое смешивает водный раствор и сухую форму или водный раствор, в котором растворена сухая форма, во время их нанесения на лед, находящийся на некоторой поверхности. В особых вариантах реализации компоненты дополнительно смешивают с водой перед нанесением или во время нанесения.
В следующем способе нанесения экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на лед, находящийся на поверхности, компоненты указанных экзотермических химических антиобледенительных составов, а именно соединение янтарной кислоты и основание, хранят в форме сухой смеси, предпочтительно форме порошка или гранул. Сухая смесь предпочтительно содержит также соединение, поглощающее влагу, например майцену или силикагель, которое связывает влагу и предотвращает возникновение реакции образования янтарных солей в сухой смеси во время хранения. Для нанесения антиобледенителя сухую смесь смешивают с водой, чтобы получить выделяющую теплоту водную смесь, которую наносят на лед, находящийся на некоторой поверхности, с целью расплавления указанного льда. Смешивание производят в резервуаре, а затем выделяющую теплоту водную смесь наносят на лед, находящийся на поверхности. Поскольку выделение тепла происходит почти мгновенно, в альтернативном варианте сухую смесь одновременно смешивают с водой и наносят на лед, находящийся на поверхности. В особых вариантах реализации сухую смесь получают в форме порошка или гранул, которая содержит также соль янтарной кислоты. Эта соль янтарной кислоты начинает расплавлять лед. Образующаяся при этом вода вызывает реакцию соединения янтарной кислоты и основания, которая выделяет теплоту. Под действием выделяющейся теплоты увеличивается расплавление льда и образуется большее количество воды, которая способствует развитию реакции между соединением янтарной кислоты и основанием, увеличивающей количество выделяющейся теплоты. Таким образом, в течение короткого промежутка времени обеспечивается расплавление льда на указанной поверхности.
Настоящее изобретение включает также экзотермические химические антиобледенительные составы, содержащие один или несколько многоатомных спиртов. Многоатомные спирты особенно эффективно предотвращают повторное замораживание или повторное образование льда на поверхности, после того, как он был расплавлен. Примеры многоатомных спиртов включают алкиленгликоли и диалкиленгликоли, в частности этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль и дипропиленгликоль. Таким образом, экзотермические химические антиобледенительные составы, содержащие соединение янтарной кислоты, в частности янтарную кислоту и/или янтарный ангидрид, основание, в частности гидроксид калия или натрия, и по меньшей мере один многоатомный спирт, при нанесении на поверхность особенно эффективны в качестве агентов для очистки ото льда и защиты от последующего обледенения указанной поверхности. Составы, содержащие янтарный ангидрид, гидроксид калия и пропиленгликоль, особенно эффективны для очистки поверхности от льда и предотвращения образования льда на этой поверхности, повторного замерзания расплавленного льда или повторного образования льда на поверхности после его расплавления.
Благодаря их вязкости многоатомные спирты часто используют в антиобледенительных составах в количестве, достаточном для загущения антиобледенительного состава, чтобы придать ему вязкость, обеспечивающую сцепление антиобледенительного состава с поверхностью.
Однако многоатомные спирты являются токсичными. Поэтому в тех случаях, когда желательно иметь экологически безвредный антиобледенительный состав, сцепляющийся с поверхностью, предпочтителен нетоксичный загуститель. Нетоксичные загустители включают гидрофильные гетерополисахаридные коллоиды, описанные, в частности, в патенте США 5772912, Lockyer ef al.
Таким образом, экзотермические химические антиобледенительные составы включают также варианты реализации, содержащие соединение янтарной кислоты, в частности янтарную кислоту и/или янтарный ангидрид, основание, в частности гидроксид калия, гидроксид натрия, гидроксид аммония или их смесь, и некоторое количество многоатомного спирта для придания составу вязкости, достаточной для сцепления состава с поверхностью. Для экологически безвредных вариантов реализации экзотермические химические антиобледенительные составы содержат соединение янтарной кислоты, в частности янтарную кислоту и/или янтарный ангидрид, основание, в частности гидроксид калия, гидроксид натрия, гидроксид аммония или их смесь, и достаточное количество гидрофильного гетерополисахаридного коллоида, придающего составу достаточную вязкость, чтобы обеспечить сцепление с поверхностью.
Таким образом, экзотермические химические антиобледенительные составы согласно настоящему изобретению, которые содержат также один или несколько многоатомных спиртов, обладают антиобледенительными свойствами и благодаря вязкости, которую придают составу многоатомные спирты, составы эффективно сцепляются с поверхностью, на которую их наносят. Это увеличивает время активности антиобледенительного состава на поверхности, что особенно полезно для защиты от обледенения и предотвращения образования льда на негоризонтальных поверхностях, в частности на ветровых стеклах, на поверхностях самолетов и на дорожных поверхностях.
Экзотермические химические антиобледенительные составы могут содержать также эффективное количество по меньшей мере одного ингибитора коррозии, выбранного из группы, включающей полимерную соль щелочного металла, например полималеимидную соль натрия, и янтарнокислый магний, полиаспартат щелочного металла, например полиаспартат натрия, и янтарнокислый магний, и полималеимидную соль щелочного металла, например полималеимидную соль натрия, и янтарнокислый магний. Эффективность вышеуказанных специальных ингибиторов коррозии описана в патенте США 6287480, Berglund et al., где указано также, что ингибиторы коррозии усиливают антиобледенительную способность антиобледенительных составов. Как показано на фигуре 6, продукт экзотермического химического антиобледенительного состава, содержащий 3% по массе раствора 95:5 (по массе) смеси янтарной кислоты и янтарнокислого магния с гидроксидом калия в воде, не вызывал коррозии магниевых сплавов, обработанных дихроматом, в то время как известные антиобледенители вызывали существенную коррозию, а экзотермические химические антиобледенительные составы вызывали минимальную коррозию. Таким образом, компоненты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению вызывают минимальную коррозию металлов и бетона, однако добавление ингибиторов коррозии делает указанные экзотермические химические антиобледенительные составы особенно полезными для нанесения на поверхности дорог, а также металлов, которые являются компонентами конструкций мостов, самолетов, металлических лестниц, автомобилей и т.п.
В общем случае экзотермические химические антиобледенительные составы согласно настоящему изобретению после смешивания содержат примерно от 1,5 до 36% соединения янтарной кислоты и от 1,5 до 34,5% основания в воде. Предпочтительно соединение янтарной кислоты составляет примерно 30,5%, основание - примерно 28,8%, а остальное - ода. Если составы содержат многоатомный спирт, в частности пропиленгликоль, то содержание многоатомного спирта составляет примерно от 0% до 25%, предпочтительно - около 25%, а остальное - вода. Вода может дополнительно содержать ингибиторы коррозии и поверхностно-активные вещества.
Экзотермические химические антиобледенительные составы согласно настоящему изобретению можно оформить в качестве набора. На фигуре 10 показан один из вариантов реализации такого набора. На фигуре 10 представлен блок 12, содержащий первый контейнер 14 и второй контейнер 16, а также инструкции по применению набора 10. В одном из вариантов реализации контейнер 14 содержит соединение 20 янтарной кислоты (в сухой форме или в форме водного раствора), а контейнер 16 содержит основание 22 (в сухой форме или в форме водного раствора). Набор может содержать третий контейнер (не показан) для хранения воды или водного раствора многоатомного спирта или для смешивания соединения 20 янтарной кислоты и основания 22. Предполагается, что данный набор не ограничивается показанным вариантом реализации. Так, например, возможны варианты реализации, в которых контейнеры разделяются хрупкой перегородкой, которая аналогична показанной в нагревательном устройства на фигуре 11 и которая разрушается для смешивания водных растворов соединения янтарной кислоты и основания, чтобы получить экзотермический химический антиобледенительный состав. В других вариантах реализации один контейнер содержит сухую смесь соединения янтарной кислоты и основания, предпочтительно сухая смесь включает также соединение, поглощающее влагу, в частности майцену или силикагель, а другой контейнер содержит воду или водный раствор многоатомного спирта.
Кроме экзотермических химических антиобледенительных составов настоящее изобретение обеспечивает наборы для продажи в виде блоков, которые позволяют получать нагретый раствор и используются в качестве подогревательных устройств, включающие устройства для горячего обертывания при медицинском лечении, грелки для рук, подогреватели для сидений и подогреватели пищи, но не ограничивающиеся ими. Такие устройства имеют концептуальные прототипы, см. например, патент США 5334323, Schrimpf. В общем случае подогревательное устройство содержит два отделения, разделенных разрушающейся перегородкой. Одно отделение содержит сухое соединение янтарной кислоты, в частности янтарную кислоту и/или янтарный ангидрид, смешанное с сухим основанием, в частности с гидроксидом натрия или гидроксидом калия (предпочтительно сухая смесь содержит также соединение, поглощающее влагу, в частности майцену или силикагель), а другое отделение содержит воду. В нужный момент перегородку разрушают, что приводит к возникновению контакта между сухой смесью и водой, которые затем реагируют и образуют раствор с желаемой температурой.
В альтернативном варианте исполнения одно отделение содержит водный раствор соединения янтарной кислоты, в частности янтарной кислоты или янтарного ангидрида, а другое отделение содержит водный раствор основания, в частности гидроксида натрия или гидроксида калия, или сухое основание. В нужный момент перегородку разрушают, что приводит к возникновению контакта между водным раствором соединения янтарной кислоты и водным раствором основания, которые затем реагируют и образуют раствор с желаемой температурой.
В другом альтернативном варианте исполнения одно отделение содержит сухое соединение янтарной кислоты, в частности янтарную кислоту или янтарный ангидрид, а другое отделение содержит водный раствор основания, в частности гидроксида натрия или гидроксида калия. В нужный момент перегородку разрушают, что приводит к возникновению контакта между сухим соединением янтарной кислоты и водным раствором основания, которые затем реагируют и образуют раствор с желаемой температурой.
В одном из вариантов реализации температура раствора после смешивания соединения янтарной кислоты и основания определяется отношением соединения янтарной кислоты и основания или молярной концентрацией обоих компонентов. Кроме того, для ослабления экзотермичности реакции можно использовать пропиленгликоль. Таким образом, регулируя молярную концентрацию кислотного и основного компонентов или отношение кислотного и основного компонентов, а также количество припиленгликоля, получают подогреватели, которые обеспечивают определенную температуру. Используя янтарный ангидрид или смесь янтарного ангидрида и янтарной кислоты, можно получить подогреватель, который будет поддерживать более высокую температуру в течение более длительного времени, чем в случае применения одной янтарной кислоты.
На фигуре 11 показан вариант подогревательного устройства, где подогревательное устройство 100 содержит первый отсек 110, в котором находится смесь сухого соединения 112 янтарной кислоты и сухого основания 114, отделенный от второго отсека 116, содержащего воду 118.
Первый отсек 110 отделен от второго отсека 116 хрупкой перегородкой 120. В общем случае подогревательное устройство 100 является гибким. Его изготавливают из термопластичного полимера, при этом отсеки образуют прочная перегородка 122 и хрупкая перегородка 120. Показанное на фигуре подогревательное устройство можно приспособить для любого из вышеуказанных вариантов реализации.
Термопластичные полимеры, используемые в подогревательных устройствах, хорошо известны специалистам в данной области. Полимеры могут быть природными или синтетическими. Иногда вместо термина "термопластичные полимеры" используют термин "термопластичные смолы", что означает те же самые материалы. Противоположностью термопластичным полимерам являются термореактивные полимеры, которые разлагаются, но не размягчаются при нагревании. Однако существует множество гибридов и смешанных полимеров, которые являются равноценными для применения в целях настоящего изобретения. Примеры полимеров, которые можно использовать для изготовления подогревательного устройства, включают полиалкиленоксидные полимеры (полиэтилен, полипропилен и полибутилен), терефталатные полимеры (полиэтилентерефталат) и полиолефины, в частности виниловые смолы, например винилацетат, винилхлорид и стирол.
Ниже приведены примеры, которые способствуют лучшему пониманию настоящего изобретения.
ПРИМЕР 1
Данный пример показывает, что экзотермические химические антиобледенительные составы согласно настоящему изобретению выделяют большое количество теплоты, при этом указанная теплота выделяется практически мгновенно после смешивания янтарнокислого и основного компонентов составов.
Все опыты в данном примере проводили в закрытом крышкой химическом стакане, который устанавливали на магнитном смесителе. Температуру поддерживали с помощью термопары, погруженной в стакан. В соответствии с задачей опыта применяли следующую процедуру. В стакан заливали отмеренное количество каждого из следующих компонентов: (а) вода, (б) вода и пропиленгликоль и (в) в случае опытов, проводимых с гидроксидом аммония в качестве основания для нейтрализации, 30% по массе водный раствор гидроксида аммония.
Затем в зависимости от задачи опыта в перемешиваемый раствор в стакане добавляли отмеренное количество каждого из следующих компонентов: (а) сухое основание, (б) сухая смесь янтарной кислоты и основания, (в) сухая смесь янтарного ангидрида и основания и (г) янтарная кислота или янтарный ангидрид в случае опытов, проводимых с гидроксидом аммония в качестве основания для нейтрализации. Температуру перемешиваемого раствора контролировали в течение 10 минут. Состав компонентов для каждого опыта приведен ниже.
Использовали следующие стехиометрические количества кислоты, ангидрида и основания, рассчитанные на основании концентрации требуемого раствора соединения янтарной кислоты: (а) эквивалентное количество основания, требуемое для нейтрализации кислоты (11,5 г гидроксида калия и 20 г воды), (б) 50% по массе водный раствор янтарнокислого калия (12,2 янтарной кислоты, 11,5 г гидроксида калия и 16,3 г воды), (в) 50% по массе водный раствор янтарнокислого калия (10,3 г янтарного ангидрида, 11,5 г гидроксида калия и 18,1 г воды), (г) янтарнокислый калий : вода : пропиленгликоль (40:40:20 по массе) (10,3 г янтарного ангидрида, 11,5 г гидроксида калия, 18,1 г воды и 10 г пропиленгликоля), (д) янтарнокислый калий : вода : пропиленгликоль (33,3:33,3:33,3 по массе) (10,3 г янтарного ангидрида, 11,5 г гидроксида калия, 18,1 г воды и 20 г пропиленгликоля), (е) эквивалентное количество гидроксида натрия, требуемое для нейтрализации кислоты (9,9 г гидроксида натрия и 20 г воды), (ж) 50% по массе водный раствор янтарнокислого натрия (14,6 г янтарной кислоты, 9,9 г гидроксида натрия и 15,6 г воды), (з) 50% по массе водный раствор янтарнокислого натрия (12,3 г янтарного ангидрида, 9,9 г гидроксида натрия и 17,8 г воды), (и) янтарнокислый натрий : вода : пропиленгликоль (40:50:10 по массе) (14,6 г янтарной кислоты, 9,9 г гидроксида натрия, 20,6 г воды и 5 г пропиленгликоля), (к) янтарнокислый натрий : вода : пропиленгликоль (40:50:10 по массе) (12,3 г янтарного ангидрида, 9,9 г гидроксида натрия, 22,8 г воды и 5 г пропиленгликоля), (л) 43,3% по массе водный раствор янтарнокислого аммония (15,5 г янтарной кислоты и 30,7 г 30% по массе водного раствора гидроксида аммония) и (м) 45,6% по массе водный раствор янтарнокислого аммония (13,2 г янтарнокислого ангидрида и 30,7 г 30% по массе водного раствора гидроксида аммония).
Следующие данные показывают исключительную кумулятивную экзотермичность растворения основания, нейтрализации кислоты и гидратации ангидрида экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению. Экзотермичность образования янтарнокислого калия в водной среде представлена на фигуре 1. Тепловой профиль растворения гидроксида калия в воде (а) использовали в качестве базового. Экзотермичность нейтрализации янтарной кислоты (b), а также кумулятивная экзотермичность одновременной гидратации янтарного ангидрида и нейтрализации янтарной кислоты (с) вызывала практически мгновенное повышение температуры образующегося раствора янтарнокислого калия до его точки кипения. Примерный градиент температуры составлял 7,2°С/секунда. Дополнительного выделения теплоты за счет гидратации янтарного ангидрида не наблюдали в явном виде, поскольку только нейтрализация янтарной кислоты гидроксидом калия быстро повышала температуру раствора до его точки кипения. Однако охлаждающая часть температурного профиля в опыте (с) с янтарным ангидридом указывает на присутствие дополнительного источника теплоты в случае замещения янтарной кислоты янтарным ангидридом. Температурный профиль для янтарного ангидрида был заметно выше, чем для янтарной кислоты. Тем не менее, потенциал данного способа для быстрого выделения теплоты с целью защиты от обледенения или подогрева является очевидным.
В тех случаях, когда требуется обеспечить более точное регулирование теплоты, выделяющейся в результате указанных реакций, такое регулирование можно обеспечить, добавляя в раствор пропиленгликоль.
Данные, представленные на фигуре 2, показывают, что экзотермичность можно ослабить, разбавляя раствор пропиленгликолем. В этой серии опытов концентрацию образующегося янтарнокислого калия снижали путем последовательного разбавления пропиленгликолем. На фигуре 2 показаны экзотермические кривые образования янтарнокислого калия в среде водного раствора пропиленгликоля. Очевидно, что разбавление пропиленгликолем ослабляет экзотермические свойства трех указанных реакций. Примерные градиенты для экзотерм в опытах (с), (а) и (е) составляли 7,2°С/секунда, 1,9°С/секунда и 1,5°С/секунда соответственно. Таким образом, можно регулировать выделение теплоты в соответствии с требованиями конкретных условий применения.
Аналогичные результаты получали при образовании янтарнокислого натрия в водной среде, а также в водной среде в присутствии пропиленгликоля. Результаты образования янтарнокислого натрия в водной среде представлены на фигуре. 3. Тепловой профиль растворения гидроксида натрия в воде (f) использовали в качестве базового. Эта группа данных показывает явное преимущество янтарной кислоты по сравнению с другими карбоновыми кислотами - уксусной (Miller, Ways to Help Bridges and Deicers Coexist: CMA Cuts Corrosion on Zilwaukee Bridge, Better Roads, (February 1993); Strawn, CMA has Role to Play in Critical Applications, Kuennen, Ed., Roads & Bridges, (March 1993)), адипиновой и глутаровой (ЕР 82890136.5, Kaes), которые использовали или предлагали использовать для антиобледенения. Уникальность янтарной кислоты заключается в том, что ее можно легко заместить ангидридом, который создает дополнительный источник теплоты за счет гидратации ангидрида. Нейтрализация янтарной кислоты гидроксидом натрия с образованием янтарнокислого натрия в водной среде (g) примерно в течение четырех минут повышает температуру образующегося раствора янтарнокислого натрия до точки его кипения. Введение дополнительного источника теплоты путем замещения янтарной кислоты (g) янтарным ангидридом (h) практически мгновенно повышает температуру раствора до точки его кипения. Это замечательное свойство позволяет с высокой степенью регулировать выделение теплоты в различных условиях применения для защиты от обледенения и подогрева. Желаемое регулирование можно обеспечить, применяя соответствующие смеси янтарной кислоты и янтарного ангидрида. Растворимость янтарнокислого натрия в воде составляет менее 50% по массе при условиях окружающей среды, поэтому растворы янтарнокислого натрия кристаллизуются при охлаждении. Однако это не оказывает влияния на поведение янтарнокислого натрия, поскольку он легко растворяется при высоких температурах, которые обеспечивают потребление и, следовательно, полное использование ингредиентов.
Как и в случае растворов янтарнокислого калия, дополнительное регулирование можно обеспечить, используя водную среду с пропиленгликолем при нейтрализации кислоты. На фигуре 4 представлены экзотермические кривые образования янтарнокислого натрия в водной среде с пропиленгликолем. Благодаря быстрому образованию теплоты в результате гидратации ангидрида (j) раствор янтарнокислого натрия нагревался до точки кипения почти мгновенно. С другой стороны, при нейтрализации янтарной кислоты гидроксидом натрия в водной среде (i) требовалось около 5,5 минут, чтобы повысить температуру того же самого раствора до точки его кипения. В данной серии опытов наблюдали, что примерно 0,5 г гидроксида натрия оставалось неизрасходованным при температуре кипения. Это можно легко исправить путем небольшого уменьшения соотношения между соединением янтарной кислоты и воды в растворе для получения янтарнокислого натрия, чтобы обеспечить полное использование ингредиентов. Использование более низких концентраций для регулирования выделения теплоты также является эффективной альтернативой. Однако, в особенности в случае получения антиобледенителей, такой подход может оказаться контрпродуктивным. Задачей настоящего изобретения является получение антиобледенителей двойного действия, которые используют теплоту для быстрого проникновения в лед и его расплавления, и концентрация которых обеспечивает снижение температуры замерзания для долговременной защиты от обледенения. Применение более низких концентраций может снижать долговременные антиобледенительные свойства.
В других опытах исследовали также образование янтарнокислого аммония. Поскольку гидроксид аммония поступает в продажу в форме водного раствора, в качестве источников теплоты можно использовать только нейтрализацию кислоты и гидратацию ангидрида. Полученные данные представлены на фигуре 5. Результаты показывают, что по сравнению с количеством теплоты, выделяющейся при нейтрализации янтарной кислоты гидроксидом аммония (k), существенное количество дополнительной теплоты выделяется в результате гидратации янтарного ангидрида гидроксидом аммония (I).
ПРИМЕР 2
Данный пример показывает, что продукты, содержащие соли янтарной кислоты, экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению (водный янтарнокислый калий и смеси водного янтарнокислого калия с пропиленгликолем) соответствуют техническим требованиям SAE AMS 1435 А, утвержденным Федеральным авиационным управлением (Federal Aviation Administration, FAA).
Для применения в авиационной технике или связанных с ней областях антиобледенительный состав должен соответствовать требованиям AMS 1435 А. При испытаниях экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на соответствие требованиям AMS 1435 А характеристики и безопасность экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению также сравнивали с характеристиками и безопасностью антиобледенителей на ацетатной и формиатной основе, которые в настоящее время используют в аэропортах. AMS 1435 А включает отдельные испытания согласно стандартам Американского общества по испытанию материалов (American Society for Testing Materials, ASTM), указанные в таблице 1.
Испытания 1, 8 и 9 не проводили. Они могут выполняться в сертифицированной лаборатории. Испытание 13 было тривиальным и не выполнялось по методическим причинам. Испытание 15 требует предварительного хранения в течение по меньшей мере 12 месяцев.
Удельная масса (ASTM D 891)
AMS 1435 А рекомендует использовать стандарт ASTM D 891 для определения удельной массы антиобледенителей для крыльев самолетов.
При этом существует два способа для определения удельной массы - ареометрический способ и пикнометрический способ. Ареометрический способ является менее точным, однако он часто является удовлетворительным для применения во многих случаях, если только образец не является слишком вязким, чтобы обеспечить свободное плавание ареометра. Ареометрический способ считается удовлетворительным для измерения определения удельной массы продуктов, содержащих соли янтарной кислоты, экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению. Измерения производили в соответствии с протоколом ASTM D 891 при 20°С с помощью ареометра Ertico, проградуированного в пределах от 1,0 до 2,0 с ценой деления 0,01. Результаты представлены в таблице 2 (ddH2O - деионизованная дистиллированная вода).
| Таблица 2 | |
| Образец (Концентрация янтарной кислоты : пропиленгликоля : ddH2O) | Удельная масса |
| ddH2O | 1,00 |
| 20:30:00 по массе | 1,12 |
| 25:25:00 по массе | 1,15 |
| 30:20:00 по массе | 1,18 |
pH (ASTM E 70)
Значения pH содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению соответствуют требованиям AMS 1435 А при измерении согласно протоколу ASTM Е 70, рекомендованному AMS 1435 А.
AMS 1435 А рекомендует применять ASTM E 70 для измерения pH антиобледенителей для крыльев самолетов. В данном способе используют стеклянный электрод. pH содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов, включающих пропиленгликоль, определяли с помощью измерителя pH и температуры Corning 313 с разрешением 0,01. Согласно требованиям AMS 1435 А значения pH должны быть в пределах от 7,0 до 11,5 с допуском ±0,5.
Данные, представленные в таблице 3, показывают, что содержащие соли янтарной кислоты продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению соответствуют этому требованию.
| Таблица 3 | |
| Образец рН (Концентрация янтарной кислоты : пропиленгликоля : ddH2O) | pH |
| ddH2O | 6,60 |
| 20:30:00 по массе | 9,68 |
| 25:25:00 по массе | 10,08 |
| 30:20:00 по массе | 10,12 |
Точка замерзания (ASTM D 1177)
Точки замерзания содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению удовлетворяют требованиям AMS 1435 А к точке замерзания при измерении с помощью протокола ASTM D 1177, рекомендованного AMS 1435 А.
Согласно AMS 1435 А точка замерзания антиобледенительных жидкостей, разбавленных в отношении 1:1 по массе деионизованной и дистиллированной водой, должна быть ниже -14,5°С. Результаты измерения точки замерзания содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению представлены в таблице 4.
В таблице 4 указаны точки замерзания содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов в сравнении с точками замерзания антиобледенителей на ацетатной и формиатной основе, которые в настоящее время используют в аэропортах. Точки замерзания содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов выше, чем антиобледенителей на ацетатной и формиатной основе, однако они находятся в пределах, установленных AMS 1435 А. Кроме того, как показано далее, хотя точка замерзания содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов выше, чем антиобледенителей, применяемых в настоящее время, экзотермические химические антиобледенительные составы вызывают гораздо меньшую коррозию и, следовательно, являются более безопасными, чем известные антиобледенители.
| Таблица 4 | |
| Антиобледенитель | Точка замерзания (°С) |
| Формиат калия | -50,8 |
| Ацетат калия | -51,8 |
| Янтарнокислый калий | -26,8 |
| Янтарнокислый калий: пропиленгликоль (1:1) | -34,5 |
Коррозия слоистой структуры (ASTM F 1110)
Коррозионное воздействие содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на алюминий, имеющий плакированную или анодированную поверхность, лежит в пределах, установленных AMS 1435 А, при измерении согласно протоколу ASTM F1110, рекомендованному AMS 1435А.
ASTM F1110 описывает сравнительное климатическое испытание коррозионного воздействия жидких антиобледенителей на конструкционный алюминий, используемый в авиационной технике. В этом испытании кусок фильтровальной бумаги Whatman GFA со стекловолокном пропитывали до насыщения водным раствором антиобледенителя и помещали между двумя алюминиевыми образцами. Полученную слоистую структуру помещали в печь с принудительной циркуляцией воздуха на 8 часов при 37±2,8°С (100±5°F), а затем - в камеру влажности при 37±1°С (100±2°F) и относительной влажности от 95 до 100%. Это составляло один цикл. Указанный цикл повторяли семь раз в течение семи дней. Результаты испытания оценивали путем сравнения внешнего вида лицевых поверхностей алюминиевых образцов. Для численной классификации результатов испытаний использовали относительную рейтинговую систему коррозионных баллов. Такая рейтинговая система устраняет необходимость проведения измерений потери массы. Относительная рейтинговая система содержит следующие коррозионные баллы: (0) - отсутствие видимой коррозии, (1) - очень слабая коррозия или обесцвечивание (до 5% корродированной поверхности), (2) - видимая коррозия (от 5 до 10% корродированной поверхности), (3) - умеренная коррозия (от 10 до 25% коррелированной поверхности) и (4) - обширная или точечная коррозия (25% и более корродированной поверхности).
Результаты коррозионного испытания не были однозначными. Представлялось затруднительным описать состояние наблюдаемой поверхности как обесцвечивание или коррозию. Тем не менее, содержащие соли янтарной кислоты продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению вызывали минимальное обесцвечивание поверхности как плакированного, так и анодированного алюминия без не плакирующего покрытия. В то время как содержащие соли янтарной кислоты продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению не вызывали обесцвечивания, формиаты и ацетаты вызывали экстенсивное обесцвечивание поверхности. Однако невозможно утверждать, что это обесцвечивание было связано с коррозией.
Коррозия при полном погружении (ASTM F 483)
Коррозионное воздействие содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на авиационные сплавы лежит в пределах, установленных AMS 1435 А, при измерении согласно протоколу ASTM F 483, рекомендованному AMS 1435 А.
Многие авиационные металлические сплавы подвергают испытанию на коррозию при полном погружении (ASTM F 483). Это испытание проводят на авиационных сплавах, в частности на анодированном алюминиевом сплаве AMS 4037, алюминиевом сплаве AMS 4041, алюминиевом сплаве AMS 4049, магниевом сплаве AMS 4376, обработанном дихроматом, титановом сплаве AMS 4911 и углеродистой стали AMS 5045. Как показано в патенте США 6287480, Berglund et al., янтарнокислый калий соответствует требованиям стандартов. Вызываемая им коррозия меньше предельно допустимой величины для алюминиевых и магниевых сплавов и легированной стали.
Среди авиационных сплавов магниевый сплав AMS 4376, обработанный дихроматом, наиболее подвержен коррозии, вызываемой антиобледенителями. Поэтому скорость коррозии магниевого сплава AMS 4376, обработанного дихроматом, под действием содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению сравнивали со скоростью коррозии под действием нескольких известных антиобледенителей на ацетатной или формиатной основе.
Формиаты и ацетаты используют в качестве обледенителей для взлетно-посадочных полос в аэропортах, в особенности в Европе. Так, например, патент ЕР 82890136.5, Kaes, указывает, что смесь дикарбоновых кислот, содержащая от 30 до 35% по массе адипиновой кислоты, от 40 до 45% по массе глутаровой кислоты и от 20 до 25% по массе янтарной кислоты в форме калиевой соли, пригодна для использования в аэропортах качестве антиобледенителя. Поэтому смеси янтарнокислого калия согласно настоящему изобретению сравнивали с антиобледенителями на основе формиата и ацетата, а также с антиобледенительными составами на основе дикарбоновых кислот согласно ЕР 82890136.5. Испытание с полным погружением включало погружение магниевого сплава в 3% по массе водный раствор антиобледенителя на 24 часа.
Как показано на фигуре 6, содержащие соли янтарной кислоты продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению (е, f и g) представляют собой наименее коррозионно-активные антиобледенители. Коррозионная активность у янтарнокислого калия на 92% меньше, чем у антиобледенителей на формиатной основе (а и b), на 83% меньше, чем у антиобледенителя на ацетатной основе (с) и на 75% меньше, чем у антиобледенителя на основе дикарбоновых кислот (d). Присутствие пропиленгликоля (смесь 50:50 по массе янтарнокислый калий : пропиленгликоль) не оказывает влияния на коррозионную активность янтарнокислого калия (f). Неожиданно оказалось, что присутствие янтарнокислого магния (смесь 95:5 по массе янтарнокислый калий : янтарнокислый магний) полностью предотвращает возникновение коррозии магниевого сплава (g). Полученные результаты определенно показывают, что содержащие соли янтарной кислоты продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению имеют гораздо меньшую коррозионную активность и, следовательно, являются гораздо более безопасными, чем известные антиобледенители, применяемые для защиты от обледенения крыльев самолетов и взлетно-посадочных полос в аэропортах.
Результаты воздействия содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на другие авиационные сплавы представлены в таблице 5, где показано, что содержащие янтарнокислый калий продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению вызывают коррозию в допустимых пределах для всех алюминиевых и титановых сплавов и легированной стали.
| Таблица 5 Результаты испытания на коррозию при полном погружении | ||
| Контрольные образцы | Изменение массы (мг/см2/24 часа) | |
| Допустимое | Наблюдаемое | |
| Анодированный алюминиевый сплав AMS 4037 | 0,3 | 0,02 |
| Алюминиевый сплав AMS 4041 | 0,3 | 0,01 |
| Алюминиевый сплав AMS 4049 | 0,3 | 0,01 |
| Алюминиевый сплав AMS 4911 | 0,1 | <0,01 |
| Углеродистая сталь AMS 5045 | 0,8 | 0,43 |
Воздействие на кадмиевое покрытие с низким охрупчиванием (ASTM F 1111)
Неблагоприятное воздействие содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на образцы с кадмиевым покрытием, обладающим низким охрупчиванием, находится в пределах, установленных AMS 1435 А, при измерении согласно протоколу ASTM F 1111, рекомендованному AMS 1435 А. В соответствии с рекомендациями протокола ASTM F 1111 изменение массы контрольных образцов, которые выполнены из стали 4130 с кадмиевым покрытием, обладающим низкой охрупчиваемостью, не должно превышать 0,3 мг/см2 за 24 часа.
Как показано на фигуре 7, все антиобледенительные составы (как известные, так и содержащие янтарнокислый калий продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению) дают результаты в допустимых пределах (g). Однако имеет место существенное отличие в воздействии на испытуемую поверхность смесей, содержащих янтарнокислый калий (е и f), и известных антиобледенителей. В частности, янтарнокислый калий (е) и смесь 50:50 по массе янтарнокислый калий : пропиленгликоль (f) не оказывали заметного влияния на поверхность стали с кадмиевым покрытием, в то время как антиобледенители на формиатной и ацетатной основе (а, b, с и d) вызывали до 30 четко различимых отдельных коррозионных изъязвлений на стальной поверхности с кадмиевым покрытием.
Воздействие на прозрачную пластмассу (ASTM F 484)
Образование волосных трещин под действием содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению находится в пределах, установленных AMS 1435 А при измерении согласно протоколу ASTM F 484, рекомендованному AMS 1435 А. В соответствии с указанным протоколом измеряют напряжение образования волосных трещин акриловых пластмасс, находящихся в контакте с жидкими или полужидкими соединениями.
Испытывали образование волосных трещин под действием известных антиобледенителей и содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на трех акриловых пластмассах (MIL-P-5425, MIL-Р-8184 и MIL-P-25690), в которых создавали напряжение при изгибе (напряжение наружных волокон составляло до 314,46 кг/см2 (4500 фунтов на квадратный дюйм)). Ни известные антиобледенители, ни содержащие соли янтарной кислоты продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению не оказали заметного воздействия на акриловые пластмассы при создании напряжения при изгибе.
Воздействие на окрашенные поверхности (ASTM F 502)
Неблагоприятное воздействие содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на окрашенные поверхности самолетов находится в пределах, установленных AMS 1435 А, при измерении согласно протоколу ASTM F 502, рекомендованному AMS 1435 А.
Испытали неблагоприятное воздействие содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на окрашенные поверхности самолетов. Во время испытания половину окрашенной панели подвергали воздействию антиобледенителя, а затем на открытом и закрытом от антиобледенителя участках панели проводили один штрих карандашами различной твердости.
Задача испытания заключалась в том, чтобы определить твердость карандаша, вызывающего разрушение краски, на которую действовал антиобледенитель, по сравнению с краской, закрытой от антиобледенителя. Твердость карандашей в восходящем порядке составляла 6В, 5В, 4В, 3В, В, НВ, F, Н, 2Н, 4Н и 6Н. Результаты представлены в таблице 6, где показано, что содержащие соли янтарной кислоты продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению не оказывали влияния на окрашенные поверхности самолетов, в то время как формиатные и ацетатные антиобледенители вызывали размягчение краски, соответствующее одной ступени твердости карандаша.
| Таблица 6 Воздействие антиобледенительных растворов на окрашенные поверхности самолетов | ||
| Водный раствор антиобледенителя | Твердость карандаша до разрушения | |
| Закрытая поверхность | Открытая поверхность | |
| Янтарнокислый калий:пропиленгликоль (1:1 по массе) | F | F |
| Янтарнокислый калий | F | F |
| Ацетат калия | F | HB |
| Формиат калия | F | HB |
| Формиат натрия | F | HB |
| Ацетат натрия (20% по массе) | F | HB |
Воздействие на неокрашенные поверхности (ASTM F 485)
Неблагоприятное воздействие содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на неокрашенные поверхности самолетов находится в пределах, установленных AMS 1435 А, при измерении согласно протоколу ASTM F 485, рекомендованному AMS 1435 А.
Испытали неблагоприятное воздействие содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению на неокрашенные поверхности самолетов. Во время испытания панели из титана 6A14V, соответствующего MIL-T-9046, и алюминия 7075-Т6, алькледа, соответствующего федеральной спецификации QQ-A-250/13, кратковременно погружали в смеси, содержащие янтарнокислый калий, или в известные антиобледенители.
Затем панели подвергали сушке при повышенной температуре и визуально контролировали появление осадка или окраски. Результаты, представленные в таблице 7, показывают, что ни содержащие соли янтарной кислоты продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению, ни известные антиобледенители не оказали существенного влияния на неокрашенные поверхности самолетов.
| Таблица 7 Воздействие антиобледенительных растворов на неокрашенные поверхности самолетов | ||
| Водный раствор антиобледенителя (50% по массе) | Алюминий 7075-Т6 | Титан 6А14V |
| Янтарнокислый калий:пропиленгликоль (1:1 по массе) | Без окраски | Без окраски |
| Янтарнокислый калий | Без окраски | Без окраски |
| Ацетат калия | Без окраски | Без окраски |
| Формиат калия | Без окраски | Окраска |
| Формиат натрия | Без окраски | Окраска |
| Ацетат натрия (20% по массе) | Без окраски | Без окраски |
Сопротивление отслаиванию бетона взлетно-посадочной полосы (ASTM С 672)
Величина сопротивления отслаиванию бетона взлетно-посадочной полосы под действием содержащих соли янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению находится в пределах, установленных AMS 1435 А, при применении протокола ASTM С 672, рекомендованного AMS 1435 А.
Величину отслаивания бетона, вызванного содержащими соли янтарной кислоты продуктами экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению, сравнивали с величиной отслаивания, вызванного известными антиобледенителями, с помощью ASTM С 672. На фигуре 8 представлена кумулятивная масса отслоившегося бетона, измеренная в граммах, после 50 циклов замораживания и оттаивания. Как показано на фигуре 8, содержащие соли янтарной кислоты продукты экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению вызывали гораздо меньшее отслаивание, чем известные антиобледенители. Калиево-формиатный антиобледенитель (а) вызывал на 11,245% большее отслаивание бетона, чем янтарнокислый калий (d), а ацетат калия (b) вызывал на 1,555% большее отслаивание бетона, чем янтарнокислый калий (d) или смесь 50:50 янтарнокислого калия и пропиленгликоля (е).
Хотя растворимые соли муравьиной и уксусной кислоты используют для защиты от обледенения аэродромов, вызываемое ими отслаивание бетона существенно выше, чем в случае хлорида натрия (с), который считается небезопасным для данной области применения. Отслаивание бетона под действием содержащих солей янтарной кислоты продуктов экзотермических химических антиобледенительных составов (d) и (е) согласно настоящему изобретению эквивалентно отслаиванию, которое вызывает деионизованная вода (f).
Функционирование (усовершенствованный способ определения относительно протокола SHRP Н-205.1)
Функционирование экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению соответствует требованиям к функционированию, установленным AMS 1435 А, при измерении согласно протоколу SHRP Н-205.1, "Handbook of Test Methods for Evaluating Chemical Deicers", SHRP-H/WP-90, Strategic Highway Research Program, National Science Councel, Wachington, D.С. ("Справочное пособие по методам испытаний для оценки химических антиобледенителей", SHRP-H/WP-90, Стратегическая программа автодорожных исследований, Национальный ученый совет, Вашингтон, округ Колумбия) (1992).
Согласно AMS 1435 антиобледенительная жидкость должна удалять аккумулированные замороженные осадки инея и льда с рулежных дорожек и взлетно-посадочных полос аэропортов, при этом критерии приемки и методы испытаний должны быть согласованы покупателем и продавцом. Поэтому авторы воспользовались положениями протокола SHRP Н-205.1 из Справочного пособия по методам испытаний для оценки химических антиобледенителей, согласно которому способность антиобледенителя расплавлять лед определяется массой расплавленного льда, содержащегося в определенном объеме, на один грамм твердого антиобледенителя. Проведенное авторами испытание является усовершенствованием метода согласно протоколу SHRP Н-205.1. Это испытание включало следующие операции: (1) налили 20 г дистиллированной деионизованной воды в чашку Петри размером 88×13 мм и заморозили до образования ледяной пластины при заданной температуре: -5°С, -10°С, -15°С и -20°С; (2) выровняли горизонтальность положения ледяной пластины с помощью алюминиевой лопатки, чтобы обеспечить равномерность фронта расплавления и повторного замораживания; (3) хранили образец соли массой 61,7 г в твердой форме в холодильнике при 4-5°С; (4) поместили 10 г водного антиобледенителя на замороженную ледяную пластину; (5) определили массу расплавленного льда путем вычитания массы добавленного водного антиобледенителя из общей массы раствора после истечения предварительно заданного времени: 2, 5, 10 минут и т. д. до полного расплавления льда; и (6) провели по два испытания для каждого антиобледенительного состава.
Экзотермические химические антиобледенительные составы согласно настоящему изобретению используют достоинство экзотермичности ряда выделяющих тепло химических реакций, которые происходят при образовании водного янтарнокислого калия в составе высокоэффективных антиобледенителях двойного действия согласно настоящему изобретению. Как показано на фигуре 1, экзотермичность (b) нейтрализации янтарной кислоты и кумулятивная экзотермичность (с) одновременной гидратации янтарного ангидрида и нейтрализации янтарной кислоты почти мгновенно повышали температуру образующегося раствора янтарнокислого калия до его точки кипения (108-110°С), при этом температурный градиент составлял примерно 7,2°С/секунда. Профиль (а) теплоты растворения гидроксида калия в воде приведен в качестве справки. Дополнительное выделение теплоты в результате гидратации янтарного ангидрида не определено, поскольку нейтрализация янтарной кислоты гидроксидом калия быстро повышает температуру раствора до точки его кипения. Однако охлаждаемая часть температурного профиля указывает на присутствие дополнительного источника теплоты, когда янтарную кислоту заменяют янтарным ангидридом, поскольку выделяющаяся теплота была значительно выше в случае янтарного ангидрида, чем в случае янтарной кислоты. Как показано на фигуре 1, антиобледенители с янтарнокислым калием согласно настоящему изобретению обеспечивают быстрое выделение теплоты для устранения обледенения.
Провели измерения мощности расплавления льда янтарнокислым калием, образующимся при смешивании янтарной кислоты, гидроксида калия, воды и пропиленгликоля. Пропиленгликоль ввели для того, чтобы придать янтарнокислым антиобледенителям способность препятствовать повторному обледенению. Таким образом, водные растворы, содержащие янтарнокислый калий, получили путем смешивания гидроксида калия, янтарной кислоты и воды с пропиленгликолем или без него. Полученные горячие (105-108°С) водные растворы помещали на замороженную ледяную пластину для измерения мощности расплавления льда водными растворами. Мощность расплавления льда водного янтарнокислого калия, содержащего пропиленгликоль, сравнили с мощностью пропиленгликоля, который в настоящее время является основным антиобледенителем для крыльев самолетов.
Как показано на фигуре 9, 50% по массе водный раствор янтарнокислого калия (а) и 50% водный раствор смеси 3:2 по массе янтарнокислого калия и пропиленгликоля (b) имели существенно большие мощности расплавления льда, чем 50% водный раствор пропиленгликоля (с) в температурном диапазоне от -20 до -5°С. Результаты показывают, что янтарнокислые смеси с пропиленгликолем или без пропиленгликоля являются средством для быстрого удаления инея и льда, накапливающихся на крыльях самолетов. Важное достоинство заключается в том, что экзотермические химические антиобледенительные составы согласно настоящему изобретению существенно уменьшают количество пропиленгликоля, используемое для защиты от обледенения крыльев самолетов. Применение пропиленгликоля подвергается все более тщательному надзору со стороны Департамента охраны окружающей среды США. Кроме того, экзотермические химические антиобледенительные составы согласно настоящему изобретению используют природный источник тепла в отличие от электрического нагрева, который применяют для пропиленгликоля перед его нанесением. Это делает экзотермические химические антиобледенительные составы согласно настоящему изобретению еще более экономичными по сравнению с пропиленгликолем.
Как показано выше, безопасноть и совместимость экзотермических химических антиобледенительных составов согласно настоящему изобретению соответствует требованиям AMS 1435 А. Кроме того, показано, что экзотермические химические антиобледенительные составы согласно настоящему изобретению являются существенно более безопасными для крыльев самолетов и наземного применения, чем антиобледенители на формиатной и ацетатной основе, которые в настоящее время используют в аэропортах всего мира.
Данное изобретение описано со ссылками на иллюстративные варианты реализации, однако, следует понимать, что они не ограничивают изобретения. Для специалистов в данной области, ознакомившихся с этим описанием, очевидны дополнительные модификации и варианты реализации в пределах области распространения изобретения. Поэтому настоящее изобретение ограничивается только прилагаемой формулой изобретения.
1. Способ подавления или уменьшения обледенения или образования снега на поверхности, включающий:
(а) смешивание в качестве реагентов янтарной кислоты и/или янтарного ангидрида, а также основания в водном растворе при рН от 4 до 11 с получением соли янтарной кислоты в качестве антиобледенительного состава, при этом указанные реагенты нагревают раствор; и
(б) нанесение нагретого раствора на поверхность для подавления или уменьшения обледенения или снегообразования.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соединения находятся в сухой гранулированной форме и содержатся по меньшей мере в одном контейнере для применения на операции (а).
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве одного из реагентов используют соединение, выбранное из группы, включающей янтарный ангидрид, янтарную кислоту и их смеси.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что основание выбирают из группы, включающей гидроксид щелочного металла, гидроксид щелочноземельного металла, органическое основание и их смеси.
5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что основание выбирают из группы, включающей гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид аммония и их смеси.
6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что раствор, наносимый на операции (б), дополнительно смешивают с антиобледенительным органическим соединением многоатомного спирта.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что многоатомный спирт представляет собой гликоль, который выбирают из группы, включающей этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль и дипропиленгликоль-пропиленгликоль.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что гликоль представляет собой пропиленгликоль.
9. Набор, предназначенный для получения нагретого раствора для расплавления снега и льда, включающий:
(а) по меньшей мере один контейнер, содержащий в качестве реагентов предварительно отмеренное количество янтарной кислоты и/или янтарного ангидрида и предварительно отмеренное количество основания, которые вступают в экзотермическую реакцию для получения соли янтарной кислоты при рН примерно от 4 до 11 при добавлении предварительно определенного количества воды с получением нагретого раствора,
(б) инструкции по смешиванию указанных компонентов с получением нагретого раствора.
10. Набор по п.9, отличающийся тем, что содержит дополнительный контейнер с водой для смешивания с компонентами набора.
11. Набор по п.10, отличающийся тем, что соединения, которые вступают в реакцию, содержатся в отдельных контейнерах, которые продают в форме отдельных блоков.
12. Набор по п.10, отличающийся тем, что между контейнерами установлена перегородка, которая открывается для смешивания содержимого контейнеров.
13. Набор по п.9, отличающийся тем, что соединения находятся в сухой, гранулированной форме.
14. Набор по одному из пп.9, 10, 11, 12 или 13, отличающийся тем, что в качестве одного из реагентов используют соединение, выбранное из группы, включающей янтарный ангидрид, янтарную кислоту и их смеси.
15. Набор по одному из пп.9, 10, 11, 12 или 13, отличающийся тем, что основание выбирают из группы, включающей гидроксид щелочного металла, гидроксид щелочноземельного металла, органическое основание и их смеси.
16. Набор по одному из пп.9, 10, 11, 12 или 13, отличающийся тем, что основание выбирают из группы, включающей гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид аммония и их смеси.
17. Набор по одному из пп.9, 10, 11, 12 или 13, отличающийся тем, что содержит антиобледенительное органическое соединение многоатомного спирта.
18. Набор по п.17, отличающийся тем, что многоатомный спирт представляет собой гликоль, который выбирают из группы, включающей этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль и дипропиленгликоль-пропиленгликоль.
19. Набор по п.17, отличающийся тем, что гликоль представляет собой пропиленгликоль.
20. Набор для продажи, предназначенный для получения нагретого раствора для расплавления снега и льда, в форме отдельных контейнеров, содержащий предварительно отмеренное количество янтарной кислоты и/или янтарного ангидрида и предварительно отмеренное количество основания, которые вступают в экзотермическую реакцию для получения соли янтарной кислоты при рН примерно от 4 до 11 при добавлении предварительно определенного количества воды с получением нагретого раствора.
21. Набор по п.20, отличающийся тем, что используется для получения нагретого раствора, который затем применяют для удаления или уменьшения обледенения на поверхности.
22. Способ получения нагретого раствора для приложения теплоты к поверхности с достижением расплавления льда или снега, включающий:
(а)смешивание в качестве реагентов янтарной кислоты и/или янтарного ангидрида и основания в водном растворе при значениях рН примерно от 4 до 11 с получением соли янтарной кислоты; и
(б) нанесение нагретого раствора таким образом, чтобы приложить теплоту к указанной поверхности с достижением расплавления льда или снега.
23. Способ по п.22, отличающийся тем, что соединения находятся в сухой, гранулированной форме и содержатся по меньшей мере в одном контейнере для применения на операции (а).
24. Способ по п.22, отличающийся тем, что в качестве одного из реагентов используют соединение, выбранное из группы, включающей янтарный ангидрид, янтарную кислоту и их смеси.
25. Способ по п.22 или 23, отличающийся тем, что основание выбирают из группы, включающей гидроксид щелочного металла, гидроксид щелочноземельного металла, органическое основание и их смеси.
26. Способ по п.22 или 23, отличающийся тем, что основание выбирают из группы, включающей гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид аммония и их смеси.
27. Способ по п.22 или 23, отличающийся тем, что антиобледенительное органическое соединение многоатомного спирта смешивают с раствором, наносимым на операции (б).
28. Способ по п.27, отличающийся тем, что многоатомный спирт представляет собой гликоль, который выбирают из группы, включающей этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль и дипропиленгликоль-пропиленгликоль.
29. Способ по п.27, отличающийся тем, что гликоль представляет собой пропиленгликоль.
