Antifriz
Antifriz, su bazlı bir sıvının donma noktasını düşüren bir katkı maddesidir. Soğuk ortamlarda donma noktasını düşürmek için bir antifriz karışımı kullanılır. Yaygın antifrizler ayrıca sıvının kaynama noktasını yükselterek daha yüksek soğutma sıvısı sıcaklığı sağlar. Bununla birlikte, tüm yaygın antifriz katkı maddeleri sudan daha düşük ısı kapasitelerine sahiptir ve suya eklendiğinde suyun soğutucu olarak hareket etme kabiliyetini azaltır. ⓘ
Su bir soğutucu olarak iyi özelliklere sahip olduğundan, içten yanmalı motorlarda ve HVAC soğutucular ve güneş enerjili su ısıtıcıları gibi diğer ısı transferi uygulamalarında su artı antifriz kullanılır. Antifrizin amacı, su donduğunda genleşme nedeniyle sert bir muhafazanın patlamasını önlemektir. Ticari olarak, içeriğe bağlı olarak hem katkı maddesi (saf konsantre) hem de karışım (seyreltilmiş çözelti) antifriz olarak adlandırılır. Dikkatli bir antifriz seçimi, karışımın sıvı fazda kaldığı geniş bir sıcaklık aralığını mümkün kılabilir, bu da verimli ısı transferi ve ısı eşanjörlerinin düzgün çalışması için kritik öneme sahiptir. Ayrıca, ısı transferi uygulamalarında kullanılmak üzere tasarlanan ticari antifriz formülasyonlarının tümü olmasa da çoğunun, hidrolik devreyi aşamalı aşınmaya karşı koruyan farklı türde korozyon ve kavitasyon önleyici maddeler içerdiğine dikkat etmek önemlidir. ⓘ
İlkeler ve tarihçe
Su, içten yanmalı motorlar için orijinal soğutma sıvısıydı. Ucuzdur, toksik değildir ve yüksek ısı kapasitesine sahiptir. Ancak sadece 100 °C sıvı aralığına sahiptir ve donduğunda genleşir. Bu sorunlar, gelişmiş özelliklere sahip alternatif soğutucuların geliştirilmesiyle ele alınmaktadır. Donma ve kaynama noktaları, çözünmüş maddelerin konsantrasyonuna bağlı olan bir çözeltinin koligatif özellikleridir. Bu nedenle tuzlar sulu çözeltilerin erime noktalarını düşürür. Tuzlar sıklıkla buz çözme iĢleminde kullanılır, ancak tuz çözeltileri metallerin korozyonuna neden olduğu için soğutma sistemlerinde kullanılmaz. DüĢük molekül ağırlıklı organik bileĢiklerin erime noktaları sudan daha düĢüktür, bu da onları antifriz maddesi olarak kullanıma uygun hale getirir. Organik bileĢiklerin, özellikle de alkollerin sudaki çözeltileri etkilidir. Metanol, etanol, etilen glikol gibi alkoller 1920'lerde ticarileştirildiklerinden beri tüm antifrizlerin temelini oluşturmaktadır. ⓘ
Kullanım ve oluşum
Otomotiv ve içten yanmalı motor kullanımı
Çoğu otomotiv motoru atık ısıyı uzaklaştırmak için "su" ile soğutulur, ancak kullanılan "su" aslında su ve antifriz karışımıdır. Motor soğutma sıvısı terimi, içten yanmalı motorlar için birincil işlevi olan konvektif ısı transferini kapsayan otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Otomotiv bağlamında kullanıldığında, genellikle elektrokimyasal olarak uyumsuz bir dizi metal (alüminyum, dökme demir, bakır, pirinç, lehim, vb.) içeren araç radyatörlerinin korunmasına yardımcı olmak için korozyon önleyiciler eklenir. Su pompası contası yağlayıcısı da eklenir. ⓘ
Antifriz, bir ısı transfer sıvısı olarak suyun eksikliklerinin üstesinden gelmek için geliştirilmiştir. ⓘ
Öte yandan, motor soğutma sıvısı çok ısınırsa, motorun içindeyken kaynayarak boşluklara (buhar cepleri) neden olabilir, bu da lokal sıcak noktalara ve motorun feci şekilde arızalanmasına yol açabilir. Kuzey iklimlerinde motor soğutma sıvısı olarak sade su kullanılması durumunda donma meydana gelecek ve motorda ciddi iç hasara yol açacaktır. Ayrıca, sade su galvanik korozyonun yaygınlığını artıracaktır. Uygun motor soğutma sıvısı ve basınçlı bir soğutma sıvısı sistemi suyun bu eksikliklerini ortadan kaldırır. Uygun antifrizle, damıtılmış suyla seyreltilmiş %50 (hacimce) propilen glikol ve 15 psi basınçlı soğutma sistemi için -34 °F (-37 °C) ila +265 °F (129 °C) gibi geniş bir sıcaklık aralığı motor soğutma sıvısı tarafından tolere edilebilir. ⓘ
İlk motor soğutma sıvısı antifrizi metanol (metil alkol) idi. Daha yüksek kaynama noktası ısıtma sistemleriyle daha uyumlu olduğu için etilen glikol geliştirilmiştir. ⓘ
Diğer endüstriyel kullanımlar
Elektronik soğutmada kullanılan en yaygın su bazlı antifriz çözeltileri su ve etilen glikol (EGW) veya propilen glikol (PGW) karışımlarıdır. Etilen glikolün kullanımı, özellikle otomotiv endüstrisinde daha uzun bir geçmişe sahiptir. Bununla birlikte, otomotiv endüstrisi için formüle edilen EGW solüsyonları genellikle ısı eşanjörü yüzeylerini kaplayabilen ve/veya tıkayabilen silikat bazlı pas önleyicilere sahiptir. Etilen glikol, kullanım ve bertarafında dikkat gerektiren toksik bir kimyasal olarak listelenmiştir. ⓘ
Etilen glikol, yüksek kaynama noktası, düşük donma noktası, geniş bir sıcaklık aralığında kararlılık ve yüksek özgül ısı ve termal iletkenlik gibi arzu edilen termal özelliklere sahiptir. Ayrıca düşük viskoziteye sahiptir ve bu nedenle pompalama gereksinimlerini azaltır. EGW, PGW'den daha fazla istenen fiziksel özelliklere sahip olmasına rağmen, ikinci soğutma sıvısı toksisitenin endişe yaratabileceği uygulamalarda kullanılır. PGW genellikle gıda veya gıda işleme uygulamalarında kullanım için güvenli olarak kabul edilir ve kapalı alanlarda da kullanılabilir. ⓘ
Benzer karışımlar HVAC ve endüstriyel ısıtma veya soğutma sistemlerinde yüksek kapasiteli bir ısı transfer ortamı olarak yaygın şekilde kullanılır. Birçok formülasyonda korozyon önleyiciler bulunur ve pahalı boru ve ekipmanların korozyona uğramasını önlemek için bu kimyasalların yenilenmesi (manuel veya otomatik kontrol altında) beklenir. ⓘ
Biyolojik antifrizler
Antifriz proteinleri, bazı hayvanlar, bitkiler ve diğer organizmalar tarafından üretilen ve buz oluşumunu engelleyen kimyasal bileşikleri ifade eder. Bu şekilde, bu bileşikler konakçı organizmanın suyun donma noktasının çok altındaki sıcaklıklarda çalışmasına izin verir. Antifriz proteinleri, aksi takdirde ölümcül olabilecek buzun büyümesini ve yeniden kristalleşmesini engellemek için küçük buz kristallerine bağlanır. ⓘ
Birincil ajanlar
Etilen glikol
Çoğu antifriz, damıtılmış su ile katkı maddeleri ve genellikle MEG (mono etilen glikol) veya MPG (mono propilen glikol) olan bir baz ürünün karıştırılmasıyla elde edilir. Etilen glikol solüsyonları ilk olarak 1926 yılında piyasaya sürülmüş ve yüksek kaynama noktaları hem yaz aylarında hem de soğuk havalarda kullanım için avantaj sağladığından "kalıcı antifriz" olarak pazarlanmıştır. Günümüzde otomobiller de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için kullanılmaktadır, ancak propilen glikol ile yapılan daha düşük toksisiteli alternatifler mevcuttur. ⓘ
Etilen glikol bir sistemde kullanıldığında, beş organik aside (formik, oksalik, glikolik, glioksalik ve asetik asit) oksitlenebilir. Etilen glikolün oksidasyonunu ve bu asitlerin oluşumunu önlemek için pH'ı tamponlayan ve çözeltinin alkalinitesini koruyan katkı maddeleri içeren inhibe edilmiş etilen glikol antifriz karışımları mevcuttur. Metal üzerindeki korozif saldırıyı önlemek için nitritler, silikatlar, boratlar ve azoller de kullanılabilir. ⓘ
Etilen glikolün acı, tatlı bir tadı vardır ve sarhoşluğa neden olur. Etilen glikolün yutulmasının toksik etkileri, karaciğer tarafından çok daha toksik olan 4 başka kimyasala dönüştürülmesi nedeniyle ortaya çıkar. Saf etilen glikolün öldürücü dozu 1,4 ml/kg'dır (3 ABD sıvı onsu (90 ml) 140 kiloluk (64 kg) bir kişi için öldürücüdür) ancak bir saat içinde tedavi edilirse çok daha az öldürücüdür. (bkz. Etilen glikol zehirlenmesi). ⓘ
Propilen glikol
Propilen glikol, etilen glikolden önemli ölçüde daha az toksiktir ve "toksik olmayan antifriz" olarak etiketlenebilir. Gıda işleme sistemleri veya evlerdeki su boruları gibi etilen glikolün uygunsuz olacağı yerlerde antifriz olarak kullanılır ve tesadüfen yutulması mümkün olabilir. Örneğin, ABD FDA propilen glikolün dondurma, dondurulmuş muhallebi, salata sosları ve unlu mamuller dahil olmak üzere çok sayıda işlenmiş gıdaya eklenmesine izin vermektedir ve elektronik sigaralarda kullanılan "e-sıvı "nın ana bileşeni olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Propilen glikol laktik aside oksitlenir. ⓘ
Soğutma sistemi korozyonunun yanı sıra biyolojik kirlenme de meydana gelir. Bakteriyel balçık büyümeye başladığında, sistemin korozyon oranı artar. Glikol çözeltisi kullanan sistemlerin bakımı donmaya karşı koruma, pH, özgül ağırlık, inhibitör seviyesi, renk ve biyolojik kirlenmenin düzenli olarak izlenmesini içerir. ⓘ
Propilen glikol kırmızımsı bir renge dönüştüğünde değiştirilmelidir. Bir soğutma veya ısıtma sistemindeki sulu propilen glikol çözeltisi kırmızımsı veya siyah bir renk aldığında, bu durum sistemdeki demirin önemli ölçüde korozyona uğradığını gösterir. İnhibitörlerin yokluğunda, propilen glikol oksijen ve metal iyonlarıyla reaksiyona girerek organik asitler (örn. formik, oksalik, asetik) dahil olmak üzere çeşitli bileşikler oluşturabilir. Bu asitler sistemdeki metallerin korozyonunu hızlandırır. ⓘ
Diğer antifrizler
Propilen glikol metil eter dizel motorlarda antifriz olarak kullanılır. Glikolden daha uçucudur. ⓘ
Bir zamanlar otomotiv antifrizi için kullanılan gliserol, toksik olmama, nispeten yüksek sıcaklıklara dayanma ve aşındırıcı olmama avantajına sahiptir. Ancak yaygın olarak kullanılmamaktadır. Gliserol, etilen glikol ile değiştirilmeden önce tarihsel olarak otomotiv uygulamaları için antifriz olarak kullanılmıştır. Gliserolün birçok sprinkler sisteminde antifriz olarak kullanılması zorunludur. ⓘ
Donma noktasının ölçülmesi
Antifriz suyla karıştırılıp kullanılmaya başlandıktan sonra periyodik olarak bakımının yapılması gerekir. Motor soğutma sıvısı sızıntı yaparsa, kaynarsa veya soğutma sisteminin boşaltılıp yeniden doldurulması gerekirse, antifrizin donmaya karşı korumasının dikkate alınması gerekecektir. Diğer durumlarda bir aracın daha soğuk bir ortamda çalıştırılması gerekebilir, bu da daha fazla antifriz ve daha az su gerektirir. Konsantrasyonu ölçerek çözeltinin donma noktasını belirlemek için yaygın olarak üç yöntem kullanılır:
- Özgül ağırlık - (hidrometre test şeridi veya bir çeşit yüzer gösterge kullanarak),
- Refraktometre - antifriz çözeltisinin kırılma indisini ölçer ve
- Test şeritleri - bu amaç için üretilmiş özel, tek kullanımlık göstergeler. ⓘ
Hem özgül ağırlık hem de kırılma indisi sıcaklıktan etkilenir, ancak birincisi çok daha az felaketle etkilenir. Yine de RI ölçümü için sıcaklık kompanzasyonu önerilir. Propilen glikol çözeltileri, belirsiz sonuçlar nedeniyle özgül ağırlık kullanılarak test edilemez (%40 ve %100 çözeltiler aynı özgül ağırlığa sahiptir), ancak tipik kullanımlar nadiren %60 konsantrasyonu aşar. ⓘ
Kaynama noktası benzer şekilde üç yöntemden birinden verilen bir konsantrasyonla belirlenebilir. Glikol/su soğutma sıvısı karışımları için veri sayfaları genellikle kimyasal satıcılarından temin edilebilir. ⓘ
Korozyon önleyiciler
Ticari antifriz formülasyonlarının çoğu korozyon önleyici bileşikler ve tanımlamaya yardımcı olmak için renkli bir boya (genellikle floresan yeşil, kırmızı, turuncu, sarı veya mavi) içerir. Genellikle su ile 1:1 oranında seyreltme kullanılır ve formülasyona bağlı olarak yaklaşık -34 °F (-37 °C) donma noktası elde edilir. Daha sıcak veya daha soğuk bölgelerde, sırasıyla daha zayıf veya daha güçlü seyreltmeler kullanılır, ancak korozyon koruması sağlamak için sıklıkla %40/%60 ila %60/%40 aralığı ve -84 °F'ye (-64 °C) kadar maksimum donma önleme için %70/%30 aralığı belirtilir. ⓘ
Bakım
Sızıntı olmaması durumunda, etilen glikol veya propilen glikol gibi antifriz kimyasalları temel özelliklerini süresiz olarak koruyabilir. Buna karşın, korozyon önleyiciler yavaş yavaş tükenir ve zaman zaman yenilenmeleri gerekir. Daha büyük sistemler (HVAC sistemleri gibi) genellikle korozyon önleyicilerin eklenmesi ve soğutma sıvısı bileşiminin düzenlenmesi sorumluluğunu üstlenen uzman firmalar tarafından izlenir. Basitlik açısından, çoğu otomotiv üreticisi korozyon önleyicileri aynı anda yenilemek ve biriken kirleticileri gidermek için motor soğutma suyunun periyodik olarak tamamen değiştirilmesini önermektedir. ⓘ
Geleneksel inhibitörler
Geleneksel olarak, araçlarda kullanılan iki ana korozyon inhibitörü vardı: silikatlar ve fosfatlar. Amerikan yapımı araçlarda geleneksel olarak hem silikatlar hem de fosfatlar kullanılırdı. Avrupa yapımı araçlar silikat ve diğer inhibitörleri içerir, ancak fosfat içermez. Japon yapımı araçlarda geleneksel olarak fosfat ve diğer inhibitörler kullanılır, ancak silikat kullanılmaz. ⓘ
Organik asit teknolojisi
Bazı otomobiller organik asit teknolojisi (OAT) antifriz (örneğin DEX-COOL) veya hibrit organik asit teknolojisi (HOAT) formülasyonu (örneğin Zerex G-05) ile üretilmiştir ve her ikisinin de beş yıl veya 240.000 km (150.000 mil) daha uzun hizmet ömrüne sahip olduğu iddia edilmektedir. ⓘ
DEX-COOL özellikle tartışmalara neden olmuştur. Davalar, General Motors'un (GM) 3.1L ve 3.4L motorlarındaki emme manifoldu contası arızalarıyla ve 3.8L ve 4.3L motorlardaki diğer arızalarla ilişkilendirilmiştir. Sodyum veya potasyum 2-etilheksanoat ve etilheksanoik asit olarak sunulan korozyon önleyici bileşenlerden biri naylon 6,6 ve silikon kauçuk ile uyumsuzdur ve bilinen bir plastikleştiricidir. Bu iddialardan bazılarını ele almak üzere ABD'nin çeşitli eyaletlerinde ve Kanada'da toplu davalar açılmıştır. Bunlardan bir karara varılan ilk dava Missouri'de açılmış ve Aralık 2007'nin başlarında bir uzlaşmaya varıldığı duyurulmuştur. Mart 2008'in sonlarında GM geri kalan 49 eyaletteki şikayetçilere tazminat ödemeyi kabul etti. GM (Motors Liquidation Company) 2009 yılında iflas başvurusunda bulundu ve bu da mahkeme kimin ödeme alacağını belirleyene kadar ödenmemiş talepleri bağladı. ⓘ
DEX-COOL üreticisine göre, "'yeşil' [OAT olmayan] bir soğutma sıvısının DEX-COOL ile karıştırılması, partinin değişim aralığını 2 yıla veya 30.000 mile düşürür, ancak bunun dışında motora hiçbir zarar vermez". DEX-COOL antifriz iki inhibitör kullanmaktadır: sebacate ve 2-EHA (2-ethylhexanoic acid), bunlardan ikincisi Amerika Birleşik Devletleri'nde bulunan sert su ile iyi çalışmaktadır, ancak contaların sızdırmasına neden olabilecek bir plastikleştiricidir. ⓘ
GM'nin dahili belgelerine göre, nihai suçlu araçların uzun süre düşük soğutma sıvısı seviyelerinde çalıştırılması gibi görünmektedir. Düşük soğutma sıvısı, açık konumda arızalanan basınç kapaklarından kaynaklanmaktadır. (Yeni kapaklar ve geri kazanım şişeleri DEX-COOL ile aynı zamanda piyasaya sürülmüştür). Bu durum sıcak motor parçalarını havaya ve buhara maruz bırakarak korozyona ve soğutma sıvısının demir oksit parçacıklarıyla kirlenmesine neden olur, bu da kirlenme kapakları kalıcı olarak açık tuttuğundan basınç kapağı sorununu daha da kötüleştirebilir. ⓘ
Honda ve Toyota'nın yeni uzun ömürlü soğutma sıvısı sebasatlı OAT kullanır, ancak 2-EHA içermez. Eklenen bazı fosfatlar OAT birikirken koruma sağlar. Honda özellikle 2-EHA'yı formüllerinden çıkarmıştır. ⓘ
Tipik olarak, OAT antifriz, geleneksel glikol bazlı soğutuculardan (yeşil veya sarı) ayırt etmek için turuncu bir boya içerir, ancak bazı OAT ürünleri kırmızı veya leylak rengi bir boya içerebilir. Bazı yeni OAT soğutma sıvıları tüm OAT ve glikol bazlı soğutma sıvılarıyla uyumlu olduğunu iddia eder; bunlar tipik olarak yeşil veya sarı renklidir. ⓘ
Hibrit organik asit teknolojisi
HOAT soğutma sıvıları tipik olarak bir OAT ile geleneksel bir inhibitörü, genellikle silikatları karıştırır. ⓘ
Benzoat inhibitörü içeren düşük silikatlı, fosfat içermeyen bir formül olan Zerex G05 buna bir örnektir. ⓘ
Bir HOAT soğutma sıvısı 10 yıl / 180.000 mil gibi yüksek bir kullanım ömrüne sahip olabilir. ⓘ
Fosfat hibrid organik asit teknolojisi
P-HOAT soğutma sıvıları fosfatları HOAT ile karıştırır. Bu teknoloji tipik olarak Asya markalarında kullanılır ve genellikle kırmızı veya maviye boyanır. ⓘ
Silikat hibrid organik asit teknolojisi
Si-OAT soğutma sıvıları silikatları HOAT ile karıştırır. Bu teknoloji genellikle Avrupa markalarında kullanılır ve genellikle pembeye boyanır. ⓘ
Katkı maddeleri
Yeni organik asit (OAT antifriz) formülasyonları da dahil olmak üzere tüm otomotiv antifriz formülasyonları, yağlayıcılar, tamponlar ve korozyon önleyiciler de dahil olmak üzere katkı maddelerinin (yaklaşık %5) karışımı nedeniyle çevre açısından tehlikelidir. Antifrizdeki katkı maddeleri tescilli olduğundan, üretici tarafından sağlanan güvenlik bilgi formları (SDS) yalnızca üreticinin tavsiyelerine uygun olarak kullanıldığında önemli güvenlik tehlikeleri olduğu düşünülen bileşikleri listeler. Yaygın katkı maddeleri arasında sodyum silikat, disodyum fosfat, sodyum molibdat, sodyum borat, denatonyum benzoat ve dekstrin (hidroksietil nişasta) bulunmaktadır. ⓘ
Disodyum floresan boya, sızan miktarları diğer araç sıvılarından görsel olarak ayırt etmek için geleneksel etilen glikol formüllerine eklenir ve uyumsuz türlerden ayırt etmek için bir tür belirteci olarak kullanılır. Bu boya, gün ışığından veya test lambalarından gelen mavi veya UV ışıkla aydınlatıldığında parlak yeşil renkte floresan verir. ⓘ
Otomotiv antifrizi, bir korozyon önleyici olan tolyltriazole katkısı nedeniyle karakteristik bir kokuya sahiptir. Endüstriyel kullanımdaki tolyltriazole'deki hoş olmayan koku, tolyltriazole üretiminde yan ürünler olan toluidin izomerlerinden (orto-, meta- ve para-toluidin) ve meta-diamino toluenden oluşan üründeki safsızlıklardan kaynaklanır. Bu yan ürünler oldukça reaktiftir ve hoş olmayan kokudan sorumlu olan uçucu aromatik aminler üretir. ⓘ