Herstellung und Verwendung von Frostschutzmitteln

1. Frostschutz-Rohstoffe

Frühe Verbrennungsmotoren verwendeten Wasser als Kühlmittel, weil es billig, reichlich vorhanden und gut in der Wärmeübertragung war. Allerdings hatte Wasser mehrere Nachteile:

1. Es kann zur Korrosion von Metallteilen im Kühlsystem führen.
2. Es hat einen hohen Gefrierpunkt.
3. Beim Gefrieren dehnt es sich um etwa 9-10 % aus. Dadurch können Motorblock, Wasserpumpe und Kühler beschädigt werden.

Um diese Probleme anzugehen, wurden Frostschutzmittel und Korrosionsinhibitoren hinzugefügt. Wasser hat einen relativ niedrigen Siedepunkt (100 °C), daher werden Druckkappen verwendet, um den Siedepunkt des Kühlmittels zu erhöhen.

Der maximale Druck wird jedoch durch die Materialien begrenzt, aus denen das Kühlsystem besteht, insbesondere durch den Kühler und die Lötstellen. Durch die Zugabe von Ethylenglykol zum Kühlmittel wird dessen Siedepunkt erhöht, sodass niedrigere Drücke verwendet werden können, um höhere Kühlmitteltemperaturen zu erreichen.

Als in den 1920er Jahren die Zahl der Autos in den Vereinigten Staaten von 7,5 Millionen auf 26,5 Millionen anstieg, stieg auch die Nachfrage nach Frostschutzmitteln. Denaturiertes Ethanol wurde populär, weil es billig und reichlich vorhanden war und den Gefrierpunkt von Wasser gut senken konnte.

Glycerin wurde manchmal auch als Frostschutzmittel verwendet, war aber nicht immer verfügbar. In einigen Teilen der Vereinigten Staaten wurden Calciumchlorid und andere Salzlösungen als Motorkühlmittel ausprobiert, aber sie waren zu ätzend.

Es wurden auch Honig, Zuckerlösungen und sogar Kerosin und andere Kohlenwasserstofföle ausprobiert, aber keines davon fand breite Anwendung. Ethandiol erwies sich in den 1920er Jahren als gutes Frostschutzmittel, wurde jedoch zunächst nicht weit verbreitet, da es nicht immer verfügbar war.

Vor dem Zweiten Weltkrieg (1940) waren Ethanol, synthetisches Methanol und Ethylenglykol die wichtigsten verfügbaren Frostschutzmittel. Auf diese drei Wirkstoffe entfielen 90 % des Frostschutzmittelverbrauchs in den Vereinigten Staaten.

Die anderen 10 % bestanden aus den Holznebenprodukten Methanol, Glycerin und 2-Propanol. Die Wahl des Frostschutzmittels basierte eher auf der Verfügbarkeit als auf den Kosten oder der Leistung.

Nach dem Zweiten Weltkrieg (1945) stieg die Zahl der Autos in den Vereinigten Staaten und Westeuropa und damit auch die Nachfrage nach Frostschutzmitteln. Zu dieser Zeit dominierten Kühlmittel auf Methanol- und Ethandiolbasis den Markt.

Kühlmittel auf Methanolbasis erreichten ihren Höhepunkt in den frühen 1950er Jahren. Automobilhersteller begannen, Ethandiol in Neuwagen zu verwenden, und in den frühen 1970er Jahren war es das einzige Frostschutzmittel, das in Neuwagen verwendet wurde. Auch der gesamte Ersatzmarkt für Kfz-Kühlmittel wurde auf Ethylenglykol umgestellt.

Bis 1960 hatte Ethandiol über 80 % des Marktanteils erobert. In einigen stationären Motoren und älteren Fahrzeugen wurden noch Kühlmittel auf Methanolbasis verwendet, die jedoch immer weniger beliebt waren.

Der Hauptgrund dafür, dass Kühlmittel auf Methanolbasis in Autos durch Ethandiol ersetzt wurden, war, dass Ethandiol höhere Betriebstemperaturen des Kühlmittels ermöglichte. Dies war wichtig für eine effiziente Raumheizung im Fahrzeuginnenraum bei kaltem Wetter und führte auch zu geringfügigen Verbesserungen der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs.

1,2-Propandiol, allgemein bekannt als Propylenglykol, wird als Wärmeübertragungsflüssigkeit in Systemen verwendet, in denen die Toxizität des Frostschutzmittels ein Problem darstellt. Beispiele hierfür sind einige aktive Solarenergiekollektoren, Kühlsysteme für Motoren, die Trinkwasserquellen nutzen, sowie Gefrier- und Kühlsysteme für Lebensmittel und Milchprodukte.

1,2-Propandiol wird in einigen europäischen Ländern (z. B. der Schweiz) auch als Frostschutzmittel für Kraftfahrzeuge verwendet, da es bei versehentlicher Einnahme weniger schädlich für Menschen, insbesondere Kinder, ist.

1-Methoxy-2-propanol wird auch als Frostschutzmittel verwendet, vor allem in Kühlsystemen mit starker Hitze und in Hochleistungs-Dieselmotoren. 1-Methoxy-2-propanol und Wasser bilden ein Azeotrop, das in der Dampfphase bei überschwänglichen Kühlanwendungen einen Frostschutz bietet.

Frostschutzmittel auf 1-Methoxy-2-propanol-Basis werden in Hochleistungsdieselmotoren und anderen Industriemotoren verwendet, bei denen ein Kühlmittelaustritt in das Kurbelgehäuse ein Problem darstellt.

Da Ethandiol eine geringe Flüchtigkeit aufweist, verbleibt es tendenziell im Kurbelgehäuse, was zu Schlamm- und Lackbildung und beschleunigtem Lagerverschleiß führen kann. Im Gegensatz dazu ist 1-Methoxy-2-propanol flüchtiger und wird zusammen mit Wasserdampf leicht durch das Kurbelgehäuseentlüftungssystem ausgestoßen.

1-Methoxy-2-propanol hält im Vergleich zu Kühlmitteln auf Glykolbasis auch niedrigere Metalltemperaturen aufrecht, was bei Rotationsmotoren von Vorteil war. Mit dem Niedergang der Wankelmotoren hat dieser Vorteil jedoch an Bedeutung auf dem Markt verloren.

2. Physikalische Eigenschaften von Frostschutzmitteln

Frostschutzmittel-Wasser-Gemische gefrieren und sieden anders als reines Wasser oder reines Frostschutzmittel. Wenn diese Mischungen gefrieren, kristallisiert zuerst das Wasser, wodurch sich die verbleibende Flüssigkeit stärker im Frostschutzmittel konzentriert und der Gefrierpunkt sinkt. Dadurch entsteht eine matschige Mischung, die kälteren Temperaturen standhält als reines Wasser oder reines Frostschutzmittel.