研发方法原创 | 科学效应之助熔剂、融雪剂-原理、应用...

作者：孙永伟 博士

DFSS黑带大师

TRIZ大师(五级)

名词解释：什么是助熔剂?

助熔剂指的是能降低其他物质的熔点或凝固点的物质。

它的工作机理是什么?

物质存在的三种形态

一般说来，物质以固态、液态、气态三种状态存在。当物质从固态变成液态的过程叫熔化，反过来，物质从液态变成固态的过程叫做凝固。如固态的冰变成为液态的水是熔化，而反过来，液态的水变成固态的冰就是凝固。微观上来看，当组成固体的分子(或原子)获得了足够的能量(例如温度升高就可以使分子获得更高的能量)，足以克服固体中其他分子的作用力，摆脱固体晶格的束缚的时候，分子可以自由移动，能够相互穿过彼此的位置，分子以液体的形式存在，如此以来，熔化就发生了。反过来，当液体中的分子逐渐损失能量，分子再难以克服其他分子的束缚力，就会发生凝固。

但需要注意的是无论是熔化还是凝固，都是一个动态的过程。以熔化为例，在熔化的过程中，既有固体中的分子摆脱固体晶格的作用到液体中，又有液体中的分子重新被固体晶格中的分子俘获，再次成为固体的一部分。当物体获得更多热量时，就有越来越多的分子获得能量，成为液态，从而促进了熔化的过程。凝固的过程也类似。

凝固和熔解的动态过程

但那都是在理想状况下发生的现象，凡事都有特殊情况。如果在液体中加以扰动，就会阻止液体中的分子与固体中的分子相结合，所以即便温度低于熔点，但还是不会凝固，这也就是为什么流动的水虽然低于零度但仍然不会结冰的原因。这种情况捎带科普一下，并不是本文的重点。

还有一种情况，就是有杂质存在的情况。由于某些杂质的存在，这些杂质的分子(或原子)与固体中的晶格中的分子并不匹配，所以并不容易成为固体的一部分，它们的存在就会阻挡液体中原本要与固体中的分子相结合分子向固体部分移动，使液体中的分子不再那么容易被固体晶格中的分子俘获，成为固体的一部分，这就使平衡更多地向熔化方向移动。所以即使液态温度降低到熔点时，原本要发生凝固的液体不再能够顺利地移动到固态表面，所以仍然不能发生凝固。同理，当固体的温度升高到熔点时，原本要回到固体上的分子也不再能够顺利地移动到固态表面，所以仍然使平衡更多地向熔化方向移动。因此，我们不难理解，这些杂质存在时的熔点(或凝固点)会比正常状态时的熔点(或凝固点)低。我们今天要谈的助熔剂就是这样的“杂质”。

纯水的凝固(熔化)

自左向右为凝固，自右向左为熔化

杂质的存在削弱了分子之间的作用力

有杂质(助熔剂)条件下的凝固(熔化)

基于上面的原理，我们可以看到助熔剂可以起到降低熔点或凝固点的作用。

它有哪些危害?

由于杂质(助熔剂)具有降低凝固点或熔点的作用，当金属中混有杂质时，就会降低金属的熔点，从而影响金属在高温下的机械性能。

它有哪些用途?

由于助熔剂具有降低凝固点或熔点的作用，当液态转变为固态的凝固过程中，它可以使液体在低于凝固点时，仍然不会凝固成为固态，从而迟滞它的凝固;在固态转变为液态的熔化过程中，它还可以使固体在低于熔点的时候就可以熔化，从而加速它的熔化(融化、熔解)。基于这一特性，它有非常多的应用。

1.融雪剂：冬天下雪的时候，路面湿滑，会使行人摔倒，车辆经常会发生交通事故，环卫部门会采取向雪中喷洒融雪剂的方法，降低雪的熔点，使固态的雪在低于零度的条件下仍然能够融化，与常规的自然融化相比，雪的融化速度大大加快了。

2.加速解冻：

在日常生活中， 有很多时间需要快速的解冻。例如，在做饭的时候，通常会把冻肉从冰箱中取出来解冻，但通常花时间比较长，即使用微波炉解冻，仍然存在着解冻不均匀的问题;有的人把冻肉放在水中来解冻，但所需要的时间很长。如果解冻的水中加入一些盐，就可以加速解冻，因为盐可以降低冻肉中冰的熔点，即使温度比较低，但仍然可以变为液态。

3.冰盐浴

在学习中学化学的时候，可能大家比较熟悉水浴加热，因为它有加热均匀、温度控制稳定的特点。但有的时候，也需要均匀、稳定地制冷。例如，某雪糕生产线需要在零下30度下均匀地冷却雪糕的模壳，常用的方法就是用冰盐浴。正常情况下的水在这个温度下是固态的冰，但由于在水中加入了盐或其他物质，就可以降低水的凝固点，即使在零下30度的条件下，仍然会保持液态，从而使雪糕的模壳制冷均匀。

4.防冻液

汽车的发动机需要在冷却的条件下才可以正常工作，大部分发动机采用冷却水来制冷。但冬天的时候，温度比较低，如果停车的时间比较久，冷却水极易结冰，反而会把汽车的散热器胀裂。防冻液中就是在水中添加乙二醇而成。随着添加的比例不同，可以将水的凝固点降到零下六十多度，即它可以在很低的温度下仍然起到冷却水的作用。

5.炼铁助熔剂

钢铁的应用虽然比较早，但最初的铁制品都是利用由陨石产生的自然陨铁来制作的，数量极为稀缺，无法形成规模。早期的可以被大规模应用的金属主要为青铜，原因是青铜的冶炼温度比较低(800度)。而要把铁从矿石中冶炼出来，需要超过铁的熔点达1500多度，这在古代用烧木炭方法是无法达到的。但随着助熔剂的发现，冶铁的温度可以达到1200度以下。由此，人类进入了铁器时代。可以说助熔剂对于推动人类文明的进步起到了非常重要的作用。目前，在炼铁的时候也广泛应用助熔剂，可以大幅降低铁的熔点到900多度，大大节省了能耗。另外，它还可以借助助熔剂，实现在较低温度下的焊接工作。

6.电解铝助熔剂

类似于炼铁中的助熔剂，电解法炼铝的主要原料氧化铝的熔点高达2072℃，导致早期的铝的制作成本非常高，但加入“助熔剂”冰晶石之后，氧化铝在较低温度900多度就可以熔化，然后就可以电解了，同样大大降低了能耗，进而大幅降低了成本。

7.保险丝

在许多电路中，如果通过的电流过大，就需要及时切断电路。一种常用的方法就是保险丝。它是一种由铋、锡、铅、镉组成的合金，熔点可降低到70℃，作为对比，其主要组分铋的熔点为271℃，锡的熔点为232℃，铅的熔点为327℃，镉的熔点为321℃。

8.粉煤灰成分的测量

在某研发项目中，分析测试中心遇到了一个问题，就是要用X射线的方法测量粉煤灰中不同成分的含量，但要求样品是固体的，不能是粉体的。但粉煤灰的熔点非常高，研发团队通过添加助熔剂的方法将粉煤灰在低温下熔化，成为玻璃态的固体，就可以进行分析了。

9.煤气化排渣

煤气化技术是煤化工工业的基础，它将煤炭在高温下形成合成气。其核心是煤炭气化炉，在煤气化过程温度较高，气化后煤炭中的渣是以液态形式排出。添加石灰石助熔剂能够降低渣(煤灰)熔点，使灰渣在较低温度下就可以成为液态，从而改善灰渣流动性。

10.金属钠的制备

助熔剂在电解熔融氯化钠生产金属钠的过程中也可以起到降低熔点的作用。早期通过电解法制得的金属钠，但氯化钠的熔点为801°，熔融氯化钠很难，在氯化钠中加入氯化钙，温度仅为500℃就可以熔融，通过电解在阴极生成金属钠。

11.增塑剂

在工业生产中，经常会用到增塑剂，这是一种高分子材料助熔剂。主要是减弱树脂分子间的次价键，增加树脂分子键的移动性，降低树脂分子的结晶性，降低材料的软化温度，达到增塑的目的。

当然，助熔剂还有许多其他的用途，例如，在水泥生产中，可以降低材料的烧结温度，从而大幅降低燃料的消耗;在玻璃制造领域，它可以促进玻璃原料的熔化。

在我们仅列出了助熔剂有代表性的用途，它的更多用途，还等着喜欢创新方法论的爱好者们去研究、挖掘、应用。

另外，还有许多科学效应可以让我们巧妙、低成本、创造性地解决问题。掌握的科学效应越多，就越能产生创新的解决方案。

1、原创不易，欢迎帮助转发，让更多人了解先进的方法论，提高创新能力。

2、在写本文的过程中，作者查阅了大量的资料，力图用简单的语言讲解，使读者更容易理解。本文收到了RDMI®多位方法论专家们的反馈，指出了本文中的大量不妥之处，在此深表感谢。

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作者简介：

孙永伟，博士，注册六西格玛设计(DFSS)黑带大师，TRIZ五级大师，研发方法理论体系的提出者，对外经济贸易大学国际商学院实践教授，天津大学创新创业导师，TRIZ理论的畅销书《TRIZ打开创新之门的金钥匙I》和《TRIZ打开创新之门的金钥匙II》两本书的作者，目前已经获得授权的发明专利30余项。曾任GE(通用电气)全球研发中心工程师、GE能源集团黑带、GE油气集团项目经理等职。孙博士曾获得中国质量技术领域的全国质量技术奖。经他签发不同类别研发方法论认证证书的专家达5000多人，其中多位已经成为企业研发方法论推进负责人。20多年来，他一直在企业和研究机构的研发第一线，具有丰富的企业内部推进六西格玛和TRIZ等先进研发方法论的经验以及运用这些方法论解决实际问题的能力，曾多次受邀到德国、波兰等欧洲国家及韩国、马来西亚、印度等亚洲各国介绍方法论的推进经验。

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