Огляд методів вимірювання в’язкості
Вимірювання в'язкості нафтопродуктів
Абсолютна та кінематична в'язкість
При вплив на рідину зовнішніх сил вона пручається потоку завдяки внутрішньому тертю. В'язкість – міра цього внутрішнього тертя.
Кінематична в'язкість - міра потоку, що має опір рідини під впливом сили тяжіння. Коли дві рідини рівного об'єму поміщені в ідентичні капілярні віскозиметри і рухаються самопливом, в'язкій рідині потрібно більше часу для протікання через капіляр. Якщо однієї рідини потрібно для витікання 200 секунд, а інший - 400 секунд, друга рідина вдвічі більш в'язка ніж перша за шкалою кінематичної в'язкості.
Абсолютна в'язкість, іноді звана динамічною або простою в'язкістю, є твором кінематичної в'язкості та щільності рідини: Абсолютна в'язкість = Кінематична в'язкість * Щільність.
Розмірність кінематичної в'язкості - L2/T, де L - довжина, і T - час. Зазвичай використовується сантістокс (cSt). Одиниця СІ кінематичної в'язкості - mm2/s, що дорівнює 1 cSt. Абсолютна в'язкість виявляється у сантипуазах (сПуаз). Одиниця СІ абсолютної в'язкості - міліпаскаль-секунда (mPa-s), де 1 спуаз = 1 mPa-s.
Інші загальноприйняті, але застарілі одиниці кінематичної в'язкості – Універсальні Секунди Сейболту (SUS) та Фуранові Секунди Сейболту (SFS). Ці одиниці можуть бути перетворені на сантистокси згідно з інструкціями, наведеними в ASTM D 2161.
Ньютонівські та неньютонівські рідини
Залежність, у якій в'язкість є константою незалежно від напруги чи швидкості зсуву, називається законом в'язкості Ньютона. Закону в'язкості Ньютона підпорядковуються більшістьзвичайних розчинників, мінеральні основні олії, синтетичні основні олії, повністю синтетичні однокомпонентні олії. Вони називаються ньютонівськими рідинами.
Неньютоновские - рідини може бути визначено як, котрим в'язкість не константа, а змінюється залежно від швидкості зсуву чи напруги зсуву, у якому вимірюється. Більшість сучасних моторних масел - мають властивість мультив'язкості, і виготовлені із застосуванням високомолекулярних полімерів, званими модифікаторами в'язкості. В'язкість таких масел зменшується зі збільшенням швидкості зсуву. Вони називаються «рідинами, що розріджуються при зсуві» (shear-thinning), що стають тоншими зрушенням рідинами (газами). Прикладами інших неньютонівських рідин є фарба для стель, притиральна паста і гумовий цемент.
Методи вимірювання в'язкості
Віскозиметри можна класифікувати за трьома основними типами: 1. Капілярні віскозиметри вимірюють витрату фіксованого об'єму рідини через малий отвір при контрольованій температурі. Швидкість зсуву можна виміряти приблизно від нуля до 106 с-1, замінюючи капілярний діаметр та доданий тиск. Типи капілярних віскозиметрів та їх режими роботи: Скляний капілярний віскозиметр (ASTM D 445) — Рідина проходить через отвір діаметра, що встановлюється, під впливом сили тяжіння. Швидкість зсуву - менше 10 с-1. Кінематична в'язкість всіх автомобільних олій вимірюється капілярними віскозиметрами.
Капілярний віскозиметр високого тиску (ASTM D 4624 і D 5481) - Фіксований об'єм рідини видавлюється через скляний капіляр діаметра під дією тиску газу. Швидкість зсуву може бути змінена до 106-1. Ця методика зазвичай використовується, щоб моделюватив'язкість моторних масел у робочих корінних підшипниках. Ця в'язкість називається в'язкістю при високій температурі і високому зсуві (HTHS) і вимірюється при 150 oC і 106 с-1. HTHS в'язкість вимірюється також імітатором конічного підшипника, ASTM D 4683 (див. нижче).
2. Ротаційні віскозиметри використовують для вимірювання опору рідини течії крутний момент на валі, що обертається. До ротаційних віскозиметрів відносяться імітатор холодного прокручування двигуна (CCS), мініротаційний віскозиметр (MRV), віскозиметр Брукфільда та імітатор конічного підшипника (TBS). Швидкість зсуву може бути змінена за рахунок зміни габаритів ротора, зазору між ротором та стінкою статора та частоти обертання.
Імітатор холодного прокручування (ASTM D 5293) - CCS вимірює в'язкість в діапазоні від 500 до 200000 сПуаз. Швидкість зсуву розташовується між 104 та 105 c-1. Нормальний діапазон робочої температури – від 0 до -40 oC. CCS показав чудову кореляцію з запуском двигуна при низьких температурах. Класифікація в'язкості SAE J300 визначає низькотемпературну в'язкісну ефективність моторних масел межами CCS і MRV.
Мініроторний віскозиметр (ASTM D 4684) - тест MRV, який пов'язаний з механізмом прокачування олії, є вимірюванням при низькій швидкості зсуву. Головна особливість методу – повільна швидкість охолодження зразка. Зразок готується так, щоб мати певну теплову передісторію, яка включає нагрівання, повільно охолодження та цикли просочення. MRV вимірює уявну залишкову напругу, яка, якщо більше ніж граничне значення, вказує на потенційну проблему відмови прокачування, пов'язану з проникненням повітря. Вище деякої в'язкості (в даний час визначеної як 60000 сПуаз SAE J 300), масло можебути викликати відмову прокачування по механізму, що називається "ефект обмеженого потоку". Олія SAE 10W, наприклад, повинна мати максимальну в'язкість 60000 сПуаз при -30 o C без залишкової напруги. За допомогою цього методу вимірюють також в'язкість, що здається, при швидкостях зсуву від 1 до 50 c-1. Віскозиметр Брукфільда - визначає в'язкість у широких межах (від 1 до 105 Пуаз) при низькій швидкості зсуву (до 102 c-1).
ASTM D 2983 використовується насамперед для визначення низькотемпературної в'язкості автомобільних трансмісійних масел, мастил для автоматичних трансмісій гідравлічних та тракторних масел. Температура – випробувань знаходиться в діапазоні від -5 до -40 o C.
ASTM D 5133, метод сканування Брукфільда, вимірює в'язкість зразка за Брукфільдом, при охолодженні з постійною швидкістю 1 o C/год. Подібно до MRV, метод ASTM D 5133 призначений для визначення прокачування масла при низьких температурах. За допомогою цього випробування визначається точка структуроутворення, визначена як температура, при якій зразок досягає в'язкості 30,000 сПуаз. Визначається також індекс (показник) структуроутворення як найбільша швидкість збільшення в'язкості від -5oC до найнижчої випробувальної температури. Цей метод знаходить застосування для моторних масел і вимагається згідно ILSAC GF-2.
Імітатор конічного підшипника (ASTM D 4683) - ця методика також дозволяє вимірювати в'язкість моторних масел при високій температурі та високій швидкості зсуву (див. Капілярний Віскозиметр високого тиску). Високі швидкості зсуву виходять за рахунок надзвичайно малого зазору між ротором і стінкою статора.
3. Різноманітні прилади використовують багато інших принципів; наприклад, час падіння сталевої кульки або голки в рідині, опірвібрації зонда, та тиску, що додається до зонда поточною рідиною.
Індекс в'язкості
Індекс в'язкості (ІВ) - емпіричне число, що вказує на ступінь зміни у в'язкості масла в межах даного діапазону температур. Високий ІВ означає відносно невелику зміну в'язкості з температурою, а низький ІВ означає велику зміну в'язкості з температурою. Більшість мінеральних основних масел має ШВ між 0 і 110, але ШВ полімеровмісного масла (multigrage) часто перевищує 110.
Для визначення індексу в'язкості потрібно визначити кінематичну в'язкість при 40oC та 100oC. Після цього ІВ визначають з таблиць ASTM D 2270 або ASTM D 39B. Оскільки ІВ визначається з в'язкості при 40oC і 100oC, він не пов'язаний з низькотемпературною або HTHS в'язкістю. Ці значення одержують за допомогою CCS, MRV, низькотемпературного віскозиметра Брукфільда та віскозиметрів високої швидкості зсуву.
SAE не використовує ВЕРБ, для класифікації моторних масел починаючи з 1967, тому що цей термін технічно застарів. Однак, методика Американського нафтового інституту API 1509 описує систему класифікації основних масел, використовуючи ІВ як один із кількох параметрів, щоб забезпечити принципи взаємозамінності масел та універсалізацію шкали в'язкості.
Основні типи модифікаторів в'язкості
Хімічна структура та розмір молекул – найважливіші елементи молекулярної архітектури модифікаторів в'язкості. Є багато типів модифікаторів в'язкості, вибір залежить від специфічних обставин.
Всі модифікатори в'язкості, що випускаються сьогодні, складаються з аліфатичних вуглецевих ланцюжків. Основні структурні відмінності перебувають у бічних групах, які й хімічно, і за розміром. Ці зміни у хімічній структурі забезпечують різнівластивості модифікаторів в'язкості типу масел, такі як здатність до загусання, залежність в'язкості від температури, окисна стабільність та характеристики економії палива.
Поліізобутилен (PIB або полібутен) — переважні модифікатори в'язкості наприкінці 1950-х, відтоді PIB модифікатори були замінені модифікаторами інших типів, тому що вони зазвичай не забезпечують задовільну роботу за низьких температур і дизельних двигунів. Однак, низькомолекулярні PIB все ще широко використовуються в автомобільних трансмісійних маслах. Поліметилакрилат (PMA) - PMA модифікатори в'язкості містять алкільні бічні ланцюжки, які перешкоджають утворенню кристалів воску в маслі, таким чином забезпечуючи чудові властивості при низькій температурі.
Олефінові сополімери (OCP) - OCP модифікатори в'язкості широко використовуються для моторних масел завдяки їх низькій вартості та задовільній моторній ефективності. Випускаються різні OCP, відмінні головним чином молекулярної ваги і відношенню етилену до пропілену.
Складні ефіри кополімеру стиролу та малеїнового ангідриду (стиролові ефіри) - стиролові ефіри - мультифункціональні модифікатори в'язкості високої ефективності. Комбінація різних алкільних груп надає маслам, що містять такі добавки, чудові властивості при низькій температурі. Пральні модифікатори в'язкості використовувалися в оліях для енергозберігаючих двигунів і, як і раніше, використовуються в трансмісійних оліях для автоматичних коробок передач.
Насичені стиролдієнові кополімери — модифікатори на основі гідрогенізованих сополімерів стиролу з ізопреном або бутадієном сприяють економії палива, хорошими характеристиками в'язкості при низьких температурах і вискокотемпературними.властивостями.
Насичені радіальні полістироли (STAR) - модифікатори на основі гідрогенізованих радіальних полістирольних модифікаторів в'язкості показують хороший опір зсуву за відносно низької вартості обробки, порівняно з іншими типами в'язкості модифікаторів. Їхні властивості при низькій температурі подібні до властивостей модифікаторів OCP.