شاخص ویسکوزیته و اهمیت آن در عملکرد روان­ کننده­ ها

ویسکوزیته به مقاومت یک سیال در برابر جریان یافتن اشاره دارد. ویسکوزیته بالاتر نشان دهنده سیال غلیظ­تر است که منجر به جریان آهسته­تر می­شود. تغییرات ویسکوزیته با دما برای ارائه محافظت موثر و عملکرد مناسب در شرایط مختلف حائز اهمیت است. شاخص ویسکوزیته (VI) یک معیار عددی بدون بعد است که نشان می­دهد ویسکوزیته یک روان­کننده چقدر با تغییرات دما تغییر می­کند. این شاخص امکان مقایسه موثرتری از رفتار ویسکوزیته روغن­های مختلف را با تغییر دما فراهم می­کند VI .بالاتر نشان می­دهد که روان­کننده به طور مداوم ویسکوزیته خود را در طیف وسیعی از دماها حفظ می­کند، که برای کاربردهای مختلف مانند موتورها یا سیستم­های هیدرولیک مفید است.

تاریخچه

از آنجایی که ماشین­آلات به یک ویسکوزیته خاص نیاز دارند و دما عامل اصلی موثر بر تغییرات ویسکوزیته روغن است، درک چگونگی تغییر ویسکوزیته با دما بسیار مهم است. شاخص ویسکوزیته برای رفع این نیاز (ASTM D2270) توسط دین و دیویس در سال 1929 ایجاد شد. در آن زمان، روغن‌های چند درجه‌ای (multi grade) و روغن‌های سینتتیک در دسترس نبودند. دو نقطه مرجع برای مقیاس VI در نظر گرفته شد. روغن‌هایی که حداقل تغییرات ویسکوزیته را با تغییرات دما نشان می‌دهند ]از نفت خام پنسیلوانیا تصفیه شده و از روغن پارافینی تشکیل شده‌اند[، به عنوان شاخص ویسکوزیته بالا (HVI) در نظر گرفته شده و در انتهای بالایی مقیاس قرار ‌گرفتند. به این روغن­ها  VI برابر با 100 اختصاص داده شد که نشان‌دهنده بهترین شاخص ویسکوزیته است. در مقابل، روغن‌هایی که تغییرات ویسکوزیته قابل توجهی را متحمل می‌شوند ]از نفت خام تگزاس گلف تصفیه شده و از روغن نفتنیک تشکیل شده‌اند[، به عنوان روغن‌های با شاخص ویسکوزیته پایین (LVI) در نظر گرفته شده و نمایانگر انتهای پایینی هستند که VI برابر با 0 به معنی نامطلوب‌ترین VI به آن‌ها اختصاص داده شده است. این مقادیر VI مربوط به روغن­های معدنی بود. روغن­های روان­کننده در مقایسه با این مراجع ارزیابی شدند. به روغن‌های مشابه روغن‌های پارافینیک، شاخص ویسکوزیته ۱۰۰ و به روغن‌های مشابه روغن‌های نفتنیک، شاخص ویسکوزیته ۰ داده می‌شد. به روغن‌هایی که بین این دو قرار داشتند، شاخص ویسکوزیته تقریباً ۵۰ داده می‌شد. پیشرفت­های بعدی و توسعه انواع روغن پایه جدید و افزودنی‌های خاص، افزایش مقادیر شاخص ویسکوزیته را فراتر از عدد ۱۰۰ امکان‌پذیر ساخت.

در سیستم‌های شاخص ویسکوزیته اولیه، اندازه‌گیری ویسکوزیته در دمای ^°F ۱۰۰ و ^°F ۲۱۰ انجام می‌شد که معادل ^°C ۳۷.۷۸ و ^°C ۹۸.۸۹ است. مقیاس فارنهایت هنوز هم معمولاً در مناطقی مانند منطقه آنگلو-آمریکایی استفاده می‌شود. در حال حاضر، اندازه‌گیری‌ها در دمای ^°C ۴۰ و ^°C ۱۰۰ رایج‌تر است. در ابتدا، ویسکوزیته بر اساس واحد جهانی سایبولت (SUS) اندازه‌گیری می‌شد، اما امروزه، ویسکوزیته سینماتیک برای محاسبات شاخص ویسکوزیته بر اساس mm²/s اندازه‌گیری می‌شود.

درک رفتار ویسکوزیته-دما در روغن‌ها

برخلاف آب، که رفتار جریان ثابتی را در طیف وسیعی از دما حفظ می‌کند، روغن با تغییرات دما تغییرات قابل توجهی در ویسکوزیته تجربه می‌کند. عوامل دیگری مانند اکسیداسیون، آلودگی و فشار عملیاتی نیز بر ویسکوزیته تأثیر می‌گذارند. علاوه بر این، رابطه بین ویسکوزیته و دما غیرخطی است و از یک الگوی لگاریتمی دوگانه پیروی می‌کند.

شاخص ویسکوزیته (VI) پایین نشان دهنده تغییر قابل توجه ویسکوزیته با نوسانات دما است. روغن‌هایی با شاخص ویسکوزیته پایین در دماهای پایین‌تر بسیار غلیظ و در دماهای بالاتر نسبتاً رقیق هستند. برعکس، شاخص ویسکوزیته بالا نشان دهنده حداقل تغییرات در ویسکوزیته در طیف وسیعی از دما است (شکل ۱ را ببینید).

شکل ۱

هنگام انتخاب روغن برای یک کاربرد خاص، مانند روانکاری در یک موتور احتراق داخلی، در نظر گرفتن تغییرات ویسکوزیته وابسته به دما ضروری است، زیرا این تغییرات در بین انواع روغن متفاوت است. روغن‌هایی که ویسکوزیته سینماتیک یکسانی را در دمای ^°C 40 نشان می‌دهند، ممکن است در دمای ^°C 100 ویژگی‌های بسیار متفاوتی از خود نشان دهند. برای دستیابی به خواص ویسکوزیته مطلوب در دماهای مختلف، بهبود دهنده‌های شاخص ویسکوزیته، که به عنوان اصلاح کننده‌های ویسکوزیته نیز شناخته می‌شوند، در روغن پایه گنجانده می‌شوند. بالاترین شاخص ویسکوزیته قابل دستیابی تحت تأثیر نوع روغن پایه مورد استفاده و همچنین نوع و غلظت بهبود دهنده‌های VI اضافه شده به روغن قرار می‌گیرد. مقادیر شاخص ویسکوزیته (VI) برای انواع روغن‌های رایج می‌تواند از 60- تا بیش از 400 متغیر باشد. مقدار اصلاح‌کننده‌های ویسکوزیته معمولاً بین 5 تا 20 درصد است. شاخص‌های ویسکوزیته سیالات مختلف در جدول 1 خلاصه شده است.

نوع سیال / روغن	شاخص ویسکوزیته
روغن معدنی	۹۵-۱۰۵
روغن چند درجه ای	۱۴۰-۲۰۰
روغن PAO	۱۳۵-۱۶۰
استر	۱۴۰-۱۹۰
روغن گیاهی	۱۹۵-۲۱۰
گلایکول	۲۰۰-۲۲۰
روغن سیلیکون	۲۰۵-۴۰۰

جدول 1-ویسکوزیته محتلف شاخص سیالات

اصلاح‌کننده‌های شاخص ویسکوزیته و چگونگی تثبیت روان‌کننده‌ها در دماهای مختلف

روان‌کننده‌های فرموله شده نهایی شامل طیف وسیعی از افزودنی‌ها هستند. از جمله مهم‌ترین افزودنی‌ها، بهبوددهنده‌های شاخص ویسکوزیته (VII) یا اصلاح‌کننده‌های ویسکوزیته هستند. این افزودنی‌ها عمدتاً از پلیمرها یا کوپلیمرهای محلول در روغن تشکیل شده‌اند.

بهبوددهنده‌های شاخص ویسکوزیته (VII) نقش خود را با تنظیم ساختار مولکولی خود در پاسخ به تغییرات دما ایفا می‌کنند. با افزایش دما، این مولکول‌ها منبسط می‌شوند و مقاومت روان‌کننده در برابر جریان را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند. این انبساط مانع از رقیق شدن بیش از حد روان‌کننده در دمای بالا می‌شود و اثربخشی آن را حفظ می‌کند. برعکس، هنگامی که دما کاهش می‌یابد، VIIها منقبض می‌شوند و به روان‌کننده اجازه می‌دهند تا به اندازه کافی سیال باقی بماند تا گردش روان در موتور یا ماشین‌آلات روان باشد. این سازگاری قابل توجه نه تنها عملکرد بهینه را در طیف وسیعی از دما تضمین می‌کند، بلکه به حفظ خواص محافظتی ضروری روان‌کننده نیز کمک می‌کند و اجزای حیاتی را از سایش و استهلاک محافظت می‌کند.

در حالی که افزودنی‌های بهبوددهنده شاخص ویسکوزیته نقش مهمی در افزایش عملکرد روغن‌های روان‌کننده دارند، اما بدون اشکال هم نیستند. یکی از معایب قابل توجه، حساسیت آنها به افزایش عمر (aging) است که در نتیجه برش مکانیکی مداوم در حین کار رخ می‌دهد. این عمل برش، زنجیره‌های مولکولی درون افزودنی‌ها را گسسته می‌کند و به طور بالقوه منجر به کاهش تدریجی اثربخشی آن‌ها می‌شود. با افزایش عمر افزودنی‌ها، توانایی خود را برای حفظ عملکرد غلیظ‌کنندگی روغن، به ویژه در دماهای بالا، از دست می‌دهند. در حالی که انتخاب پلیمرهایی با وزن مولکولی بالاتر می‌تواند خواص غلیظ‌کنندگی را افزایش دهد، اما این پلیمرها مقاومت کمتری در برابر برش مکانیکی نشان می‌دهند. از طرف دیگر، پلیمرهایی با وزن مولکولی پایین‌تر در برابر برش مقاوم‌تر هستند اما در دماهای بالاتر به طور مؤثر ویسکوزیته را افزایش نمی‌دهند. بنابراین، باید در مقادیر بیشتری استفاده شوند.

در نهایت، عدم وجود بهبوددهنده‌های شاخص ویسکوزیته، فرمول‌بندی روغن‌های روان‌کننده چند درجه‌ای مدرن را بسیار چالش‌برانگیز می‌کند. این بهبوددهنده‌ها برای حفظ ویسکوزیته ثابت در طیف وسیعی از دماهای عملیاتی ضروری هستند و در نتیجه عملکرد بهینه و محافظت از اجزای مکانیکی را در کاربردهای مختلف تضمین می‌کنند. شکل ۲ نشان می‌دهد که چگونه بهبوددهنده‌های شاخص ویسکوزیته بر تغییرات ویسکوزیته وابسته به دما در روغن تأثیر می‌گذارند.

شکل ۲

در این شکل، دو روغن تک درجه‌ای را نشان می‌دهد که برای استفاده در موتورهای خودروهای جاده‌ای طراحی شده‌اند. SAE 10 در مقایسه با SAE 40، ویسکوزیته کمتری در دماهای پایین دارد. به طور کلی، اولی برای شرایط سرد مناسب است: به آن روغن “زمستانی” می‌گویند. از سوی دیگر، SAE 40 برای شرایط گرم‌تر در نظر گرفته شده است که به عنوان روغن “تابستانی” شناخته می‌شود. با ترکیب بهبود دهنده‌های شاخص ویسکوزیته (همراه با سایر افزودنی‌ها) در SAE 10، می‌توان یک روغن چند درجه‌ای ایجاد کرد که هر دو ویژگی را با هم ترکیب می‌کند: SAE 10W-40. این روغن چند درجه‌ای دارای ویژگی‌های هر دو است: قابلیت پمپاژ عالی SAE 10 در دماهای پایین و یک لایه روغن متراکم‌تر و پایدارتر در دماهای بالاتر SAE 40. استفاده از روغن چند درجه‌ای، لزوم تعویض روغن موتور با تغییر فصل را از بین می‌برد.

اصلاح‌کننده‌های VI چه هستند و کجا استفاده می‌شوند

مواد رایج مورد استفاده به عنوان اصلاح‌کننده‌های VI شامل کوپلیمرهای الفین (OCP)، پلی‌آلکیل متاکریلات‌ها (PAMA)، پلی‌ایزوبوتیلن‌ها (PIB)، پلیمرهای بلوک استایرن، متیل متاکریلات (MMA)، لاستیک پلی بوتادین (PBR)، سیس-پلی‌ایزوپرن (نوعی لاستیک مصنوعی)، پلی‌وینیل پالمیتات، پلی‌وینیل کاپریلات و کوپلیمرهای وینیل پالمیتات با وینیل استات هستند. این ترکیبات بیشتر در روغن‌های موتور چند درجه‌ای، روغن‌های دنده و مایعات گیربکس اتوماتیک استفاده می‌شوند. همچنین در مایعات فرمان هیدرولیک، مایعات هیدرولیک و گریس‌ها نیز استفاده می‌شوند. این افزودنی‌ها برای وسایل نقلیه، قایق‌ها و هواپیماها مهم هستند، به خصوص به این دلیل که به مدیریت تغییرات دما در حین کار کمک می‌کنند.

محاسبه شاخص ویسکوزیته

دو روش استاندارد برای محاسبه شاخص ویسکوزیته وجود دارد: ASTM D22706 وISO 29097. این روش‌ها در حال حاضر برای محاسبه VI محصولات نفتی مورد استفاده در بخش‌های نظامی و غیرنظامی شناخته شده‌اند.

شاخص ویسکوزیته هم برای روغن‌های تازه فرموله‌شده و هم برای روغن‌هایی که در حال حاضر در حال استفاده هستند، حیاتی است. برای دسته دوم، این شاخص به عنوان ابزاری برای ارزیابی تخریب اصلاح‌کننده‌های ویسکوزیته عمل می‌کند که معمولاً منجر به کاهش VI می‌شود. لازم به ذکر است که شاخص ویسکوزیته صرفاً برای محصولات نفتی که ویسکوزیته سینماتیکی بالاتر از mm²/s 2 در دمای ^°C 100 دارند، کاربرد دارد.

محاسبه شاخص ویسکوزیته با استفاده از ASTM D2270

محاسبه شاخص ویسکوزیته با استفاده از ASTM D2270 شامل مجموعه‌ای از اندازه‌گیری‌ها و محاسبات دقیق است:

1. اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی در دمای ^°C 40 (KV40): اولین قدم، اندازه‌گیری دقیق ویسکوزیته سینماتیکی روانکار در دمای استاندارد ^°C 40 است. این مقدار معمولاً بر حسب سانتی‌استوکس (cSt) بیان می‌شود.

2. اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی در دمای ^°C 100 (KV100): در مرحله بعد، ویسکوزیته سینماتیکی در دمای بالاتر، یعنی ^°C 100 اندازه‌گیری می‌شود. این اندازه‌گیری حیاتی است زیرا نشان می‌دهد که ویژگی‌های جریان روغن چگونه به گرمای افزایش یافته پاسخ می‌دهد.

3. تعیین ویسکوزیته‌های روغن مرجع (L و H ): با استفاده از مقدار اندازه‌گیری شده KV100، دو روغن مرجع فرضی را شناسایی می‌کنیم:

L: این نشان‌دهنده ویسکوزیته در دمای ^°C 40 برای یک روغن مرجع است که دارای KV100 یکسان با روانکار مورد نظر است اما شاخص ویسکوزیته آن 0 است.

H: این نشان‌دهنده ویسکوزیته در دمای ^°C 40 برای یک روغن مرجع است که همچنین KV100 یکسان با روانکار مورد نظر دارد اما شاخص ویسکوزیته آن 100 است.

4. اعمال فرمول محاسبه VI: پس از تعیین L و  H، شاخص ویسکوزیته با استفاده از فرمول خاصی محاسبه می‌شود. برای روانکارهایی که KV100 آن‌ها کمتر یا مساوی cSt 70 است، فرمول به شرح زیر است:

برای روانکارهایی که KV100 آن‌ها بیشتر از cSt 70 است، فرمول به شرح زیر است:

سوالات متداول شاخص گرانروی