اندازه گیری شاخص ویسکوزیته (شاخص گرانروی) VI روغن

در انتخاب روغن های صنعتی و روانکارها، تنها دانستن مقدار ویسکوزیته در یک دمای مشخص کافی نیست. آنچه در عملکرد واقعی تجهیزات اهمیت دارد، پایداری ویسکوزیته در برابر تغییرات دما است. شاخص ویسکوزیته (Viscosity Index یا VI) معیاری عددی و بدون واحد است که نشان می‌دهد ویسکوزیته یک روغن تا چه اندازه با تغییر دما تغییر می‌کند. این پارامتر یکی از مهم‌ترین شاخص‌ها در صنعت روانکارها، خودروسازی، نیروگاه ها و سیستم های هیدرولیک محسوب می‌شود. طبق تعریف استاندارد (ASTM D2270) و معادل آن (ISO 2909)، مقدار VI  بر اساس ویسکوزیته سینماتیک در دو دمای استاندارد  ۴۰ و ۱۰۰ درجه سانتی گراد محاسبه می‌شود. اما چه دستگاهی و چگونه می‌تواند این اندازه‌ گیری را انجام دهد؟

ویسکومتر Anton Paar این کار را به خوبی انجام می‌دهند و انتخابی مناسب برای دستیابی به دقیق ترین نتایج هستند.

شاخص ویسکوزیته چیست؟

شاخص گرانروی عددی است که میزان وابستگی ویسکوزیته یک روغن به دما را بیان می‌کند. هرچه مقدار VI بزرگتر باشد به این معناست که تغییر ویسکوزیته نسبت به تغییر دما کمتر است و برعکس هرچه مقدار VI کوچک تر باشد یعنی ویسکوزیته با تغییر دما به شدت تغییر می‌کند. روغنی با VI بالا در دمای پایین بیش از حد غلیظ نمی‌شود و در دمای بالا بیش از حد رقیق نمی‌گردد. این ویژگی برای حفظ میزان روانکاری و جلوگیری از سایش قطعات اهمیت دارد.

تاریخچه شاخص ویسکوزیته

این شاخص برای اولین بار در سال ۱۹۲۹ توسط Dean و Davis از شرکت Standard Oil توسعه یافت. در آن زمان هنوز روغن های multi-grade و روغن های سنتتیک وجود نداشتند. بنابراین برای ایجاد یک معیار مقایسه‌ای، دو نوع روغن پایه به ‌عنوان نقطه های مرجع تعیین شد به این صورت که روغن پارافینی با تغییر کم ویسکوزیته در برابر دما شاخص گرانروی 100 را گرفت و روغن پایه نفتنیک با تغییر زیاد ویسکوزیته در برابر دما  با شاخص صفر معرفی شد. در مقیاس اولیه، این دو نقطه مرجع برای مقایسه ویسکوزیته روغن های دیگر به کار رفتند. با پیشرفت فناوری و توسعه روغن های پایه و افزودنی‌ها، اکنون روغن هایی با VI بالاتر از ۱۰۰ نیز وجود دارند.

چرا بررسی رفتار ویسکوزیته روغن در برابر تغییر دما اهمیت دارد؟

ویسکوزیته روغن در مقایسه با آب بسیار حساس تر به تغییرات دما است. با افزایش دما، ویسکوزیته به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد و بالعکس با کاهش دما روغن ویسکوزتر می‌شود. این رفتار، همچنین تحت تاثیر عواملی مانند اکسیداسیون، آلودگی و فشار در هنگام کار قرار دارد. تغییر ویسکوزیته با دما خطی نیست و به صورت تابع دوگانه لگاریتمی رفتار می‌کند. بنابراین عدد VI کمک می‌کند تا تغییرات نامتقارن ویسکوزیته در بازه دمایی مختلف به وضوح قابل مقایسه باشد.

کاربردهای مختلف شاخص ویسکوزیته روغن در صنعت

• روغن های موتور خودرو: برای روغن های موتور خودرو، شاخص ویسکوزیته باید بالا باشد تا ویسکوزیته در دمای پایین برای پمپاژ سریع و در دمای بالا مناسب باقی بماند. امروزه روغن های موتور معمولا VI بین ۱۴۰ تا ۲۰۰ دارند.
• روغن ترانسفورماتور: در کاربردهایی مثل روغن ترانسفورماتور که انتقال حرارت اهمیت دارد، ارتباط ویسکوزیته با هدایت حرارتی مهم است. این روغن‌ها اغلب VI نسبتاً پایین دارند تا با افزایش دما جریان طبیعی و همرفت حرارتی بهتری داشته باشند. معمولا VI آن‌ها در حدود ۶۰ تا ۱۰۰ است.
• روغن‌ های کوئنچ (Quench Oil): این نوع روغن‌ها باید در دمای بالا ویسکوزیته پایینی داشته باشند تا عملیات خنک سازی و انتقال حرارت به‌صورت یکنواخت انجام شود. VI آن‌ها معمولا حدود ۹۰ است.

چگونه می‌توان تغییرات ویسکوزیته روغن نسبت به دما را کنترل کرد؟

روغن‌ های پایه شامل افزودنی‌های بهبود دهنده شاخص گرانروی هستند که باعث می‌شوند ویسکوزیته در دماهای بالا با کاهش کمتری مواجه شود. این افزودنی ها معمولا پلیمرهای محلول در روغن هستند که با افزایش دما باز و کشیده می‌شوند و به این صورت کاهش ویسکوزیته را جبران می‌کنند. هرچند این افزودنی‌ها به بهبود VI کمک می‌کنند، اما با زمان و کارکرد زیاد تحت تاثیر mechanical stress قرار گرفته و اثر آن‌ها کاهش می‌یابد. بنابراین انتخاب نوع و وزن مولکولی مناسب برای افزایش ویسکوزیته بدون افزایش حساسیت به سایش از چالش‌های فرمولاسیون روغن است.

تاثیر بهبود دهنده‌های شاخص ویسکوزیته روغن موتور تک درجه‌ای در مقابل چند درجه ای

بهبود دهنده‌ها معمولا در چه مواردی استفاده می‌شوند و از چه موادی تشکیل شده‌اند؟ عمدتا در روغن موتور Multi-grade ، روغن گیربکس یا دنده، سیالات گیربکس اتوماتیک، سیالات فرمان هیدرولیک، سیالات هیدرولیک و گریس ها از بهبود دهنده ها استفاده می‌شود. بیشتر این کاربردها مربوط به وسایل نقلیه است که تغییرات دمایی زیادی دارند. برای ماشین آلات با شرایط دمایی تقریبا ثابت، روغن با VI پایین‌تر کافی است. موادی مانند کوپلیمرهای اولفین (OCP)، پلی‌آلکیل متاکریلات (PAMA)، پلی‌ایزوبوتیلن (PIB)، بلوک‌های استایرن، متیل متاکریلات (MMA)، لاستیک پلی‌بوتادین (PBR)، سیس-پلی‌ایزوپرن، پلی وینیل پالمیتات، پلی وینیل کاپریلات، کوپلیمر های وینیل پالمیتات با وینیل استات و.. . به عنوان بهبود دهنده برای VI استفاده می‌شوند.

مقدار VI چگونه اندازه گیری می‌شود؟

شاخص گرانروی از طریق اندازه‌ گیری ویسکوزیته کینماتیک روغن در دو دمای استاندارد 40 و 100 سانتی گراد محاسبه می‌شود. این اندازه‌گیری ها طبق استاندارد های بین‌المللی ASTM D2270 و ISO 2909  انجام می شوند. پس از تعیین ویسکوزیته در این دو دما، مقدار VI با استفاده از فرمول استاندارد محاسبه می‌شود. اما دلیل اینکه اندازه گیری در دماهای 40 و 100 درجه سانتی گراد انجام می‌شود این است که این دو دما بازه‌ای از شرایط عملیاتی معمول در کاربردهای صنعتی و خودرویی را شبیه‌سازی می‌کنند و امکان مقایسه یکنواخت روغن ها را فراهم می‌سازند.

محدوده شاخص ویسکوزیته در انواع روغن ها

هرکدام از روغن ها دارای محدوده VI مشخصی هستند، در جدول زیر تعدادی از آنها نشان داده شده است:

چه دستگاهی برای اندازه گیری VI مناسب می باشد؟

دقت اندازه‌ گیری ویسکوزیته در 40 و 100 درجه سانتی‌گراد اهمیت بالایی دارد، زیرا کوچک‌ترین خطا در این دو عدد می‌تواند منجر به محاسبه اشتباه شاخص VI شود. دستگاه های ویسکومتر سینماتیک سری SVM با کنترل دقیق دما و اندازه‌ گیری دیجیتال، امکان تعیین دقیق و سریع شاخص ویسکوزیته را تنها با ۲.۵ میلی‌لیتر از نمونه  فراهم می‌کنند و خطای انسانی را کاهش می‌دهند.

دستگاه ویسکومتر سینماتیک مناسب اندازه گیری VI

محدودیت‌های شاخص ویسکوزیته

شاخص VI عمدتا برای محصولات نفتی با ویسکوزیته کینماتیک بالاتر از  2 میلی‌متر مربع بر ثانیه در  100 درجه سانتی گراد تعریف شده است و همچنین VI تنها یکی از پارامترهای انتخاب روغن است و عوامل دیگری هم در انتخاب روغن مناسب تاثیر می‌گذارند.

جمع بندی

شاخص ویسکوزیته روغن یکی از مهم‌ترین شاخص های عملکردی در صنعت روانکارهاست. این پارامتر نشان می‌دهد روغن در برابر تغییرات دما تا چه اندازه پایدار است. روغنی با VI مناسب می‌تواند از سایش قطعات جلوگیری کند، مصرف انرژی را کاهش دهد، عملکرد پایدار تجهیزات را تضمین کند و طول عمر سیستم را افزایش دهد انتخاب دستگاه مناسب برای دستیابی به نتایج دقیق اهمیت بالایی دارد. ویسکومتر های آنتون پار با ارائه بهترین نتایج انتخابی عالی برای آزمایشگاه های شما هستند و می توانند ویسکوزیته و دانسیته را به صورت همزمان در دو دما اندازه بگیرند.