技術文章
黏度指數(shù)(Viscosity Index,VI)用于石化工業(yè),特別是工業(yè)、汽車潤滑劑產(chǎn)業(yè),乃是液態(tài)潤滑油黏度與溫度的相關性指數(shù)。大多數(shù)的潤滑基礎油的動力黏度(運動黏度)的雙對數(shù)(double log)與溫度呈反比關系[1][2],溫度昇高黏度即下降,在潤滑油品的規(guī)格上可以用黏度指數(shù)來表示該產(chǎn)品的黏度變化率。
由于很多機械設備或交通運輸工具,必須在高低溫差很大的條件下工作(冬~夏、夜~日),低VI值的潤滑油必然導致機件在低溫時阻力過大(黏度過高)、高溫時磨損過快(黏度過低導致油膜厚度不足)。因此選用高VI值的潤滑油可以較均衡高低溫時的潤滑需求差異。
1929年Dean與Davis*黏度指數(shù)的標準[3],其概念為受評測流體,其100°C↔40°C的黏度變化量,與100°C時同黏度、黏度指數(shù)分別為100、0的兩參考流體的100°C↔40°C黏度變化量相比之百分比。早是以賓州原油煉出的礦物油為VI=100、墨西哥灣原油煉出的礦物油為VI=0[4],早期會用石蠟及萘當作黏度指數(shù)為100、0的參考流體,這個方法在合成油與氫裂解技術普及*分有用,只需查表與簡單計算即可得出體的黏度指數(shù)值,從而對該油品的黏溫變化曲線有直覺的概念。低黏度指數(shù)表示黏度隨溫度變化的程度劇烈,高黏度指數(shù)表示黏度對溫度較不敏感。
隨著高黏度、高黏度指數(shù)潤滑基礎油的問世,Dean & Davis的評測法被發(fā)現(xiàn)無法準確評測黏度指數(shù)超過100、或黏度較高的油品[5],因而衍生出了一些方法來補充。但Dean & Davis創(chuàng)造的方法仍被很多工業(yè)標準承認為黏度指數(shù)評測的方法之一,但限用于黏度指數(shù)<=100、100°C黏度<70cSt的油品。 如今,很多國家的工業(yè)標準與組織均已制定公布了黏度指數(shù)評測的標準,例如ASTM D 2270、ISO 2909、DIN 51564、JIS K 2286、IP 226等。 上式為Ubbelohde–Walter的黏-溫公式,其中C, K, m是各流體本身的特性常數(shù),若需要較掌握某特定溫度的黏度,可利用此公式,雖然有三個常數(shù),但C通常只有0.6~0.9,對計算沒有太大影響,因此只需要該流體在兩個不同溫度時的黏度即可解出。
Vogel-Cameron則有另一種黏-溫公式如下,同樣有三個特性常數(shù),并以溫度為T
η = A ⋅ e ( B T + C ) {\displaystyle \eta =A\cdot e^{({\frac })}}
潤滑基礎油的黏度指數(shù)可以借由添加黏度指數(shù)提升劑(VI improver)而提升,在工作溫度會大幅改變(例如內燃機)的情形下,以成本較低的低黏度指數(shù)油品添加黏度指數(shù)提升劑,可以節(jié)省成本。黏度指數(shù)提升劑的作用為“提高高溫時基礎油的黏度”,因此又稱為黏度調整劑(Viscosity Modifier)。[6]
黏度指數(shù)提升劑多為高分子聚合物,在較低溫度時蜷曲成球體,對基礎油沒有太大物性影響,在高溫時聚合物舒展,充滿高分子絲線的油體黏度比同溫度未添加的同種油品黏度為高。
添加了黏度指數(shù)提升劑的基礎油,在較高溫度受黏度指數(shù)提升劑的增稠,成為非牛頓流體,在高剪應力作用下黏度會損失,稱為剪切損失(shear loss)。以上例而言,若在高剪應力(重度磨擦)情形下,H’與H間的差異會縮小,意即黏度指數(shù)提升劑對高摩擦工況效益較低。[7]
SAE J300的機油黏度規(guī)定,SAE 20~60等級的黏度需符合兩項測試規(guī)格,以SAE 20為例:
若某較低黏度、低黏度指數(shù)值的油品過量添加黏度指數(shù)提升劑以符合定義1,就可能不符合定義2。