Độ nhớt động học là gì?

    Độ nhớt động học là thước đo sức cản bên trong của chất lỏng đối với dòng chảy dưới lực hấp dẫn. Nó được xác định bằng cách đo thời gian tính bằng giây, cần thiết để một thể tích chất lỏng cố định chảy một khoảng cách đã biết nhờ trọng lực qua mao quản trong nhớt kế đã hiệu chuẩn ở nhiệt độ được kiểm soát chặt chẽ.

    Giá trị này được chuyển đổi thành đơn vị tiêu chuẩn như centistokes (cSt) hoặc milimét vuông trên giây. Báo cáo độ nhớt chỉ có giá trị khi nhiệt độ tại đó thử nghiệm được tiến hành cũng được báo cáo - ví dụ 23 cSt ở 40 độ C.

     Trong số tất cả các thử nghiệm được sử dụng để phân tích dầu đã qua sử dụng, không có thử nghiệm nào cung cấp độ lặp lại hoặc tính nhất quán của thử nghiệm tốt hơn độ nhớt. Tương tự như vậy, không có đặc tính nào quan trọng hơn để bôi trơn thành phần hiệu quả hơn độ nhớt của dầu gốc. Tuy nhiên, có nhiều thứ liên quan đến độ nhớt hơn những gì bạn có thể thấy. Độ nhớt có thể được đo và báo cáo dưới dạng độ nhớt động học (tuyệt đối) hoặc độ nhớt động học. Cả hai đều dễ bị nhầm lẫn, nhưng có sự khác biệt đáng kể.

    Hầu hết các phòng thí nghiệm phân tích dầu được sử dụng đều đo lường và báo cáo độ nhớt động học. Ngược lại, hầu hết các nhớt kế tại chỗ đều đo độ nhớt động học nhưng được lập trình để ước tính và báo cáo độ nhớt động học, do đó các phép đo độ nhớt được báo cáo phản ánh các số liệu động học được báo cáo bởi hầu hết các phòng thí nghiệm và nhà cung cấp dầu bôi trơn.

    Do tầm quan trọng của việc phân tích độ nhớt cùng với sự phổ biến ngày càng tăng của các công cụ phân tích dầu tại chỗ được sử dụng để sàng lọc và bổ sung cho việc phân tích dầu trong phòng thí nghiệm bên ngoài, điều cần thiết là các nhà phân tích dầu phải hiểu được sự khác biệt giữa các phép đo độ nhớt động và động học.

    Nói chung, độ nhớt là khả năng chống chảy của chất lỏng (ứng suất cắt) ở một nhiệt độ nhất định. Đôi khi, độ nhớt bị gọi nhầm là độ dày (hoặc trọng lượng). Độ nhớt không phải là thước đo kích thước nên gọi dầu dày có độ nhớt cao và dầu mỏng có độ nhớt thấp là sai lầm.

    Tương tự như vậy, việc báo cáo độ nhớt cho mục đích xu hướng mà không đề cập đến nhiệt độ là vô nghĩa. Nhiệt độ phải được xác định để diễn giải kết quả đo độ nhớt. Thông thường, độ nhớt được báo cáo ở 40°C và/hoặc 100°C hoặc cả hai nếu yêu cầu chỉ số độ nhớt.

Phương trình độ nhớt động học

    Một số đơn vị kỹ thuật được sử dụng để biểu thị độ nhớt, nhưng phổ biến nhất cho đến nay là centistoke (cSt) cho độ nhớt động học và centipoise (cP) cho độ nhớt động học (tuyệt đối). Độ nhớt động học tính bằng cSt ở 40°C là cơ sở cho hệ thống phân loại độ nhớt động học ISO 3448, khiến nó trở thành tiêu chuẩn quốc tế. Các hệ thống độ nhớt động học phổ biến khác như Saybolt Universal Seconds (SUS) và hệ thống phân loại SAE có thể liên quan đến việc đo độ nhớt tính bằng cSt ở 40°C hoặc 100°C.

Đo độ nhớt động học

    Độ nhớt động học được đo bằng cách ghi lại thời gian dầu di chuyển qua lỗ mao quản dưới tác dụng của trọng lực (Hình 1). Lỗ của ống nhớt kế động học tạo ra lực cản dòng chảy cố định. Các mao mạch có kích thước khác nhau có sẵn để hỗ trợ chất lỏng có độ nhớt khác nhau.

    Thời gian để chất lỏng chảy qua ống mao quản có thể được chuyển đổi thành độ nhớt động học bằng cách sử dụng hằng số hiệu chuẩn đơn giản được cung cấp cho mỗi ống. Quy trình chủ yếu để thực hiện phép đo độ nhớt động học là ASTM D445, thường được sửa đổi trong phòng thí nghiệm phân tích dầu đã qua sử dụng để tiết kiệm thời gian và giúp phép đo thử nghiệm hiệu quả hơn.

Hình 1. Máy đo độ nhớt ống chữ U mao quản 

Đo độ nhớt động học (Độ nhớt tuyệt đối)

    Độ nhớt động được đo bằng khả năng chống dòng chảy khi một lực bên ngoài và được kiểm soát (bơm, không khí điều áp, v.v.) ép dầu đi qua mao dẫn (ASTM D4624) hoặc một vật thể bị ép qua chất lỏng bởi một lực bên ngoài và được kiểm soát, chẳng hạn như một trục quay được dẫn động bởi động cơ. Trong cả hai trường hợp, khả năng chống dòng chảy (hoặc lực cắt) được đo như một hàm của lực đầu vào, phản ánh điện trở bên trong của mẫu đối với lực tác dụng hoặc độ nhớt động của nó.

    Có một số loại và phương án của nhớt kế tuyệt đối. Phương pháp quay Brookfield trong Hình 2 là phương pháp phổ biến nhất. Đo độ nhớt tuyệt đối đã được sử dụng cho các ứng dụng nghiên cứu, kiểm soát chất lượng và phân tích dầu mỡ trong lĩnh vực bôi trơn máy móc.

Hình 2. Máy đo độ nhớt quay ASTM D2983 

    Quy trình kiểm tra độ nhớt động trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp Brookfield truyền thống được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D2983, D6080 và các tiêu chuẩn khác. Tuy nhiên, độ nhớt động đang trở nên phổ biến trong lĩnh vực phân tích dầu đã qua sử dụng vì hầu hết các máy đo độ nhớt tại chỗ được bán trên thị trường hiện nay đều đo độ nhớt động chứ không phải độ nhớt động học. 

    Nói chung, độ nhớt động học (cSt) liên quan đến độ nhớt tuyệt đối (cP) là hàm số của trọng lượng riêng của chất lỏng (SG) theo các phương trình trong hình 3.

Hình 3. Phương trình độ nhớt 

    Dù trông đơn giản và tinh tế nhưng những phương trình này chỉ đúng với cái gọi là chất lỏng Newton. Ngoài ra, trọng lượng riêng của chất lỏng phải không đổi trong suốt thời kỳ xu hướng. Cả hai điều kiện này đều không thể được coi là không đổi trong phân tích dầu đã qua sử dụng, vì vậy nhà phân tích phải nhận thức được các điều kiện mà theo đó sự khác biệt có thể xảy ra.

Độ nhớt động học: Chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton

    Chất lỏng Newton là chất lỏng duy trì độ nhớt không đổi trong mọi tốc độ cắt (ứng suất cắt thay đổi tuyến tính theo tốc độ cắt). Những chất lỏng này được gọi là chất lỏng Newton vì chúng tuân theo công thức ban đầu do Ngài Isaac Newton thiết lập trong Định luật Cơ học Chất lỏng của ông. Tuy nhiên, một số chất lỏng không hoạt động theo cách này. Nói chung, chúng được gọi là chất lỏng phi Newton. Chất lỏng Newton bao gồm khí, nước, dầu, xăng và rượu.

    Một nhóm chất lỏng phi Newton được gọi là thixotropic được đặc biệt quan tâm trong phân tích dầu đã qua sử dụng vì độ nhớt của chất lỏng thixotropic giảm khi tốc độ cắt tăng. Độ nhớt của chất lỏng thixotropic tăng khi tốc độ cắt giảm. Với chất lỏng thixotropic, thời gian đông kết có thể làm tăng độ nhớt biểu kiến ​​như trong trường hợp dầu mỡ. Ví dụ về chất lỏng phi Newton bao gồm:

• Chất lỏng làm đặc khi cắt: độ nhớt tăng khi tốc độ cắt tăng. Ví dụ, tinh bột ngô khi cho vào nước và khuấy đều sẽ bắt đầu có cảm giác đặc hơn theo thời gian.

• Chất lỏng cắt mỏng: độ nhớt giảm khi tốc độ cắt tăng. Sơn tường nhà bạn là một ví dụ điển hình cho điều này. Khi bạn khuấy sơn, nó sẽ trở nên lỏng hơn.

• Chất lỏng thixotropic: trở nên ít nhớt hơn khi bị khuấy trộn. Ví dụ phổ biến về điều này là sốt cà chua và sữa chua. Sau khi lắc, chúng trở nên lỏng hơn. Khi để yên chúng trở lại trạng thái giống như gel.

• Chất lỏng biến tính: trở nên nhớt hơn khi bị khuấy động. Một ví dụ phổ biến về điều này là mực máy in.

Độ nhớt động học: Một ví dụ thực tế

    Hãy tưởng tượng bạn có hai lọ trước mặt - một lọ chứa đầy sốt mayonnaise, lọ kia chứa đầy mật ong. Với cả hai lọ được dán vào bề mặt bàn bằng Velcro, hãy tưởng tượng bạn đang nhúng những con dao cắt bơ giống hệt nhau vào từng chất lỏng ở cùng một góc và cùng độ sâu. Hãy tưởng tượng khuấy hai chất lỏng bằng cách xoay dao với cùng tốc độ vòng/phút trong khi vẫn giữ nguyên góc tấn.

    Chất nào trong hai chất lỏng khó khuấy hơn? Câu trả lời của bạn phải là mật ong, loại này khó khuấy hơn sốt mayonnaise rất nhiều. Bây giờ hãy tưởng tượng tháo lọ ra khỏi Velcro trên bàn và xoay lọ về phía chúng. Cái nào chảy ra khỏi lọ nhanh hơn, mật ong hay sốt mayonnaise? Câu trả lời của bạn nên là em yêu; sốt mayonnaise sẽ không chảy chút nào khi lật lọ nằm nghiêng.

    Chất lỏng nào nhớt hơn, mật ong hay sốt mayonnaise? Nếu bạn nói sốt mayonnaise thì bạn đúng… ít nhất một phần. Tương tự như vậy, nếu bạn nói em yêu thì bạn đã đúng một phần. Lý do cho sự bất thường rõ ràng là khi quay dao ở cả hai chất, tốc độ cắt thay đổi, trong khi xoay mỗi bình về phía nó chỉ đơn giản là đo lực cản tĩnh đối với dòng chảy.

    Bởi vì mật ong là chất lỏng Newton trong khi mayonnaise không phải là chất lỏng Newton, độ nhớt của mayonnaise giảm khi tốc độ cắt tăng hoặc khi dao quay. Khuấy khiến mayonnaise chịu ứng suất cắt cao, khiến nó chịu tác động cưỡng bức. Ngược lại, chỉ cần đặt bình nằm nghiêng sẽ khiến sốt mayonnaise chịu ứng suất cắt thấp, dẫn đến độ nhớt ít hoặc không thay đổi, vì vậy nó có xu hướng ở lại trong lọ.

    Người ta không thể đo độ nhớt của chất lỏng phi Newton theo cách thông thường. Đúng hơn, người ta phải đo độ nhớt biểu kiến, có tính đến tốc độ cắt tại đó phép đo độ nhớt được thực hiện. (Xem Hình 4) Giống như các phép đo độ nhớt sẽ không có ý nghĩa trừ khi nhiệt độ thử nghiệm được báo cáo, các phép đo độ nhớt biểu kiến ​​sẽ không có ý nghĩa trừ khi nhiệt độ thử nghiệm và tốc độ cắt được báo cáo.

    Ví dụ, độ nhớt của dầu mỡ không bao giờ được báo cáo, thay vào đó độ nhớt biểu kiến ​​của dầu mỡ được báo cáo bằng centipoises (cP). (Lưu ý: độ nhớt có thể được báo cáo cho dầu gốc được sử dụng để tạo ra dầu mỡ, nhưng không phải cho thành phẩm.)

    Nói chung, một chất lỏng là chất lỏng phi Newton nếu nó bao gồm một chất lơ lửng (nhưng không hòa tan về mặt hóa học) trong chất lỏng chủ. Để điều này xảy ra, có hai loại cơ bản, nhũ tương và huyền phù keo. Nhũ tương là sự cùng tồn tại vật lý ổn định của hai chất lỏng không thể trộn lẫn. Mayonnaise là một chất lỏng phi Newton phổ biến, bao gồm trứng được nhũ hóa thành dầu, chất lỏng chủ. Bởi vì mayonnaise không phải là Newton nên độ nhớt của nó tạo ra khi tác dụng lực, giúp dễ dàng phết.

    Huyền phù keo bao gồm các hạt rắn lơ lửng ổn định trong chất lỏng chủ. Nhiều loại sơn có dạng keo huyền phù. Nếu sơn theo kiểu Newtonian, nó sẽ dễ dàng tán nhưng sẽ chảy nếu độ nhớt thấp, hoặc khó tán và để lại vết chổi, nhưng sẽ không chảy nếu độ nhớt cao.

    Bởi vì sơn không phải là Newton nên độ nhớt của nó giảm đi dưới tác dụng của cọ, nhưng sẽ trở lại khi lấy cọ ra. Kết quả là sơn lan ra tương đối dễ dàng nhưng không để lại vết cọ và không chảy.

Độ nhớt động và động học: Sự khác biệt là gì

    Độ nhớt động xác định độ dày màng do dầu cung cấp. Độ nhớt động học chỉ đơn thuần là một nỗ lực thuận tiện để ước tính mức độ dày màng mà dầu có thể cung cấp, nhưng sẽ ít có ý nghĩa hơn nếu dầu phi Newton.

Nhiều công thức và điều kiện bôi trơn sẽ tạo ra chất lỏng phi Newton, bao gồm:

• Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt (VI) - Dầu động cơ gốc khoáng đa cấp (trừ dầu gốc VI cao tự nhiên) được pha chế với phụ gia đàn hồi, đặc lại ở nhiệt độ thấp và giãn nở ở nhiệt độ cao để đáp ứng với khả năng hòa tan chất lỏng ngày càng tăng. Bởi vì phân tử phụ gia này khác với các phân tử của dầu chủ nên nó hoạt động theo kiểu phi Newton.

• Ô nhiễm nước - Dầu và nước tự do không trộn lẫn với nhau, dù sao cũng không về mặt hóa học. Nhưng trong một số trường hợp nhất định, chúng sẽ kết hợp với nhau tạo thành nhũ tương, giống như sốt mayonnaise đã thảo luận trước đó. Bất cứ ai từng nhìn thấy dầu trông giống như cà phê với kem đều có thể chứng thực điều này. Mặc dù điều này có vẻ phản trực giác nhưng ô nhiễm nước khi được nhũ hóa vào dầu thực sự làm tăng độ nhớt động học.

• Sản phẩm phụ của quá trình phân hủy do nhiệt và oxy hóa - Nhiều sản phẩm phụ của quá trình phân hủy do nhiệt và oxy hóa không hòa tan nhưng được dầu vận chuyển ở trạng thái lơ lửng ổn định. Những sự đình chỉ này tạo ra hành vi phi Newton.

• Muội - Thường gặp trong động cơ diesel, bồ hóng là hạt tạo ra huyền phù keo trong dầu. Phụ gia phân tán của dầu, được thiết kế để giữ cho các hạt bồ hóng không kết tụ và phát triển, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành huyền phù keo.

  
  

    Nếu người ta đo độ nhớt tuyệt đối của một trong những loại nhũ tương hoặc chất keo thường gặp được mô tả ở trên bằng nhớt kế tuyệt đối có tốc độ cắt thay đổi (ví dụ: ASTM D4741), phép đo sẽ giảm khi tốc độ cắt tăng lên, cho đến điểm ổn định. .

    Nếu người ta chia độ nhớt tuyệt đối đã ổn định này cho trọng lượng riêng của chất lỏng để ước tính độ nhớt động học thì giá trị tính toán sẽ khác với độ nhớt động học đo được. Một lần nữa, các phương trình trong Hình 3 chỉ áp dụng cho chất lỏng Newton, không áp dụng cho chất lỏng phi Newton mô tả ở trên, đó là lý do tại sao có sự khác biệt này xảy ra.

Độ nhớt động học và hiệu ứng trọng lực riêng

    Hãy xem lại các phương trình trong Hình 3. Độ nhớt tuyệt đối và độ nhớt động học của chất lỏng Newton có liên quan như là một hàm của trọng lượng riêng của chất lỏng. Hãy xem xét thiết bị trong Hình 1, bầu chứa dầu mẫu, được giải phóng khi loại bỏ chân không, sau đó tạo ra áp suất đẩy dầu đi qua ống mao dẫn.

    Người ta có thể cho rằng tất cả các chất lỏng sẽ tạo ra áp suất như nhau không? Không, áp suất là hàm số của trọng lượng riêng của chất lỏng, hay trọng lượng tương đối với trọng lượng của cùng một thể tích nước. Hầu hết các loại dầu bôi trơn gốc hydrocarbon có trọng lượng riêng từ 0,85 đến 0,90. Tuy nhiên, điều này có thể thay đổi theo thời gian khi dầu xuống cấp hoặc bị ô nhiễm (ví dụ như glycol, nước và kim loại mài mòn), điều này tạo ra sự khác biệt giữa phép đo độ nhớt tuyệt đối và độ nhớt động học.

    Hãy xem xét dữ liệu được trình bày trong Bảng 2. Mỗi kịch bản dầu mới đều giống hệt nhau và trong cả hai trường hợp, độ nhớt tuyệt đối đều tăng 10%, thường là giới hạn cho phép đối với sự thay đổi độ nhớt. Trong kịch bản A, sự thay đổi nhỏ về trọng lượng riêng dẫn đến sự khác biệt nhỏ giữa độ nhớt tuyệt đối đo được và độ nhớt động học.

    Bộ vi sai này có thể làm chậm một chút âm thanh cảnh báo thay dầu nhưng sẽ không gây ra nhiều lỗi. Tuy nhiên, ở kịch bản B, sự khác biệt còn lớn hơn nhiều. Ở đây, trọng lượng riêng tăng đáng kể, dẫn đến độ nhớt động học tăng 1,5% so với mức tăng 10% khi đo bằng nhớt kế tuyệt đối.

    Đây là sự khác biệt đáng kể có thể khiến nhà phân tích xác định tình huống đó là không thể báo cáo được. Sai lầm mắc phải là giả định trong cả hai kịch bản rằng chất lỏng vẫn duy trì tính chất Newton.

    Do có nhiều khả năng hình thành chất lỏng phi Newton, thông số thực sự được các nhà phân tích dầu và công nghệ bôi trơn quan tâm là độ nhớt tuyệt đối. Nó quyết định độ dày màng của chất lỏng và mức độ bảo vệ bề mặt các bộ phận. Vì lợi ích kinh tế, sự đơn giản và thực tế là các quy trình thử nghiệm chất bôi trơn mới thường được mượn để phân tích dầu đã qua sử dụng, độ nhớt động học của dầu là thông số đo được sử dụng để xác định xu hướng và đưa ra các quyết định quản lý dầu bôi trơn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp nhất định, điều này có thể gây ra những sai sót không cần thiết khi xác định độ nhớt của dầu.

    Vấn đề có thể được giảm xuống thành toán học đơn giản. Như các phương trình trong Hình 3 cho thấy, độ nhớt tuyệt đối và độ nhớt động học có liên quan như một hàm số của trọng lượng riêng của dầu. Nếu cả độ nhớt và trọng lượng riêng đều động nhưng chỉ đo một thì sẽ xảy ra lỗi và độ nhớt động học sẽ không đưa ra đánh giá chính xác về sự thay đổi độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng, thông số cần quan tâm. Lượng sai số là một hàm của lượng thay đổi trong tham số không đo được, trọng lượng riêng.

Kết luận quan trọng về độ nhớt động học

Người ta có thể rút ra những kết luận sau đây từ cuộc thảo luận về phép đo độ nhớt:

• Giả sử phòng thí nghiệm đo độ nhớt bằng phương pháp động học, việc bổ sung phép đo trọng lượng riêng vào chương trình phân tích dầu thông thường trong phòng thí nghiệm sẽ giúp loại bỏ điều này như một biến số trong việc ước tính độ nhớt tuyệt đối từ độ nhớt động học đo được.

  
  Khi sử dụng nhớt kế tại chỗ, đừng tìm kiếm sự thống nhất hoàn toàn giữa nhớt kế động học của phòng thí nghiệm và dụng cụ tại chỗ. Hầu hết các thiết bị này đều đo độ nhớt tuyệt đối (cP) và áp dụng thuật toán để ước tính độ nhớt động học (cSt), thường giữ hằng số trọng lượng riêng. Hãy xem xét xu hướng kết quả từ máy đo độ nhớt tại chỗ trong cP.

  
  

• Đây là thông số được đo và giúp phân biệt xu hướng tại chỗ với xu hướng dữ liệu do phòng thí nghiệm tạo ra bằng nhớt kế động học. Đừng cố gắng đạt được sự thống nhất hoàn hảo giữa phép đo độ nhớt tại chỗ và trong phòng thí nghiệm. Nó vô ích và tạo ra ít giá trị. Tốt nhất, hãy tìm mối tương quan lỏng lẻo. Luôn chuẩn bị dầu mới bằng cùng loại nhớt kế mà bạn đang sử dụng với dầu đang sử dụng.

  
  

• Nhận biết rằng chất lỏng phi Newton không cung cấp khả năng bảo vệ màng giống nhau cho một độ nhớt động học nhất định như chất lỏng Newton có cùng độ nhớt động học. Bởi vì độ nhớt của chất lỏng phi Newton sẽ thay đổi theo tốc độ cắt, độ bền của màng bị suy yếu dưới tải trọng và tốc độ vận hành. Đó là một trong những lý do khiến nước nhũ hóa làm tăng tốc độ mài mòn trong các bộ phận như vòng bi lăn, trong đó độ bền của màng chất lỏng là rất quan trọng (tất nhiên, nước cũng gây ra các cơ chế mài mòn khác như tạo bọt khí, rỉ sét, tạo giòn và phồng rộp do hydro).

    Độ nhớt là một đặc tính quan trọng của chất lỏng và việc theo dõi độ nhớt là điều cần thiết để phân tích dầu. Kỹ thuật đo độ nhớt động học và động học có thể tạo ra những kết quả rất khác nhau khi kiểm tra dầu đã qua sử dụng. Hãy chắc chắn rằng bạn hiểu rõ thông tin chi tiết về phép đo độ nhớt và hoạt động của chất lỏng nhớt để có thể đưa ra quyết định bôi trơn chính xác.