黏度指数
黏度指数（Viscosity Index，VI）在石化工业，特别是润滑油工业中被使用，是表征粘度随温度变化情况的无单位数值。VI值越低，粘度受温度变化影响越大。 VI值最初的测量范围为0到100，然而随着润滑科学的进步，具有更高VI值的润剂被开发了出来。大多数润滑基础油的动力黏度（运动黏度）的双对数（double log）与温度呈反比[1][2]，在润滑油品的规格上可以用黏度指数来表示该产品的黏度变化率。
润滑剂的粘度与其减小相互接触固体浆摩擦系数的能力有密切关系。通常情况下，需要选用保证两相互运动表面保持流体摩擦状态的最小粘度润滑剂。润滑剂粘度太小，会导致润滑膜厚度减小，表面轮廓峰直接接触，摩擦阻力增大。润滑剂粘度过大，润滑剂间剪切应力也大，同样不利于减小摩擦阻力[3]。由于很多机械设备或交通运输工具，必须在高低温差很大的条件下工作（冬~夏、夜~日），低VI值的润滑油必然导致机件在低温时阻力过大（黏度过高）、高温时磨损过快（黏度过低导致油膜厚度不足）。因此选用高VI值的润滑油可以较均衡高低温时的润滑需求差异。
历史
[编辑]1929年Dean与Davis首创黏度指数的标准[4]，其概念为受评测流体，其100°C↔40°C的黏度变化量，与100°C时同黏度、黏度指数分别为100、0的两参考流体的100°C↔40°C黏度变化量相比之百分比。最早是以宾州原油炼出的矿物油为VI=100、墨西哥湾原油炼出的矿物油为VI=0[5]，早期会用石蜡及萘当作黏度指数为100、0的参考流体[来源请求]。
这个方法在合成油与氢裂解技术普及前十分有用，只需查表与简单计算即可得出一流体的黏度指数值，从而对该油品的黏温变化曲线有直觉的概念。低黏度指数表示黏度随温度变化的程度剧烈，高黏度指数表示黏度对温度较不敏感。
随着高黏度、高黏度指数润滑基础油的问世，Dean & Davis的评测法被发现无法准确评测黏度指数超过100、或黏度较高的油品[6]，因而衍生出了一些方法来补充。但Dean & Davis创造的方法仍被很多工业标准承认为黏度指数评测的方法之一，但限用于黏度指数<=100、100°C黏度<70cSt的油品。
如今，很多国家的工业标准与国际组织均已制定公布了黏度指数评测的标准，例如ASTM D 2270、ISO 2909、DIN 51564、JIS K 2286、IP 226等。
上式为Ubbelohde–Walter的黏-温公式，其中C, K, m是各流体本身的特性常数，若需要较精确掌握某特定温度的黏度，可利用此公式，虽然有三个常数，但C通常只有0.6~0.9，对计算没有太大影响，因此只需要该流体在两个不同温度时的黏度即可解出。
Vogel-Cameron则有另一种黏-温公式如下，同样有三个特性常数，并以绝对温度为T
黏度指数提升剂
[编辑]润滑基础油的黏度指数可以借由添加黏度指数提升剂（VI improver）而提升，在工作温度会大幅改变（例如内燃机）的情形下，以成本较低的低黏度指数油品添加黏度指数提升剂，可以节省成本。黏度指数提升剂的作用为“提高高温时基础油的黏度”，因此又称为黏度调整剂（Viscosity Modifier）。[7]
黏度指数提升剂多为高分子聚合物，在较低温度时蜷曲成球体，对基础油没有太大物性影响，在高温时聚合物舒展，充满高分子丝线的油体黏度比同温度未添加的同种油品黏度为高。
- 基础油A，40°C黏度L，100°C黏度H（L > H）
- 基础油A添加VI提升剂成为A’，40°C黏度L，100°C黏度H’
- H’>H：（L – H’）<（L – H），表示A’的黏温稳定性较高
添加了黏度指数提升剂的基础油，在较高温度受黏度指数提升剂的增稠，成为非牛顿流体，在高剪应力作用下黏度会损失，称为剪切损失（shear loss）。以上例而言，若在高剪应力（重度磨擦）情形下，H’与H间的差异会缩小，意即黏度指数提升剂对高摩擦工况效益较低。[7]
SAE J300的机油黏度规定，SAE 8~60等级的黏度需符合两项测试规格，以SAE 20为例：
- 100°C时动力黏度6.9~9.3cSt
- 150°C、106/s2剪切速率下，绝对黏度>=2.6cP
若某较低黏度、低黏度指数值的油品过量添加黏度指数提升剂以符合定义1，就可能不符合定义2。
注脚
[编辑]- ^ log(log(ν+C))=K-m·log(T), Ubbelohbe-Walter's equation, 1928
- ^ Lubricants and Lubrication, Section 3.2, Theo Mang,Wilfried Dresel, 2nd Edition, 2007
- ^ 机械设计. 北京市: 高等教育出版社. 2006年5月: 46–50. ISBN 7-04-019256-X. Authors list列表中的
|first1=缺少|last1=(帮助) - ^ E.W. Dean, G.H.B Davis, A.D. Bauer and J.H Bergland, “Viscosity Variations of Oils with Temperature”, Chemical and Metallurgical Engineering, Vol.36, P.618, 1929
- ^ Synthetic Lubricants and High-Performance Functional Fluids, P.403, Chapter 17, Ronald A. Philips, 1st Edition, ISBN 0-8247-0194-1
- ^ Rheological properties of lubricants, P.102, Jean Briant,Jacques Denis,Guy Parc, 1989
- ^ 7.0 7.1 Fuels and lubricants handbook: technology, properties, performance, and testing, P.372, George E. Totten, Steven R. Westbrook, Rajesh J. Shah, 2003, ISBN-EB: 978-0-8031-5048-5
参考文献
[编辑]- Mechanics and chemistry in lubricant, Section 4.7~4.8, A. Dorinson, K. C. Ludema, 1985
- Rheological properties of lubricants, Section 4.2~4.3, Jean Briant,Jacques Denis,Guy Parc, 1989
- Engineering tribology, 3rd edition, Section 2.3~2.5, Gwidon W. Stachowiak,Andrew W. Batchelor, 1989
- Lubricants and special fluids, Section 2, Václav Štěpina, Václav Veselý, Václav Veselý, 1992
- Fuels and lubricants handbook: technology, properties, performance, and testing, P.372, George E. Totten, Steven R. Westbrook, Rajesh J. Shah, 2003, ISBN-EB: 978-0-8031-5048-5