Anonim

Viscositeit is de interne wrijving van vloeistoffen, de weerstand van een vloeistoflaag tegen glijden over aangrenzende lagen. Viscositeit maakt smering mogelijk. Viscositeit laat de beweging van het ene beladen oppervlak over het andere toe om een ​​smeermiddel ertussen te slepen, waar het ten minste een deel van de belasting begint te dragen, waardoor het glijden gemakkelijker wordt. Dompel je vingers in water en wrijf vingertoppen tegen elkaar en je voelt aanzienlijke wrijving. Water heeft een lage viscositeit, dus de druk van je vingers drukt het er snel tussenin. Doe een druppel olie op één vingertop - bakolie uit de keukencruise is voldoende - en wrijf opnieuw. Groot verschil. De grotere viscositeit van de olie (ongeveer 60 keer die van water), in combinatie met de beweging van uw vingertoppen, trekt olie tussen hun oppervlakken. Dit vermindert, door een deel van de druk op vloeistoffilms met lage wrijving te ondersteunen, de wrijving die u voelt aanzienlijk.

Rechte kettingen

  • Vertakte kettingen

  • Ringstructuren (vaak gebaseerd op de benzeenring van zes koolstofatomen, elk met een bevestigd waterstofatoom; meerdere ringen kunnen met elkaar worden verbonden)

  • Viscositeit is gebaseerd op de onderlinge aantrekking van deze structuren voor elkaar. Trek aan één molecuul van een olie en zijn aantrekking tot andere moleculen heeft de neiging ze mee te trekken. Hoe langer het molecuul, des te meer potentieel partners aantrekken waarmee het waarschijnlijk in contact komt. Waarom bestaat deze wederzijdse aantrekkingskracht? Al deze moleculen zijn normaal gesproken elektrisch neutraal, maar er zijn lokale positieve en negatieve gebieden omdat elektronen - negatieve ladingen die chemische binding mogelijk maken - niet uniform verdeeld zijn binnen moleculen. Een lokale positieve zone op molecuul A kan daarom worden aangetrokken tot een lokale negatieve zone op molecuul B. Of een geladen zone op het ene molecuul kan een lokale tegengestelde lading op een ander induceren.

    Image
    Warmte is de vijand! Het toevoegen van kleine hoeveelheden zeer opvouwbare langketenige moleculen aan olie verhoogde de viscositeitsindex, wat uiteindelijk leidde tot de vorming van multigrade smeermiddelen die zowel motoronderdelen aan de onderkant als aan de bovenkant beschermen. Met dank aan Harley-Davidson

    Toen koolwaterstofsmeermiddelen in het begin van de 20e eeuw op grote schaal werden gebruikt, merkte het niet lang voordat gebruikers verschillen merkten tussen oliën uit putten in Pennsylvania en oliën uit Californië, Texas of Roemenië. Chemici leerden al snel waarom. Ruwe oliën uit Californië of het Midden-Oosten leverden oliën die rijk zijn aan ringverbindingen, terwijl ruwe olie uit Pennsylvania rijk is aan structuren met rechte keten of paraffine.

    Ervaring heeft geleerd dat hoewel ringgestructureerde oliën voldoende kunnen smeren bij gematigde temperaturen, door heter omstandigheden ze sneller viscositeit verliezen naarmate ze heter worden. Aha, dit was de reden waarom een ​​bepaalde olie de krukaslagers perfect zou kunnen smeren, maar het mogelijk maakte dat warmere onderdelen, zoals de bovenste zuigerveren, snel verslijten naarmate de hete olie wateriger werd en gemakkelijker tussen oppervlakken werd geperst. Maar olie geraffineerd uit een ruwe olie uit Pennsylvania deed het behoorlijk goed op beide plaatsen, op 180 graden Fahrenheit in krukaslagers en op 300 graden op de oppervlakken van de bovenste zuigerveren. Waarom dit verschil?

    GERELATEERD: Wat zijn de verschillen tussen synthetische en petroleumolie?

    Meer onderzoek kwam met een nieuwe manier om oliën te karakteriseren: viscositeitsindex, afgekort als VI. Alle oliën verliezen hun viscositeit bij hogere temperaturen, maar onderzoek toonde aan dat oliën die rijk zijn aan ringvormige moleculen meer viscositeit verloren als ze heet waren dan structuren met rechte of vertakte ketens.

    Eerste vraag: Waarom verliezen oliën viscositeit als hun temperatuur stijgt? Temperatuur is de maat voor de gemiddelde moleculaire energie. In een gas is dit gewoon de snelheid van moleculen die rondvliegen en tegen elkaar botsen. Maar in een vloeistof staan ​​de moleculen met elkaar in contact, dus deze energie neemt de vorm aan van trillingen en rotaties (lange-keten moleculen worden vaak afgebeeld als wervelende springtouwen). Hoe meer dergelijke energie aanwezig is, hoe minder belangrijk de krachten worden die moleculen naar elkaar aantrekken. Naarmate de temperatuur stijgt, overwint moleculair roeren geleidelijk de wederzijdse aantrekking van moleculen, totdat moleculen bij het kookpunt voldoende energie hebben om de wederzijdse moleculaire aantrekking volledig te overwinnen en weg te vliegen.

    Al snel was het patroon duidelijk: oliën rijk aan ringstructuren hadden een lage VI (nul tot 30 of zo), terwijl oliën met meestal rechte of vertakte ketens een hogere VI hadden (zo hoog als 100). En de technische oliën van vandaag in Groep III en IV hebben VI's tot 130-140.

    Dit maakte duidelijk dat de moleculaire vorm iets te maken had met VI. Rechte en vertakte kettingen hebben zeer mobiele bindingen die kunnen roteren, buigen en vouwen. Ringstructuren zijn stijver, minder mobiel. Zou het kunnen dat, bij lagere temperaturen, de lange-keten moleculen van oliën met een hoge VI meer compacte vormen aannemen door vouwen, terwijl op ringen gebaseerde moleculen bij alle temperaturen vrijwel dezelfde vorm hebben?

    Dat zou kunnen verklaren waarom oliën die rijk zijn aan structuren met rechte en vertakte ketens over het algemeen een hogere VI hebben. Als ze koud zijn, nemen ze compactere vormen aan, die de neiging hebben de viscositeit te verminderen, maar naarmate ze opwarmen, breiden ze zich geleidelijk uit, waardoor ze de viscositeit verhogen. Ze verliezen nog steeds viscositeit bij hogere temperaturen, maar ze verliezen minder omdat deze geleidelijke ontplooiing van de flexibele ketens in de tegenovergestelde richting werkt, door elk molecuul in contact te brengen met meer en meer anderen. Het zijn vormverschuivers!

    Het resultaat was een olie die zich als koude 10 gedroeg, maar als hete 40. Koud starten was verbeterd en slijtage van de heetste motoronderdelen was verminderd.

    Vanaf daar was het slechts een korte stap om opzettelijk kleine hoeveelheden zeer opvouwbare langketenige moleculen aan olie toe te voegen om de VI ervan nog meer te verhogen. Dergelijke additieven, VI-verbeteraars genoemd, werden vanaf ongeveer 1950 aan premium oliën toegevoegd en het resulterende product werd een olie voor alle weersomstandigheden of een olie van verschillende kwaliteit genoemd. Voordien werden oliën gemaakt in kwaliteiten met een enkele viscositeit zoals 20, 30 en 40.

    Met de juiste techniek kon een multi-grade olie worden geformuleerd die werkte als een 10w-graad bij de koudstarttemperatuur van Minnesota in januari, maar die, wanneer deze heet was, rond de bovenste zuigerveren en in de uitlaatklepgeleiders hetzelfde deed als een olie van 40 kwaliteit. Het resultaat was een olie die zich als koude 10 gedroeg, maar als hete 40. Koud starten was verbeterd en slijtage van de heetste motoronderdelen was verminderd.

    VI-verbeteraaradditieven zijn moleculen met lange ketens zoals polymethacrylaat. Klinkt misschien een beetje bekend? Methacrylaat is het doorzichtige plastic dat we kennen als plexiglas of Lucite.