Kiểm tra sức căng bề mặt (ST)

Trong tất cả những năm của tôi trong phân tích dầu, tôi không thể nhớ lại lần nào khi dữ liệu từ thử nghiệm sức căng bề mặt (ST) hoặc sức căng bề mặt (IFT) xuất hiện trên một báo cáo phân tích thông thường, ngoài phân tích dầu máy biến áp, mà thử nghiệm được coi công viêc hằng ngày.

Lý do điều này rất đáng ngạc nhiên là nhiều nghiên cứu đã báo cáo rằng những thay đổi trong sức căng bề mặt của dầu là dấu hiệu sớm nhất của sự nhiễm bẩn, khả năng đóng cặn và quá trình oxy hóa . Trích dẫn từ cuốn sách “Bôi trơn máy móc công nghiệp và hàng hải” của William G. Forbes, “Thử nghiệm sức căng bề mặt là thử nghiệm đơn lẻ có giá trị nhất có thể được sử dụng để đánh giá dầu tuabin .

Người ta thường đồng ý rằng khi sức căng giữa các bề mặt nằm trong khoảng từ 15 đến 20 dyne / cm, cặn có thể hình thành hoặc không trong hệ thống. Thực hành an toàn sẽ yêu cầu thay dầu trong phạm vi này. ”

Lực lượng giữa các phân tử khi chúng tác động lên lực căng giữa các mặt

Hình 1. Lực giữa các phân tử khi
chúng tác động lên lực căng giữa các mặt

Sức căng bề mặt là gì? Coi lớp phân tử trên bề mặt dầu tiếp xúc với không khí, như trong hình 1, các phân tử bị hút mạnh hơn từ bên dưới vì các phân tử trong không khí trung bình ở xa nhau hơn (lực hút tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các phân tử).

Sự mất cân bằng tương tự xảy ra giữa hai chất lỏng không thể trộn lẫn như dầu và nước; trong trường hợp này hiện tượng được gọi là lực căng giữa các mặt. Tại giao diện không khí-dầu, sự mất cân bằng này tạo ra một lớp màng giống như da ở bề mặt dầu khiến dầu muốn hình thành trên diện tích bề mặt nhỏ nhất có thể.

 

Do xu hướng bề mặt muốn co lại, nó hoạt động như thể ở trạng thái căng thẳng. Vì lý do tương tự, một giọt nước rơi trong không khí có xu hướng là hình cầu vì một hình cầu có tỉ lệ thể tích bề mặt nhỏ nhất.

Kỹ thuật đo lường

Phương pháp phổ biến nhất để đo sức căng bề mặt / bề mặt liên quan đến việc sử dụng cân xoắn được gọi là dụng cụ DuNouy (máy đo độ căng), được mô tả trong ASTM D971: 99a và ASTM D1331.

Trong thử nghiệm (Hình 2 và 3), lực cần thiết để nâng một vòng dây bạch kim nằm ngang ra khỏi bề mặt dầu được đo trực tiếp (sức căng bề mặt) hoặc tại mặt phân cách dầu / nước (sức căng bề mặt). Đơn vị đo sức căng bề mặt là dynes trên centimet (bằng mN / m).

Cách thức hoạt động của phương pháp DuNouy

Hình 2. Phương thức DuNouy hoạt động như thế nào

Điều gì xảy ra trong quá trình kiểm tra giữa các bên
Một phương pháp khác để xác định sức căng bề mặt được sử dụng để mô tả sự suy giảm của dầu cách điện do ôxy hóa hoặc nhiễm bẩn. Nó liên quan đến việc sử dụng quy trình giảm trọng lượng và được mô tả trong ASTM D2285: 99.

Với bất kỳ phương pháp nào được chỉ định, độ chính xác của phép thử bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố bao gồm độ sạch của dụng cụ thử nghiệm, sự khuấy động của chất lỏng (cần thiết để tái tạo lại chất rắn) và sự nhiễm bẩn ngẫu nhiên của chất lỏng bởi vật chứa bẩn và dụng cụ thủy tinh phòng thí nghiệm. Nói chung, khó có thể đạt được độ tái lập tốt của các phép thử này trừ khi được chú ý để đảm bảo các quy trình thử nghiệm chất lượng trong phòng thí nghiệm.

Căng thẳng giữa các loại dầu cơ sở

Ngoại trừ một số chất lỏng tổng hợp, dầu gốc (ví dụ, dầu khoáng và polyalphaolefin ) kỵ nước (thấm nước). Chúng không phân cực – không giống như nước và hầu hết các chất khác trong môi trường của máy. Polar không thích tính không phân cực, giống như nước chảy trên lưng vịt. Trong trường hợp dầu và nước, các mặt đối lập không thu hút.

Nước tinh khiết có sức căng bề mặt cao do tính phân cực cao. Tương tự như vậy, dầu gốc khoáng nguyên chất có sức căng bề mặt cao do tính phi cực cao.

Điều này có thể được quan sát bằng cách chỉ cần nhỏ một giọt dầu gốc nguyên chất (hoặc thậm chí là dầu tuabin) lên bề mặt của một cốc nước. Dầu sẽ nổi lên trên mặt nước và có hình dạng thấu kính, bởi vì nó đang cố tách khỏi nước bằng cách giảm diện tích tiếp xúc. Tuy nhiên, dầu lâu năm và bị ô nhiễm sẽ có diện tích tiếp xúc lớn hơn (được gọi là hệ số lan truyền) với nước và dễ bị loang ra hơn.

Điều này là do sự hiện diện của các tạp chất ưa nước (ưa nước) hoạt động bề mặt trong dầu hấp thụ vào bề mặt phân cách dầu-nước. Bởi vì có thể mất thời gian để các tạp chất ưa nước đến bề mặt phân cách, dầu và nước tiếp xúc càng lâu thì IFT càng thấp. Thử nghiệm IFT thường yêu cầu giao diện lão hóa 30 giây trước khi bắt đầu đo.

Người ta có thể nói rằng độ tinh khiết của dầu gốc có thể được đặc trưng bởi IFT của nó vì IFT tỷ lệ với nồng độ và độ mạnh của các tạp chất hoạt động bề mặt, phân cực (ví dụ, các hợp chất của oxy và lưu huỳnh, axit béo và rượu). Do đó, dầu khoáng Nhóm III sẽ có IFT cao hơn Nhóm II. Tương tự như vậy, Nhóm II sẽ cao hơn Nhóm I.

Tăng độ nhớt tương ứng với tăng IFT. Tuy nhiên, nhiệt độ tăng làm giảm sức căng bề mặt giữa dầu và nước. Người ta có thể nói rằng ở một số nhiệt độ cao, tất cả các chất đều trở nên trộn lẫn.

Ảnh hưởng của phụ gia lên IFT, nhũ tương dầu-nước và bọt

Nhiều chất phụ gia hoạt động bề mặt theo thiết kế và giảm IFT theo mặc định. Một số là làm ướt kim loại (ví dụ như AW, EP và chất ức chế gỉ) và một số khác là bao bọc hạt (ví dụ, chất phân tán, chất tẩy rửa và chất khử hoạt tính kim loại). Chất tạo nhũ, được sử dụng trong một số chất lỏng thủy lực và chất lỏng gia công kim loại, nhằm mục đích làm giảm sức căng bề mặt giao thoa để tạo thành nhũ tương dầu-nước.

Dầu nhớt được pha chế với liều lượng phụ gia hoạt động bề mặt cao sẽ dễ bị hòa tan và tạo nhũ tương trong nước trong quá trình sử dụng. Trên thực tế, nồng độ các chất phụ gia này càng cao thì hàm lượng nước có thể tạo nhũ tương càng cao. Ví dụ, khi nồng độ đủ cao của các chất hoạt động bề mặt có mặt trong dầu hoặc pha nước làm giảm IFT xuống 2 dyne / cm hoặc ít hơn, ngay cả sự kích động nhỏ nhất cũng có thể phá vỡ bề mặt phân cách và dẫn đến nhũ tương hóa.

Khi kích thước giọt nước giảm, diện tích bề mặt tiếp xúc với các chất nhũ hóa hoạt động bề mặt nhiều hơn. Diện tích bề mặt giao diện cao này tiêu thụ hiệu quả các chất nhũ hóa ưa nước.

Nếu các tác nhân phân cực này được cung cấp hạn chế, các giọt nước có xu hướng lớn hơn và tụ lại với nhau (làm giảm diện tích bề mặt hiệu dụng), do đó làm giảm độ ổn định của nhũ tương. Trong nhũ tương nước dầu ổn định, kích thước giọt nước thường từ 1 đến 6 micron.

Bọt về cơ bản là nhũ tương của không khí – các hạt không khí được ngăn cách bởi các bức tường mỏng của dầu. Những bức tường này có thể dày đến 1 mm hoặc mỏng đến 0,01 micron. Chất lỏng có độ tinh khiết cao, chẳng hạn như dầu gốc và nước, không tạo bọt.

Tuy nhiên, việc làm giàu chất bôi trơn bằng các chất hoạt động bề mặt, bao gồm nhiều chất phụ gia, có thể tác động tiêu cực đến tốc độ gia tăng không khí tách ra khỏi chất bôi trơn, xu hướng tạo bọt khi không khí tiếp cận bề mặt và tăng tính ổn định của bọt.

Nhiều yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến điều này, bao gồm độ nhớt, độ khuấy, nhiệt độ và các chất phụ gia tạo bọt. Một ảnh hưởng thú vị khác đối với IFT là không khí hòa tan. Nồng độ không khí hòa tan (và các khí khác) càng cao, do đó chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất chất lỏng, IFT và ST càng thấp.

Giám sát tình trạng sử dụng IFT

Sức khỏe và tình trạng của dầu bôi trơn, ở một mức độ lớn, có thể được đo bằng lực căng bề mặt. Khi dầu bị biến chất và bị nhiễm bẩn, IFT sẽ giảm xuống. Ví dụ, chất bôi trơn có IFT tương tự như dầu mới có thể vẫn còn sử dụng được.

Tuy nhiên, nguyên nhân gốc rễ của sự đi xuống của IFT có thể khó chẩn đoán vì xét nghiệm không xác định được nguyên nhân mà chỉ xác định được ảnh hưởng. Tuy nhiên, nó ít nhất chỉ ra một vấn đề tồn tại, thúc đẩy nghiên cứu sâu hơn, làm cho IFT trở thành một công cụ sàng lọc hiệu quả tiềm năng.

Sau đây là các chiến lược phân tích dầu và giám sát tình trạng để sử dụng thử nghiệm IFT với chất bôi trơn tại chỗ:

Tính ổn định oxy hóa
Khi dầu bị oxy hóa, chúng tạo thành các hợp chất ưa nước hòa tan và không hòa tan. Nhiều hợp chất trong số này có thể làm thay đổi IFT của chất bôi trơn rất lâu trước khi có bất kỳ sự thay đổi đáng chú ý nào về số lượng axit hoặc độ nhớt (Hình 4).

backup 200209 Editor Fig4

Hình 4. So sánh độ nhạy của quá trình oxy hóa dầu bằng cách sử dụng số căng và số trung hòa giữa các bề mặt

Dấu hiệu ban đầu của quá trình oxy hóa dầu tương tự như những gì được quan sát thấy với Thử nghiệm oxy hóa bình áp suất quay (RPVOT), phép đo nhiệt lượng quét vi sai và phép đo điện áp tuần hoàn. Ví dụ, khi sức căng bề mặt của dầu tuabin giảm xuống trong khoảng từ 15 đến 20 dyne / cm, sẽ có nguy cơ hình thành cặn và cặn. Ngay cả các phản ứng xúc tác quang của dầu khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời cũng có thể làm giảm IFT.


Ô nhiễm Có rất nhiều chất gây ô nhiễm có thể làm thay đổi mạnh IFT của dầu. Chúng bao gồm tẩy rửa chất tẩy rửa / xà phòng, bụi địa hình, hóa chất xử lý, chất chống đông, chất tẩy dầu mỡ, chất hoạt động bề mặt, v.v. Nhiều chất gây ô nhiễm này không thể nhìn thấy đối với các dụng cụ phân tích dầu khác như máy đếm hạt và máy quang phổ.

Nhiễm bẩn chéo Chất
bôi trơn bị nhiễm chéo với các chất bôi trơn không tương thích khác có thể cho thấy IFT thay đổi rõ rệt. Ví dụ, điều này có thể xảy ra khi dầu hộp số hoặc dầu động cơ được trộn với dầu thủy lực hoặc dầu tuabin. Mỡ được phép trộn với dầu bôi trơn cũng có thể thay đổi IFT.

Sự cạn kiệt chất phụ gia Sự cạn
kiệt các chất phụ gia hoạt động bề mặt (chất tẩy rửa, chất chống mài mòn, chất ức chế rỉ sét, v.v.) do chuyển khối có thể thực sự làm tăng IFT. Tuy nhiên, nói chung, việc thử nghiệm các loại dầu đã qua sử dụng là phù hợp nhất cho những loại dầu có nồng độ phụ gia phân cực thấp và IFT gốc cao. Ví dụ như dầu tuabin, chất lỏng thủy lực và dầu ổ trục R&O.

Rò rỉ
Sự rò rỉ dầu tăng đột ngột có thể do thay đổi IFT. Trong nhiều trường hợp, nguyên nhân gốc rễ có thể là do nhiệt độ vận hành tăng lên. Bởi vì IFT giảm tuyến tính khi tăng nhiệt độ, nhiệt độ cao có thể dẫn đến rò rỉ do giảm sức căng bề mặt (mặt khum, dòng chảy mao dẫn) và giảm độ nhớt. Cả hai đều có thể dẫn đến rò rỉ đột ngột hoặc gia tăng.

Thử nghiệm IFT tại hiện trường

Việc phân tích định lượng IFT trong chất bôi trơn mới và đã qua sử dụng có thể không phải lúc nào cũng là một yêu cầu. Cũng như người dùng có thể có được kiến ​​thức đáng kể về các đặc tính của dầu từ các thử nghiệm hiện trường đơn giản như kiểm tra nứt , kiểm tra vá , kiểm tra thấm , v.v., cũng có nhiều cách để điều tra những thay đổi trong IFT. Một phương pháp đã được đề cập – kiểm tra khả năng lan truyền của một giọt dầu đặt trên bề mặt nước.

So sánh dầu đã qua sử dụng với dầu mới. Ngay cả những ống mao dẫn đơn giản được sử dụng để lấy mẫu máu cũng có thể hữu ích. Ngoài ra, hãy cân nhắc sử dụng máy xay sinh tố bằng cách trộn dầu và nước để quan sát đặc tính khử nhũ tương của dầu. Xét cho cùng, các thử nghiệm về đặc tính khử nhũ tương (ASTM D1401, D2711), bọt (ASTM D892) và thoát khí (ASTM D3427) đều là anh em ruột thịt với các thử nghiệm sức căng bề mặt và sức căng bề mặt.

Thử nghiệm sức căng bề mặt bắt nguồn từ những ngày đầu của quá trình bôi trơn. Ngày nay, có thể có một nhu cầu mới đối với công cụ phân tích dầu quan trọng nhưng hiếm được triển khai này

Nguồn: www.machinerylubrication.com

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.