Apa itu Viskositas Kinematik?

    Viskositas kinematik adalah ukuran resistensi internal suatu fluida untuk mengalir di bawah gaya gravitasi. Hal ini ditentukan dengan mengukur waktu dalam detik, yang diperlukan agar volume cairan tetap mengalir pada jarak yang diketahui secara gravitasi melalui kapiler dalam viskometer yang dikalibrasi pada suhu yang dikontrol ketat.

    Nilai ini dikonversi ke satuan standar seperti centistokes (cSt) atau milimeter persegi per detik. Pelaporan viskositas hanya valid bila suhu saat pengujian dilakukan juga dilaporkan - misalnya 23 cSt pada 40 derajat C.

     Dari semua pengujian yang dilakukan untuk analisis oli bekas, tidak ada yang memberikan kemampuan pengulangan atau konsistensi pengujian yang lebih baik daripada viskositas. Demikian pula, tidak ada sifat yang lebih penting untuk pelumasan komponen yang efektif selain viskositas oli dasar. Namun, kekentalannya lebih dari yang terlihat. Viskositas dapat diukur dan dilaporkan sebagai viskositas dinamis (mutlak) atau viskositas kinematik. Keduanya mudah tertukar, namun sebenarnya berbeda secara signifikan.

    Laboratorium analisis oli yang paling banyak digunakan mengukur dan melaporkan viskositas kinematik. Sebaliknya, sebagian besar viskometer di lokasi mengukur viskositas dinamis, namun diprogram untuk memperkirakan dan melaporkan viskositas kinematik, sehingga pengukuran viskositas yang dilaporkan mencerminkan angka kinematik yang dilaporkan oleh sebagian besar laboratorium dan pemasok minyak pelumas.

    Mengingat pentingnya analisis viskositas ditambah dengan semakin populernya instrumen analisis oli di lokasi yang digunakan untuk menyaring dan melengkapi analisis oli laboratorium di luar lokasi, penting bagi analis oli untuk memahami perbedaan antara pengukuran viskositas dinamis dan kinematik.

    Secara umum, viskositas adalah ketahanan suatu fluida terhadap aliran (tegangan geser) pada suhu tertentu. Terkadang, viskositas secara keliru disebut sebagai ketebalan (atau berat). Viskositas bukanlah ukuran dimensi, jadi menyebut minyak yang sangat kental sebagai minyak yang kental dan minyak yang kurang kental sebagai minyak adalah hal yang menyesatkan.

    Demikian pula, melaporkan viskositas untuk tujuan tren tanpa mengacu pada suhu adalah hal yang tidak masuk akal. Suhu harus ditentukan untuk menafsirkan pembacaan viskositas. Biasanya, viskositas dilaporkan pada 40°C dan/atau 100°C atau keduanya jika indeks viskositas diperlukan.

Persamaan Viskositas Kinematik

    Beberapa satuan teknik digunakan untuk menyatakan viskositas, namun yang paling umum sejauh ini adalah centistoke (cSt) untuk viskositas kinematik dan centipoise (cP) untuk viskositas dinamis (mutlak). Viskositas kinematik dalam cSt pada 40°C adalah dasar dari sistem penilaian viskositas kinematik ISO 3448, yang menjadikannya standar internasional. Sistem viskositas kinematik umum lainnya seperti Saybolt Universal Seconds (SUS) dan sistem penilaian SAE dapat dikaitkan dengan pengukuran viskositas dalam cSt pada suhu 40°C atau 100°C.

Mengukur Viskositas Kinematik

    Viskositas kinematik diukur dengan mencatat waktu yang diperlukan minyak untuk mengalir melalui lubang kapiler di bawah gaya gravitasi (Gambar 1). Lubang tabung viskometer kinematik menghasilkan hambatan aliran yang tetap. Kapiler dengan ukuran berbeda tersedia untuk mendukung cairan dengan viskositas berbeda-beda.

    Waktu yang dibutuhkan fluida untuk mengalir melalui tabung kapiler dapat diubah menjadi viskositas kinematik menggunakan konstanta kalibrasi sederhana yang disediakan untuk setiap tabung. Prosedur dominan untuk melakukan pengukuran viskositas kinematik adalah ASTM D445, yang sering dimodifikasi di laboratorium analisis oli bekas untuk menghemat waktu dan membuat pengukuran pengujian lebih efisien.

Gambar 1. Viskometer U-Tube Kapiler 

Mengukur Viskositas Dinamis (Viskositas Absolut)

    Viskositas dinamis diukur sebagai resistensi terhadap aliran ketika gaya eksternal dan terkontrol (pompa, udara bertekanan, dll.) memaksa oli melewati kapiler (ASTM D4624), atau benda dipaksa melewati fluida oleh gaya eksternal dan terkontrol seperti sebagai sebuah spindel yang digerakkan oleh motor. Dalam kedua kasus tersebut, resistansi terhadap aliran (atau geser) sebagai fungsi gaya masukan diukur, yang mencerminkan resistansi internal sampel terhadap gaya yang diterapkan, atau viskositas dinamisnya.

    Ada beberapa jenis dan perwujudan viskometer absolut. Metode putar Brookfield yang digambarkan pada Gambar 2 adalah yang paling umum. Pengukuran viskositas absolut telah digunakan untuk aplikasi penelitian, pengendalian kualitas dan analisis gemuk dalam bidang pelumasan mesin.

Gambar 2. Viskometer Putar ASTM D2983 

    Prosedur untuk menguji viskositas dinamis di laboratorium dengan metode tradisional Brookfield ditentukan oleh ASTM D2983, D6080 dan lainnya. Namun, viskositas dinamis menjadi umum dalam bidang analisis oli bekas karena sebagian besar viskometer yang dijual di pasaran saat ini mengukur viskositas dinamis, bukan viskositas kinematik. 

    Secara umum, viskositas kinematik (cSt) berhubungan dengan viskositas absolut (cP) sebagai fungsi dari berat jenis fluida (SG) menurut persamaan pada gambar 3.

Gambar 3. Persamaan Viskositas 

    Meskipun persamaan ini terlihat sederhana dan anggun, persamaan ini hanya berlaku untuk fluida Newton. Selain itu, berat jenis fluida harus tetap konstan selama periode tren. Tak satu pun dari kondisi ini yang dapat dianggap konstan dalam analisis oli bekas, sehingga analis harus menyadari kondisi di mana varians dapat terjadi.

Viskositas Kinematik: Fluida Newtonian vs. Non-Newtonian

    Fluida Newtonian adalah fluida yang mempertahankan viskositas konstan pada semua laju geser (tegangan geser bervariasi secara linier terhadap laju geser). Fluida ini disebut Newtonian karena mengikuti rumus asli yang ditetapkan oleh Sir Isaac Newton dalam Hukum Mekanika Fluida. Namun, beberapa cairan tidak berperilaku seperti ini. Secara umum disebut fluida non-Newtonian. Fluida Newtonian meliputi gas, air, minyak, bensin, dan alkohol.

    Sekelompok fluida Non-Newtonian yang disebut sebagai tiksotropik menjadi perhatian khusus dalam analisis oli bekas karena viskositas fluida tiksotropik menurun seiring dengan meningkatnya laju geser. Viskositas cairan tiksotropik meningkat seiring dengan menurunnya laju geser. Dengan cairan tiksotropik, waktu penyetelan dapat meningkatkan viskositas nyata seperti pada kasus gemuk. Contoh fluida Non-Newtonian antara lain:

• Cairan pengental geser: viskositas meningkat seiring dengan meningkatnya laju geser. Misalnya tepung maizena, jika dimasukkan ke dalam air dan diaduk, lama kelamaan akan terasa lebih kental.

• Cairan pengencer geser: viskositas menurun seiring dengan meningkatnya laju geser. Cat untuk dinding Anda adalah contoh bagusnya. Saat Anda mengaduk cat, cat menjadi lebih cair.

• Cairan tiksotropik: menjadi kurang kental bila diaduk. Contoh umumnya adalah saus tomat dan yogurt. Setelah dikocok, mereka menjadi lebih cair. Ketika dibiarkan, mereka kembali ke keadaan seperti gel.

• Cairan rheopectic: menjadi lebih kental saat diaduk. Contoh umum dari hal ini adalah tinta printer.

Viskositas Kinematik: Contoh Praktis

    Bayangkan Anda memiliki dua toples di depan Anda - satu berisi mayones, yang lain berisi madu. Dengan kedua stoples ditempelkan pada permukaan meja dengan Velcro, bayangkan diri Anda mencelupkan pisau mentega yang identik ke dalam masing-masing cairan pada sudut dan kedalaman yang sama. Bayangkan mengaduk kedua cairan dengan memutar pisau pada kecepatan yang sama sambil menjaga sudut serang yang sama.

    Manakah dari dua cairan yang lebih sulit untuk diaduk? Jawaban Anda seharusnya adalah madu, yang lebih sulit diaduk dibandingkan mayones. Sekarang bayangkan melepaskan stoples dari Velcro di atas meja dan membalikkan stoples pada sisinya. Mana yang lebih cepat keluar dari toples, madu atau mayones? Jawaban Anda seharusnya sayang; mayones tidak akan mengalir sama sekali dengan membalikkan toples.

    Cairan mana yang lebih kental, madu atau mayonaise? Jika Anda mengatakan mayones, Anda benar… setidaknya sebagian. Demikian pula, jika Anda mengatakan sayang, Anda sebagian benar. Alasan anomali yang terlihat adalah ketika pisau diputar pada kedua zat, laju gesernya bervariasi, sedangkan memutar setiap toples pada sisinya hanya mengukur hambatan statis terhadap aliran.

    Karena madu merupakan cairan Newtonian sedangkan mayones adalah non-Newtonian, viskositas mayones menurun seiring dengan meningkatnya laju penggeseran, atau seiring dengan putaran pisau. Pengadukan membuat mayones mengalami tegangan geser yang tinggi, menyebabkan mayones menyerah pada gaya pemaksaan. Sebaliknya, jika stoples diposisikan pada sisinya, maka mayones akan mengalami tegangan geser yang rendah, sehingga hanya menyebabkan sedikit atau tidak ada perubahan viskositas, sehingga mayones cenderung tetap berada di dalam stoples.

    Viskositas fluida non-Newtonian tidak dapat diukur secara konvensional. Sebaliknya, kita harus mengukur viskositas nyata, yang mempertimbangkan laju geser pada saat pengukuran viskositas dilakukan. (Lihat Gambar 4) Sama seperti pengukuran viskositas tidak masuk akal kecuali suhu pengujian dilaporkan, pengukuran viskositas nyata tidak masuk akal kecuali suhu pengujian dan laju geser dilaporkan.

    Misalnya, viskositas gemuk tidak pernah dilaporkan, melainkan viskositas nyata gemuk tersebut dilaporkan dalam centipoise (cP). (Catatan: viskositas dapat dilaporkan untuk minyak dasar yang digunakan untuk membuat gemuk, namun tidak untuk produk jadi.)

    Secara umum, suatu fluida bersifat non-Newtonian jika fluida tersebut terdiri dari satu zat yang tersuspensi (tetapi tidak larut secara kimia) dalam fluida inang. Agar hal ini terjadi, ada dua kategori dasar, emulsi dan suspensi koloid. Emulsi adalah koeksistensi fisik yang stabil dari dua cairan yang tidak dapat bercampur. Mayones adalah cairan non-Newtonian yang umum, terdiri dari telur yang diemulsi menjadi minyak, cairan inang. Karena mayones bersifat non-Newtonian, viskositasnya akan berubah seiring dengan tekanan yang diterapkan, sehingga mudah menyebar.

    Suspensi koloid terdiri dari partikel padat yang tersuspensi secara stabil dalam cairan inang. Banyak cat merupakan suspensi koloidal. Jika cat tersebut adalah cat Newtonian maka cat akan menyebar dengan mudah tetapi akan luntur jika viskositasnya rendah, atau menyebar dengan susah payah dan meninggalkan bekas kuas, tetapi tidak akan luntur jika viskositasnya tinggi.

    Karena catnya non-Newtonian, kekentalannya akan hilang akibat kekuatan kuas, namun akan kembali lagi jika kuas dihilangkan. Hasilnya, cat relatif mudah menyebar, namun tidak meninggalkan bekas kuas dan tidak luntur.

Viskositas Dinamis vs. Kinematik: Apa Bedanya

    Viskositas dinamis menentukan ketebalan film yang disediakan oleh oli. Viskositas kinematik hanyalah upaya mudah untuk memperkirakan tingkat ketebalan film yang dapat dihasilkan oleh oli, namun kurang penting jika oli tersebut non-Newtonian.

Banyak formulasi dan kondisi pelumas yang akan menghasilkan fluida non-Newtonian, antara lain:

• Aditif Peningkat Indeks Viskositas (VI) - Oli mesin berbahan dasar mineral multigrade (kecuali oli dasar VI tinggi alami) diformulasikan dengan aditif kenyal yang kompak pada suhu rendah dan mengembang pada suhu tinggi sebagai respons terhadap peningkatan solvabilitas cairan. Karena molekul aditif ini berbeda dengan molekul minyak inang, maka ia berperilaku non-Newtonian.

• Kontaminasi Air - Minyak dan air bebas tidak bercampur, tidak secara kimiawi. Namun dalam keadaan tertentu, mereka akan bergabung membentuk emulsi, seperti mayones yang dibahas sebelumnya. Siapapun yang pernah melihat minyak yang terlihat seperti kopi dengan krim dapat membuktikan fakta ini. Meskipun mungkin tampak berlawanan dengan intuisi, kontaminasi air, ketika diemulsi ke dalam minyak, sebenarnya meningkatkan viskositas kinematik.

• Produk Sampingan Degradasi Termal dan Oksidatif - Banyak produk sampingan degradasi termal dan oksidatif tidak larut, namun dibawa oleh minyak dalam suspensi yang stabil. Suspensi ini menciptakan perilaku non-Newtonian.

• Jelaga - Biasa ditemui pada mesin diesel, jelaga merupakan partikel yang menghasilkan suspensi koloidal dalam oli. Aditif pendispersi minyak, yang dirancang untuk mencegah partikel jelaga menggumpal dan tumbuh, berfungsi untuk memfasilitasi pembentukan suspensi koloid.

  
  

    Jika seseorang mengukur viskositas absolut dari salah satu emulsi atau koloid yang umum ditemui seperti dijelaskan di atas dengan viskometer absolut laju geser variabel (misalnya, ASTM D4741), pengukuran akan menurun seiring dengan meningkatnya laju geser, hingga titik stabilisasi. .

    Jika viskositas absolut yang distabilkan ini dibagi dengan berat jenis fluida untuk memperkirakan viskositas kinematik, nilai yang dihitung akan berbeda dari viskositas kinematik yang diukur. Sekali lagi, persamaan pada Gambar 3 hanya berlaku untuk fluida Newton, bukan fluida non-Newtonian yang dijelaskan di atas, itulah sebabnya perbedaan ini terjadi.

Viskositas Kinematik dan Efek Gravitasi Spesifik

    Perhatikan kembali persamaan pada Gambar 3. Viskositas absolut dan kinematik fluida Newton berhubungan sebagai fungsi dari berat jenis fluida. Perhatikan peralatan pada Gambar 1, bohlam yang berisi sampel minyak, yang dilepaskan ketika ruang hampa dihilangkan, kemudian menghasilkan tekanan yang mendorong minyak melalui tabung kapiler.

    Bisakah kita berasumsi bahwa semua fluida akan menghasilkan tekanan yang sama? Tidak, tekanan adalah fungsi dari berat jenis fluida, atau berat relatif terhadap berat volume air yang sama. Kebanyakan minyak pelumas berbahan dasar hidrokarbon memiliki berat jenis 0,85 hingga 0,90. Namun, hal ini dapat berubah seiring berjalannya waktu karena oli terdegradasi atau terkontaminasi (misalnya glikol, air, dan logam aus), yang menghasilkan perbedaan antara pengukuran viskositas absolut dan kinematik.

    Perhatikan data yang disajikan pada Tabel 2. Masing-masing skenario oli baru adalah identik, dan dalam kedua kasus tersebut, viskositas absolut meningkat sebesar 10 persen, biasanya merupakan batas yang menentukan perubahan viskositas. Dalam skenario A, sedikit perubahan pada berat jenis menghasilkan sedikit perbedaan antara viskositas absolut terukur dan viskositas kinematik.

    Perbedaan ini dapat sedikit menunda bunyi alarm penggantian oli, namun tidak akan menyebabkan banyak kesalahan. Namun, dalam skenario B, perbedaannya jauh lebih besar. Di sini, berat jenis meningkat secara signifikan, yang menghasilkan peningkatan viskositas kinematik terukur sebesar 1,5 persen, dibandingkan peningkatan 10 persen yang diukur dengan viskometer absolut.

    Ini adalah perbedaan signifikan yang dapat mengarahkan analis untuk mengidentifikasi situasi tersebut sebagai situasi yang tidak dapat dilaporkan. Kesalahan yang dibuat adalah asumsi dalam kedua skenario bahwa fluida tetap bersifat Newtonian.

    Karena banyaknya kemungkinan pembentukan cairan non-Newtonian, parameter sebenarnya yang menarik bagi analis oli dan teknologi pelumas adalah viskositas absolut. Inilah yang menentukan ketebalan film fluida dan tingkat perlindungan permukaan komponen. Demi kepentingan ekonomi, kesederhanaan dan fakta bahwa prosedur pengujian pelumas baru biasanya digunakan untuk analisis oli bekas, viskositas kinematik oli adalah parameter terukur yang digunakan untuk menentukan tren dan membuat keputusan manajemen pelumas. Namun, dalam kasus tertentu hal ini dapat menimbulkan kesalahan yang tidak perlu dalam menentukan viskositas suatu oli.

    Masalahnya dapat direduksi menjadi matematika sederhana. Seperti persamaan pada Gambar 3, viskositas absolut dan kinematik berhubungan sebagai fungsi dari berat jenis minyak. Jika viskositas dan berat jenis bersifat dinamis, tetapi hanya satu yang diukur, kesalahan akan terjadi, dan viskositas kinematik tidak akan memberikan penilaian yang akurat terhadap perubahan viskositas absolut fluida, parameter yang diinginkan. Besarnya kesalahan merupakan fungsi dari besarnya perubahan parameter yang tidak terukur, yaitu berat jenis.

Kesimpulan Penting Mengenai Viskositas Kinematik

Kesimpulan berikut dapat diambil dari diskusi tentang pengukuran viskositas ini:

• Dengan asumsi laboratorium mengukur viskositas dengan metode kinematik, menambahkan pengukuran berat jenis ke program analisis oli laboratorium rutin akan membantu menghilangkan variabel ini sebagai variabel dalam memperkirakan viskositas absolut dari viskositas kinematik yang diukur.

  
  Saat menggunakan viskometer di lokasi, jangan mencari kesesuaian yang lengkap antara viskometer kinematik laboratorium dan instrumen di lokasi. Sebagian besar perangkat ini mengukur viskositas absolut (cP) dan menerapkan algoritme untuk memperkirakan viskositas kinematik (cSt), yang sering kali mempertahankan konstanta berat jenis. Pertimbangkan untuk membuat tren hasil dari viskometer di lokasi dalam cP.

  
  

• Ini adalah parameter yang diukur, dan membantu membedakan tren di lokasi dari tren data yang dihasilkan oleh laboratorium dengan viskometer kinematik. Jangan mencoba mencapai kesesuaian sempurna antara pengukuran viskositas di lokasi dan di laboratorium. Itu sia-sia dan hanya menghasilkan sedikit nilai. Paling-paling, carilah korelasi yang longgar. Selalu dasarkan oli baru dengan viskometer yang sama dengan yang Anda gunakan dengan oli dalam servis.

  
  

• Ketahuilah bahwa fluida non-Newtonian tidak memberikan perlindungan lapisan film yang sama untuk viskositas kinematik tertentu seperti fluida Newtonian dengan viskositas kinematik yang sama. Karena viskositas fluida non-Newtonian akan bervariasi seiring dengan laju geser, kekuatan film akan melemah akibat beban dan kecepatan operasi. Itulah salah satu alasan mengapa air yang teremulsi meningkatkan laju keausan pada komponen seperti bantalan elemen gelinding, yang mana kekuatan lapisan fluida sangat penting (tentu saja, air juga menyebabkan mekanisme keausan lainnya seperti kavitasi uap, penggetasan karat dan hidrogen, serta melepuh).

    Viskositas adalah sifat fluida yang penting, dan pemantauan viskositas sangat penting untuk analisis oli. Teknik pengukuran viskositas dinamis dan kinematik dapat memberikan hasil yang sangat berbeda ketika menguji oli bekas. Pastikan seluk beluk pengukuran viskositas dan perilaku cairan kental dipahami sehingga keputusan pelumasan yang akurat dapat dibuat.