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ETUDE PHYSICO-CHIMIQUE DES HUILES
LUBRIFIANTES NEUVE ET USAGEE
COMPOSITION DES LUBRIFIANTS
Les lubrifiants sont des mélanges complexes composés principalement d’une « base » huileuse et d’un certain nombre d’additifs.
Les huiles de base
Les huiles de base proviennent de diverses sources d’origine naturelle (huiles végétales ou animales), d’origine pétrolière ou de synthèse [1-4,6]. Les deux dernières sont actuellement les plus utilisées.
Les huiles d’origine pétrolière
Les huiles d’origine pétrolière, appelées habituellement huiles minérales, sont des mélanges complexes d’hydrocarbures liquides obtenus par distillation des pétroles bruts et différents traitements de raffinage complémentaires appropriés (hydrogénation et/ou extraction par solvant) [6]. On distingue principalement trois types d’hydrocarbures [8] : • les paraffines, hydrocarbures saturés à chaîne droite (n-paraffine) ou ramifiée (iso-paraffine) et ne comportant aucun cycle ; • les naphtènes, ensemble d’hydrocarbures saturés constitués principalement d’un ou plusieurs cycles, des chaînes plus ou moins longues y sont parfois accolées ; • les aromatiques, hydrocarbures insaturés formés d’un ou plusieurs noyaux benzéniques, condensés ou non, sur lesquels sont fixées une ou plusieurs chaînes latérales. La distribution relative des composés paraffiniques, aromatiques ou naphténiques a une grande importance sur les propriétés des lubrifiants [7]. Pour les huiles moteurs, les tendances chimiques les plus répandues sont de nature naphténique et iso-paraffinique
Les huiles de synthèse
Les huiles de synthèse ou huiles synthétiques sont obtenues par combinaisons chimiques de plusieurs composants de faibles poids moléculaires, ceux pouvant être de même nature ou différente. Ces huiles, bien qu’elles soient plus chères, permettent de résoudre des problèmes de lubrification particulièrement difficiles.Ce sont notamment les fluides de haute stabilité thermique, les fluides difficilement inflammables et les lubrifiants pour l’aviation. Les principales huiles synthétiques utilisées comprennent les polyalphaoléfines (PAO) et les esters .
Les additifs
Les bases lubrifiantes sont rarement utilisées pures ; elles ne possèdent pas toutes les propriétés requises pour assurer une bonne lubrification de tous les équipements. En général, elles sont ajoutées, à hauteur de 15 à 20 % en masse, de produits chimiques très variés appelés dopes ou additifs. Ces additifs permettent d’améliorer les caractéristiques des huiles de base, de renforcer certaines de leurs propriétés qu’elles possèdent à degré divers et leurs confèrent des propriétés spéciales. Les additifs sont répartis en trois groupes, dont les fonctions et le mode d’action peuvent être résumées comme suit : • protection des surfaces métalliques (additifs détergents-dispersants, anti-usures et anticorrosions) ; • extension du domaine d’application, vers les hautes et basses températures principalement (additifs améliorant l’indice de viscosité et améliorant le points de congélation) ; • stabilisation physico-chimique de l’huile de base (additifs anti-oxydants et anti-mousses).
LES PRINCIPALES FONCTIONS DES LUBRIFIANTS
Les fabricants de lubrifiants et les constructeurs d’engins motorisés travaillent étroitement dans le but de produire des huiles de haute qualité et offrant un rendement fiable. Ces huiles doivent remplir les fonctions suivantes [12] : • faciliter le démarrage, • lubrifier les pièces du moteur et prévenir l’usure, • réduire le frottement, • protéger les pièces contre la rouille et la corrosion, • garder les pièces du moteur propres, • réduire les dépôts dans la chambre de combustion, • lutter contre la suie, • refroidir les pièces du moteur, • maintenir l’étanchéité et ainsi les pressions de la chambre de combustion, • empêcher la formation de mousse.
LES CARACTERISTIQUES DES LUBRIFIANTS
Généralité
Les caractéristiques des lubrifiants correspondent aux propriétés physiques et chimiques que des usagers ont souvent rassemblé dans des « cahiers des charges », ce afin de faciliter le choix des produits proposés à un usage particulier. Ces propriétés peuvent être qualifiées de : caractéristiques d’identification, ensemble de propriétés mesurables ou repérables grâce auxquelles le produit est considéré comme identique à un échantillon témoin ; caractéristiques d’utilisation ou de conformité à un usage bien défini, par suite de mesures de Mémoire de DEA, Juillet 2009. RABERANTO John William. Département de Chimie Minérale et de Chimie 5 Physique, option Chimie Physique. Faculté des Sciences, Université d’Antananarivo. Rappels sur les lubrifiants qualités ou propriétés intrinsèques ou, le plus souvent, d’essais spéciaux effectués dans des conditions considérées comme en rapport avec les performances recherchées. Parmi les caractéristiques les plus importantes, nous distinguons la densité, l’indice de réfraction, la viscosité, l’indice de viscosité et les indices de neutralisation
Densité
C’est le rapport de la masse d’un volume d’huile (exprimée en kg/m3 , kg/dm3 ou g/cm3 ), mesurée à une température donnée, à celle d’un même volume d’eau à 4°C [1,14]. Elle est généralement déterminée à 20 °C et, on la désigne par : 20 d4 un d’ masse même C4àeau d’volume 20 d’ masse C 20 à huiled’ un volume 4 ° ° d = (1.1)
Indice de réfraction
L’indice de réfraction n d’un lubrifiant est défini par le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide, notée c, et celle dans ce même lubrifiant, notée v, soit : v c n = (1.2) C’est un nombre sans dimension caractérisant un milieu donné, il varie de l’ordre de 1,35 à 1,60 pour les hydrocarbures ; celui des hydrocarbures aromatiques est supérieur à celui des naphténiques, lui-même supérieur à celui des paraffiniques. Les huiles minérales ont un indice de réfraction compris entre 1,470 et 1,550. Il est d’autant plus élevé que la masse moléculaire moyenne et la densité de l’huile sont élevées. L’indice de réfraction, associé à la densité, peut être utilisé pour fournir des renseignements précis sur la répartition moyenne des carbones de l’huile (carbones paraffiniques, naphténiques et aromatiques). On définit alors : le « refractivity intercept », inventé par Kurtz et Ward et est calculé à l’aide de la relation : 2 d nRI −= (1.3) où n indice de réfraction de la fraction pétrolière, d densité de la fraction pétrolière. C’est un paramètre qui peut bien séparer différents groupes d’hydrocarbures homologues : il distingue les paraffines, naphtènes et aromatiques mieux que d’autres paramètres. le facteur de caractérisation de Huang « I », un paramètre ne dépendant que de l’indice de réfraction ; il est donné par : 2 1 2 2 + − = n n I (1.4) Ces deux facteurs sont utilisés pour prédire la nature chimique des lubrifiants. Mémoire de DEA, Juillet 2009. RABERANTO John William. Département de Chimie Minérale et de Chimie 6 Physique, option Chimie Physique. Faculté des Sciences, Université d’Antananarivo.
Rappels sur les lubrifiants
Viscosité
La viscosité est la plus importante des propriétés physico-chimiques des lubrifiants. Propriété essentiellement dynamique, elle détermine l’aptitude d’un fluide à assurer la lubrification par film complet sous des conditions définies de vitesse, de charge et de température.
Définition
La viscosité d’un liquide est la propriété de ce liquide, résultant de la résistance qu’opposent ses molécules à une force tendant à les déplacer par glissement dans son sein [1,10]
Viscosité dynamique
La viscosité dynamique ou absolue est la « vraie » viscosité, elle est déduite de la loi de Newton relative à l’écoulement laminaire définie par la relation [14,16,17] : dh dU S F =η (1.5) avec : SF =τ contrainte ou tension de cisaillement, exprimée dans le SI en N/m2 ; dhdU = γ& vitesse de déformation, souvent appelé gradient de vitesse ou « taux de cisaillement », exprimée dans le SI en s-1 ; η coefficient de viscosité dynamique ou simplement la « viscosité dynamique ». La viscosité dynamique s’exprime dans le SI en Pa.s (Pascal.seconde), mais on utilise dans la pratique le sous-multiple mPa.s (millipascal.seconde). Dans le système CGS, l’unité de viscosité dynamique est la dyne-seconde par centimètre carré (dyn.s/cm2 ), soit le Poise (Po) et 1 cPo = 1 mPa.s (1 cPo est très sensiblement la viscosité de l’eau à 20 °C). Les liquides dont l’écoulement vérifie la loi de Newton sont dits « liquides newtoniens », leur viscosité est indépendante du taux de cisaillement. Tels sont le cas des huiles minérales et la plupart des huiles de synthèse. Au cours de l’écoulement laminaire, un liquide présente une structure en lamelles, des couches adjacentes d’épaisseurs infiniment minces ; cet écoulement se manifeste par un glissement relatif des couches les unes sur les autres, sans transfert de matière d’une couche à l’autre [18]. Dans ces conditions, le « nombre de Reynolds », un nombre sans dimension noté Re, doit rester inférieur à une valeur voisine de 2000. Ce nombre peut varier suivant la rugosité des parois d’un tube ou suivant sa courbure : η ⋅⋅ ρ = u l Re avec : u vitesse moyenne du liquide dans le tube (m/s) définie comme le quotient du débit Q par la section du tube, l diamètre du tube (m), ρ masse volumique du liquide (kg/m3 ), η viscosité dynamique du fluide (Pa.s).
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