Additifs de Lubrifiants : Un Guide Complet

Les lubrifiants font tourner le monde. Une fois que quelque chose bouge, un lubrifiant doit être présent pour réduire la friction ou l'usure entre les surfaces. Mais qu’est-ce qui rend les lubrifiants si uniques dans notre industrie ? Est-ce juste l'huile de base ?

Non, c'est là que le pouvoir de additifs lubrifiants brille vraiment, un domaine que beaucoup négligent. Cet article se concentre davantage sur les héros méconnus de l’industrie, les types impliqués, leurs fonctionnalités et certains défis.

Pourquoi avons-nous besoin d’additifs lubrifiants ?

Avant d’entrer dans le monde des additifs, revenons à l’essentiel : pourquoi sont-ils nécessaires ? Un lubrifiant est composé d’huile de base et d’additifs. Selon le type d'huile, différents ratios d'additifs seront utilisés pour les différentes applications. De plus, chaque fabricant de lubrifiant aura sa formule unique pour son lubrifiant.

Pour simplifier cela, on peut penser à se préparer une tasse de thé. La première chose dont nous avons besoin est de l’eau chaude dans une tasse. Cela peut être notre huile de base. Il peut être utilisé seul (certaines personnes boivent de l'eau chaude ou l'utilisent à d'autres fins), mais si l'on veut préparer une tasse de thé, il faut y ajouter des trucs.

En fonction du but pour lequel vous buvez le thé, vous pouvez choisir une saveur particulière. Peut-être de la menthe poivrée pour améliorer la digestion ou pour aider à améliorer votre concentration ou de la camomille pour vous garder calme.

Ces arômes peuvent représenter les différents types d’huiles : huiles pour engrenages, huiles pour turbines ou huiles moteur. Différents mélanges conviennent à différentes applications.

Maintenant, alors que nous avons ajouté le sachet de thé à l’eau chaude (et que certaines personnes peuvent boire du thé comme celui-ci), d’autres doivent ajouter un édulcorant ou du lait. Ce sont les additifs de l'huile de base (eau chaude).

Selon les préférences de la personne qui boit le thé, il y aura différentes quantités d'édulcorant (miel, stévia ou sucre) et différentes quantités de lait (ordinaire, faible en gras, d'avoine, sans produits laitiers). Les combinaisons sont infinies !

La même chose peut être dite des additifs contenus dans les lubrifiants finis. Selon le type d'huile (arôme de thé, huile pour engrenages ou huile pour turbine) et son application (la personne qui boit le thé, avec des préférences alimentaires sans produits laitiers ou sans sucre), la combinaison d'additifs lubrifiants et leurs ratios différeront. Le pourcentage d'additifs peut varier de 0,001 à 30 % selon le type d'huile.

Le lubrifiant fini aura les propriétés de l’huile de base et des additifs combinés. Explorons un peu plus en détail le fonctionnement de ces additifs et leurs caractéristiques.

Types d'additifs lubrifiants

Il existe de nombreux types d’additifs pour lubrifiants et diverses formulations proviennent de différents fournisseurs. Dans cette section, nous aborderons les additifs les plus courants trouvés dans les lubrifiants finis.

Abaisseurs de point d'écoulement

Tous les liquides ont une température particulière à laquelle ils peuvent s’écouler efficacement. La viscosité et la température actuelle du liquide déterminent la rapidité avec laquelle il se déplace. Comme leur nom l'indique, les abaisseurs de point d'écoulement peuvent aider à abaisser la température à laquelle le lubrifiant s'écoule1.

Améliorateurs d'indice de viscosité

Améliorateurs d'indice de viscosité are also known as Viscosity Modifiers2. They assist the lubricant in increasing its viscosity at higher temperatures, allowing lubricants to operate in wider temperature ranges.

Modificateurs de friction

Lorsque deux surfaces frottent l’une contre l’autre, une friction se forme. En fonction du type et de l'ampleur du frottement, certaines surfaces peuvent subir des soudures et même une usure adhésive. C’est là que les modificateurs de friction peuvent aider en réduisant les forces de friction associées aux oscillations et aux bruits de stick-slip.

Antimousses (Antimousse)

Certains lubrifiants succombent à la formation de mousse dans leurs systèmes. Lorsque la mousse se forme, elle impacte considérablement les fonctions du lubrifiant et peut entraîner une usure excessive due au manque de lubrification (elles perturbent la surface du lubrifiant), à la cavitation (due à la présence de bulles d'air), voire à une oxydation accrue (due à la présence d'air emprisonné dans le système). La mousse peut également affecter la capacité d’un liquide à transférer de la chaleur ou à refroidir. Les antimousses ou les additifs antimousse réduisent la quantité de mousse produite.

Inhibiteurs d'oxydation (antioxydants)

L'oxydation se produit dans la plupart des lubrifiants. Au cours du processus d'oxydation, des radicaux libres émergent et se propagent pour former des radicaux alkyles ou peroxy et des hydroperoxydes, qui finissent par réagir avec d'autres pour former des sous-produits d'oxydation. Lors de la phase de propagation, des antioxydants sont généralement déployés pour neutraliser les radicaux libres ou décomposer les hydroperoxydes3. En tant que tels, ces additifs sont de nature sacrificielle, car ils protègent l’huile de base de l’oxydation en étant épuisée.

Il existe de nombreux types d'antioxydants, notamment les composés azotés phénoliques et aromatiques, les phénols encombrés, les amines aromatiques, les dithiophosphates de zinc et quelques autres.

Inhibiteurs de rouille et de corrosion

Si de l’oxygène et de l’eau sont présents à un endroit contenant du fer, de la rouille peut se former. La corrosion affecte les métaux non ferreux en présence d'acides dans le lubrifiant1. La plupart des pièces d'équipement succombent assez facilement à la rouille et à la corrosion. Ces inhibiteurs ont donc été développés pour atténuer ces effets en formant des couches protectrices sur les surfaces de l'équipement.

Détergents et Dispersants

Les détergents et les dispersants sont souvent confondus car ils agissent généralement ensemble pour empêcher les dépôts de s’accumuler dans les huiles. Les détergents neutralisent les précurseurs de dépôts (notamment dans les huiles moteur), tandis que les dispersants suspendent les matières potentiellement formatrices de boues ou de vernis4.

Additifs Anti-usure

Les additifs anti-usure réduisent la friction et l'usure, notamment dans des conditions limites de lubrification. Ils sont conçus pour réduire l’usure lorsque le système est exposé à des contraintes modérées2.

Additifs extrême pression

Les additifs Extrême Pression sont généralement confondus avec les additifs anti-usure, ou les noms sont utilisés de manière interchangeable. Cependant, les additifs extrême pression commencent à agir lorsque le système subit des contraintes élevées et tentent d'empêcher le soudage des pièces mobiles, contrairement aux additifs anti-usure, qui fonctionnent lorsque le système subit des contraintes modérées.

Comment fonctionnent les additifs lubrifiants ?

Chaque additif agit différemment pour remplir sa fonction sur l'huile de base et sur le lubrifiant fini global. Cette section explorera le fonctionnement de chacun des additifs lubrifiants et certains des défis auxquels ils peuvent être confrontés.

Abaisseurs de point d'écoulement

Comme indiqué ci-dessus, les abaisseurs de point d'écoulement aident à contrôler le débit du lubrifiant. Ceci est réalisé en modifiant les cristaux de cire présents dans l’huile de base du lubrifiant. À des températures plus basses, le liquide a généralement du mal à être versé en raison de la présence de molécules de cire dans l'huile de base1.

Il existe deux principaux types d’abaisseurs de point d’écoulement, à savoir :

• Polymères alkylaromatiques s'adsorbe sur les cristaux de cire au fur et à mesure de leur formation, les empêchant ainsi de croître et d'adhérer les uns aux autres. Cela contrôle efficacement le processus de cristallisation et garantit que le lubrifiant peut être versé.
• Polyméthacrylates co-cristalliser avec de la cire pour empêcher la croissance des cristaux.

Bien que ces additifs n’empêchent pas entièrement la croissance des cristaux de cire, ils abaissent la température à laquelle ces structures rigides se forment. Ces additifs peuvent atteindre une dépression du point d'écoulement allant jusqu'à 28°C (50°F) ; cependant, la plage courante se situe généralement entre 11 et 17 °C (20 et 30 °F).

Des seuils de solubilité peuvent limiter l'utilisation de ce type d'additif pour obtenir l'effet souhaité sur l'huile de base.

Améliorateurs d'indice de viscosité

Ces additifs sont généralement des polymères à longue chaîne et de poids moléculaire élevé qui modifient leur configuration dans le lubrifiant en fonction de la température4. Lorsque le lubrifiant est dans un environnement froid, ces polymères adoptent une forme enroulée pour minimiser l'effet sur la viscosité. En revanche, dans un environnement chaud, ils se redresseront, permettant à l’huile de produire un effet épaississant.

Bien qu’il soit plus souhaitable d’utiliser des polymères de haut poids moléculaire (puisqu’ils procurent un meilleur effet épaississant), ces molécules à longue chaîne sont également sujettes à une dégradation due au cisaillement mécanique. Par conséquent, un équilibre doit être atteint entre le poids moléculaire et les conditions de service stables au cisaillement.

Un autre défi pour les formulateurs est d’équilibrer la tendance du polymère au cisaillement avec l’épaississement attendu de la viscosité dû aux processus d’oxydation et l’amincissement de la viscosité dû à la dilution du carburant1.

Modificateurs de friction

Ceux-ci entrent généralement en concurrence avec les additifs anti-usure et extrême pression (et autres composés polaires) pour l'espace en surface. Cependant, ils s'activent à des températures où les additifs AW et EP ne sont pas encore actifs. Ainsi, ils forment de fines couches monomoléculaires de produits polaires solubles physiquement adsorbés ou des couches de carbone tribochimiques réduisant la friction, qui présentent un comportement de friction inférieur à celui des additifs AW et EP2.

Il existe différents groupes de modificateurs de friction en fonction de leur fonction. Certains sont des FM à travail mécanique (composés lubrifiants solides, par exemple bisulfure de molybdène, graphite, PTFE, etc.), des couches d'adsorption formant des FM (par exemple, ester d'acide gras, etc.), des couches de réaction tribochimique formant des FM, des polymères de friction formant des FM et des composés organométalliques.

Antimousses (Antimousse)

Lorsque de la mousse se forme dans le lubrifiant, de minuscules bulles d'air restent emprisonnées soit à la surface, soit à l'intérieur (appelées mousse intérieure). Les antimousses agissent en s'adsorbant sur la bulle de mousse et en affectant la tension superficielle de la bulle. Cela provoque une coalescence et brise la bulle à la surface du lubrifiant1.

Pour la mousse qui se forme en surface, appelée mousse de surface, on utilise des antimousses ayant une tension superficielle plus faible. Ils ne sont généralement pas solubles dans l’huile de base et doivent être finement dispersés pour être suffisamment stables même après un stockage ou une utilisation à long terme.

D'autre part, la mousse interne, qui est constituée de bulles d'air finement dispersées dans le lubrifiant, peut former des dispersions stables. Les antimousses courants sont conçus pour contrôler la mousse de surface mais stabiliser la mousse intérieure2.

Inhibiteurs d'oxydation

Comme indiqué ci-dessus, les antioxydants sont généralement déployés pendant la phase de propagation pour neutraliser les radicaux piégeurs ou décomposer les hydroperoxydes3. Il existe deux formes principales d’antioxydants : les antioxydants primaires et secondaires.

Les antioxydants primaires, également appelés piégeurs de radicaux, éliminent les radicaux du pétrole. Les types les plus courants sont les amines et les phénols.

Les antioxydants secondaires sont conçus pour éliminer les peroxydes et former des produits non réactifs dans le lubrifiant. Quelques exemples incluent le dithiophosphate de zinc (ZDDP) et les phénols sulfurés.

Il existe également des systèmes antioxydants mixtes dans lesquels deux antioxydants entretiennent une relation synergique. Un exemple est la relation entre les phénols et les amines, où les phénols s’épuisent tôt au cours de l’oxydation tandis que les amines s’épuisent plus tard. Un autre exemple consiste à utiliser des antioxydants primaires et secondaires pour éliminer les radicaux et les hydroperoxydes.

Inhibiteurs de rouille et de corrosion

Les inhibiteurs de rouille et de corrosion sont généralement de longues chaînes alkyles et des groupes polaires qui peuvent être adsorbés sur la surface métallique dans une formation dense de couches hydrophobes.

Cependant, il s'agit d'un additif tensioactif, et à ce titre, il entre en concurrence avec d'autres additifs tensioactifs (tels que les additifs anti-usure ou extrême pression) pour la surface métallique. Il existe deux groupes principaux d'additifs anticorrosion : les additifs antirouille (pour protéger les métaux ferreux) et les passivateurs de métaux (pour les métaux non ferreux2).

Les inhibiteurs de Rus ont une forte attraction polaire pour les surfaces métalliques. Ils forment un film tenace et continu qui empêche l'eau d'atteindre la surface métallique. Il faut également noter que les contaminants peuvent introduire de la corrosion dans une huile, tout comme des acides organiques sont produits.

Détergents et Dispersants

Les détergents sont des molécules polaires qui éliminent les substances de la surface métallique, semblable à une action de nettoyage. Cependant, certains détergents possèdent également des propriétés antioxydantes. La nature d'un détergent est particulièrement importante car les détergents contenant des métaux produisent des cendres (généralement du calcium, du lithium, du potassium et du sodium)1.

D’un autre côté, les dispersants sont également polaires et maintiennent les contaminants et les composants insolubles de l’huile en suspension dans le lubrifiant. Ils minimisent l’agglomération des particules, ce qui maintient la viscosité de l’huile (par rapport à la coalescence des particules, qui conduit à un épaississement). Contrairement aux détergents, les dispersants sont considérés comme sans cendres. Ils fonctionnent généralement à des températures de fonctionnement basses.

Additifs Anti-usure

Celles-ci sont généralement polaires avec des molécules à longue chaîne qui s'adsorbent sur les surfaces métalliques pour former une couche protectrice. Cela peut réduire la friction et l'usure dans des conditions de glissement douces. Habituellement, ces additifs sont formés d’esters, d’huiles grasses ou d’acides, qui ne peuvent agir qu’à des niveaux de stress faibles ou modérés au sein du système.

La forme d'antiusure la plus courante est le ZDDP, qui est utilisé dans les huiles moteur ou hydrauliques. D'un autre côté, un anti-usure de type phosphore sans cendre existe également pour les systèmes qui nécessitent cette caractéristique, et le phosphate tricreysl est le choix habituel.

Additifs extrême pression

Étant donné que les additifs extrême pression ne deviennent actifs que lorsque des températures plus élevées ou des charges plus lourdes sont appliquées à un système, ils méritent le nom d'« additifs anti-rayures ».

Contrairement aux additifs anti-usure, les additifs extrême pression réagissent chimiquement avec les surfaces métalliques coulissantes pour former des films superficiels relativement insolubles. Cette réaction ne se produit qu'à des températures plus élevées, parfois entre 180 et 1 000°C, selon le type d'additif EP utilisé1.

Il convient de noter que même avec la présence d'additifs EP dans un lubrifiant, il y aura toujours une certaine usure pendant la période de rodage car les additifs n'ont pas encore formé leurs couches protectrices sur les surfaces.

Les additifs EP doivent également être conçus pour le système qu'ils protègent, car différents métaux ont une réactivité variable (les additifs EP conçus pour les systèmes acier sur acier peuvent ne pas convenir aux systèmes en bronze car ils ne sont pas aussi réactifs avec le bronze).

Les additifs EP contribuent également au polissage des surfaces de glissement car elles subissent la réaction chimique la plus importante lorsque les aspérités sont en contact et que les températures localisées sont les plus élevées. Ils ont tendance à être créés à partir de composés contenant du soufre, du phosphore, du borate, du chlore ou d’autres métaux4.

Les additifs lubrifiants se dégradent-ils avec le temps ?

Comme indiqué précédemment, la plupart des additifs peuvent s’épuiser avec le temps à mesure qu’ils sont utilisés dans leurs diverses fonctions. Des additifs anti-usure et antirouille recouvrent continuellement les surfaces des métaux d’interface.

Cela peut entraîner une diminution de leurs concentrations initiales au fil du temps jusqu’à atteindre un point où la concentration de l’additif est trop faible pour offrir une quelconque protection. Dans ce cas, il ne s’est pas dégradé mais épuisé.

Au cours des années précédentes, il y avait des problèmes courants liés à la séparation des additifs du lubrifiant fini en raison de la filtration. Cependant, avec l’évolution de la technologie et les meilleures pratiques, ce n’est plus un problème courant auquel les opérateurs sont confrontés.

Dans le passé, les opérateurs remarquaient un colmatage fréquent de leurs filtres et une réduction ultérieure des concentrations d'additifs, rendant l'huile sans protection. Il était courant de remarquer que des additifs se déposaient au fond d’un fût de pétrole après un certain temps d’arrêt.

Essentiellement, les additifs lubrifiants ne se dégradent pas vraiment avec le temps ; au contraire, leurs concentrations s'épuisent, ce qui contribue à une dégradation plus rapide du lubrifiant qu'un lubrifiant fini avec des concentrations d'additifs plus élevées.

Innovation et tendances futures pour les additifs

À quoi ressemble l’avenir des additifs au sein de notre industrie ? Vont-ils disparaître complètement ?

D’après mes estimations, nous sommes loin d’y parvenir. L'industrie des lubrifiants a évolué au fil des années, avec de nombreuses avancées du côté chimique, qui a développé des additifs mieux adaptés, et du côté OEM, qui a poussé les chimistes à développer des additifs pour lubrifiants capables de s'adapter aux changements d'équipements.

Les équipementiers créent davantage de composants capables de résister à des températures plus élevées, à des pressions accrues et à des environnements plus exigeants. Des lubrifiants doivent également être développés pour cet usage spécifique, et la technologie des additifs continuera d’évoluer à mesure que ces limites seront repoussées.

Nous nous dirigeons également vers des produits plus respectueux de l’environnement, et les additifs figurent également sur cette liste. La plupart des métaux utilisés dans la production d'additifs (tels que les additifs EP ou AW) sont toxiques pour l'environnement et des alternatives sont en cours de découverte.

Dans le domaine de la tribologie, des recherches se poursuivent également sur les moyens de réduire la friction et l'usure. Ceci est associé à des recherches sur l'interaction de différentes surfaces et sur la manière dont les lubrifiants peuvent réduire efficacement le coefficient de friction, conduisant dans certains cas à une efficacité énergétique et à une consommation de carburant accrues.

Les additifs lubrifiants existeront encore pendant un certain temps, car tout ce qui bouge doit être lubrifié, et les huiles de base n'ont pas toutes les propriétés requises pour gérer les variations de température et les autres conditions rencontrées par la machine.

Si leur structure évoluera pour s'adapter à un impact plus respectueux de l'environnement, leurs fonctions évolueront également en fonction de leurs besoins futurs.

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