Lubrifiants - Additifs à action chimique

Malgré les progrès continuels du raffinage du pétrole et de la pétrochimie, les huiles de base minérales ou synthétiques pures ne possèdent pratiquement jamais toutes les propriétés requises pour leurs principales applications automobiles, industrielles, marines ou aéronautiques. Aussi, est-il nécessaire d’incorporer aux lubrifiants finis (huiles et graisses) des additifs dont la teneur peut varier de moins de 1 % pour certaines huiles industrielles à plus de 25 % pour les dernières huiles pour moteurs Diesel de véhicules industriels très sollicités ou pour certains lubrifiants de travail des métaux.

Les additifs sont destinés soit à renforcer certaines propriétés intrinsèques des huiles de base comme le point d’écoulement, l’indice de viscosité, la résistance à l’oxydation, les propriétés antiusure et antifriction ou le pouvoir de protection antirouille, soit à leur apporter des propriétés qu’elles ne possèdent pas (ou peu) naturellement comme la détergence, le pouvoir dispersif, l’alcalinité en vue de neutraliser les composés acides, le pouvoir de protection contre la corrosion des métaux non ferreux, ou les propriétés extrême-pression (EP). Dans certains cas, ils peuvent aussi combattre des défauts apportés par d’autres additifs. Ainsi, les additifs antimousse évitent la formation de mousses entraînée par la présence dans le lubrifiant d’additifs tensioactifs comme les détergents, les dispersants, les agents émulsifiants des fluides aqueux ou même les additifs d’onctuosité et les antirouilles.

La formulation d’un lubrifiant contenant de nombreux additifs, parfois jusqu’à vingt, est une opération généralement longue, qui peut demander deux à trois ans d’études, qui requiert une grande expérience et un savoir-faire pluridisciplinaire et qui est souvent fort coûteuse car reposant sur de nombreux essais en laboratoire, sur bancs d’essai ou en service. Ainsi, par exemple, le prix d’un seul essai sur moteur oscille entre 15 000 et 75 000 euros et il faut en réaliser un grand nombre pour qualifier une formule d’huile moteur.

Il ne faut pas croire qu’un additif donné agit dans n’importe quelle condition. En réalité, son action dépend de quatre ensembles de facteurs principaux :

• sa nature chimique, son degré de pureté et sa concentration dans l’huile (ou la graisse) ;

• les interactions avec les autres additifs présents dans la formule. Dans certains cas, il peut y avoir antagonisme entre deux additifs. Ainsi, un additif antiusure peut perdre de son efficacité en présence d’un additif plus polaire que lui qui, par exemple, va former un film barrière, solidement adsorbé sur les surfaces, s’opposant physiquement à l’adsorption de l’additif antiusure – c’est le cas d’un additif détergent ou d’un additif antirouille – ou, encore, va le « séquestrer » au sein du liquide en l’empêchant d’agir au niveau des surfaces ; c’est ce qui se passe en présence d’additifs dispersants. Naturellement, il convient d’éviter ou de limiter ces antagonismes. Dans d’autres cas, au contraire, il y a synergie, c’est-à-dire que les effets bénéfiques obtenus par l’association de deux ou de plusieurs additifs sont supérieurs à ceux obtenus séparément avec chaque produit. Des effets synergiques bien connus concernent, par exemple, l’association de deux (ou trois) additifs antioxydants : un inhibiteur radicalaire (phénol et/ou amine aromatique) et un destructeur d’hydroperoxydes (dithiophosphate de zinc). D’autres synergies sont relatives aux propriétés antifriction, antiusure et extrême pression des lubrifiants ; ce sont celles des associations de corps gras ou de dérivés de corps gras avec des additifs extrême-pression soufrés, d’additifs EP soufrés avec des additifs antiusure phosphorés, d’additifs EP soufrés avec des additifs EP chlorés, etc. Bien entendu, le formulateur tire profit de ces synergies ;

• la nature des huiles de base : composition chimique, pureté, degré de raffinage, grade de viscosité, etc. Ainsi, moins les huiles minérales raffinées au solvant ou hydrotraitées contiennent d’hydrocarbures aromatiques et d’impuretés soufrées, azotées et oxygénées, plus elles sont réceptives aux additifs antioxydants et antiusure. Plus une huile de base présente un pouvoir solvant élevé dû, par exemple, à une forte aromaticité ou à des fonctions ester ou éther, moins les additifs à action de surface comme les antiusure et les extrême-pression se montrent efficaces. Ces derniers additifs sont plus actifs, car plus mobiles, dans une huile de base fluide que dans une huile visqueuse, etc. ;

• les conditions tribologiques de fonctionnement du mécanisme à lubrifier conditionnant le régime de lubrification : température de contact, pression de contact, vitesses de glissement et, éventuellement, de roulement, rhéologie du film d’huile, type d’ambiance (atmosphère neutre, oxydante, corrosive, humide, poussiéreuse…), présence de vibrations, état de la mécanique (usure, jeux, rugosité et états de surface, accumulation de dépôts sur les surfaces…) et, naturellement, nature des matériaux des surfaces. Ainsi, tel dialkyldithiophosphate de zinc à chaîne alkyle courte, très antiusure en présence de métaux ferreux ou de molybdène, peut être sans effet, ou même avoir un effet néfaste, en présence d’une surface chromée. Celle-ci, en revanche, appréciera les diaryldithiophosphates de zinc à chaîne longue ainsi que les biphénols encombrés et les esters visqueux.

Il existe des molécules d’additifs ne possédant qu’une seule fonction tandis que d’autres, à structure souvent plus complexe, sont multifonctionnelles. C’est ainsi le cas des dialkyldithiophosphates de zinc, à la fois antioxydants, antiusure, anticorrosifs et légèrement dispersants. C’est aussi le cas des additifs détergents de type alkylphénate sulfure de calcium ou de magnésium dont la structure phénolique et la présence de soufre leur confèrent des propriétés antioxydantes intéressantes ; de plus, le soufre leur procure une efficacité antiusure non négligeable et si, par ailleurs, ils sont rendus alcalins par dispersion colloïdale de carbonate de calcium ou de magnésium, ils sont aussi dotés d’un caractère antiacide. On utilise aussi la possibilité de greffer sur une molécule ayant une action spécifique, par exemple un polymère améliorant l’indice de viscosité, un motif chimique destiné à lui conférer une autre propriété comme un pouvoir dispersif dû au greffage d’un motif polaire azoté, par exemple.

Cet ensemble sur les additifs se compose de deux articles :

• [BM 5 343] Lubrifiants. Additifs à action chimique ;

• [BM 5 344] Lubrifiants. Additifs à action physique ou physiologique,

qui est lui-même complété par :

• [Doc.BM 5 344] Lubrifiants. Additifs. « Pour en savoir plus ».

Le lecteur pourra aussi, avantageusement, consulter les articles parus dans ce traité concernant les lubrifiants :

• [BM 5 341] Lubrifiants. Constitution.