Recherche sur les additifs facilitant l’adoption des EAL pour une utilisation générale.

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Par Raj Shah 1 , Brajendra K. Sharma 2 et Blerim Gashi 1

La recherche sur les lubrifiants respectueux de l’environnement ou EAL gagne en popularité à mesure que les paramètres non traditionnels centrés sur la durabilité gagnent en importance dans le domaine de la recherche tribologique.

Le concept de durabilité englobe largement des propriétés respectueuses de l’environnement telles que la biodégradation, la toxicité et la bioaccumulation, tout en tenant compte de la durabilité à long terme et des répercussions sur les cycles alimentaires humains et la déforestation. [1] La biodégradabilité fait référence à la persistance des fuites d’huile dans l’environnement et est généralement évaluée à l’aide des tests 301 A/B/C/D/F de l’OCDE, tandis que la toxicité concerne spécifiquement l’impact des lubrifiants sur la vie environnante, l’eau ou les nutriments. qui est évalué à l’aide des tests OCDE 201-203 et OCDE 209-211. [2]Les formulations d’EAL ou de bio-lubrifiants doivent fournir des propriétés de lubrification et anti-usure égales ou meilleures, à un coût inférieur pour concurrencer les formulations synthétiques ou à base de pétrole. L’ingénierie des lubrifiants se concentre donc principalement sur la combinaison d’une huile de base respectueuse de l’environnement aux propriétés tribologiques exceptionnelles et d’un additif polymère ou nanoparticulaire pour renforcer à la fois la lubrification et l’applicabilité ou la plage de conditions.

Pour qu’un lubrifiant soit considéré comme acceptable pour l’environnement, l’huile de base doit avoir un certain aspect de renouvelabilité, comme être dérivée de produits végétaux ou animaux. Une huile de base dérivée de ces sources, telles que les huiles de cuisson usagées (OMD) et les huiles végétales, répond simultanément aux exigences de durabilité. À titre de comparaison, l’huile minérale est un terme vague décrivant un lubrifiant composé de divers dérivés du pétrole, dans lequel les structures chimiques les plus courantes sont les huiles minérales paraffiniques, aromatiques et naphténiques, ce qui rend les huiles minérales non renouvelables. [3] D’autre part, les esters synthétiques restent l’option synthétique la plus écologique. Bien que contenant des structures polyols d’origine pétrochimique, la présence d’acides gras est d’origine naturelle. [3]

Différences imposées par la structure chimique 

En termes de durabilité, les différences imposées par la structure chimique sont perceptibles. Une étude comparative a révélé que la demi-vie de l’huile minérale naphténique (~225 jours) était beaucoup plus élevée que celle de l’huile de ricin (12 jours) et de deux autres biolubrifiants synthétiques (~26 et ~20 jours). [4] Équipé d’une gamme de structures d’huile de base durables et renouvelables, la croissance des biolubrifiants repose donc sur des méthodes de production efficaces et peu coûteuses et sur des performances tribologiques et anti-usure supérieures dans un large éventail de conditions. Cependant, des obstacles notables résident dans la faible stabilité à l’oxydation intrinsèque d’un biolubrifiant, qui peut transformer l’huile de base en une consistance semblable à du plastique et un point d’écoulement élevé. [1, 5]La présence de liaisons insaturées reste un site suffisant pour que des réactions indésirables se produisent, telles que l’oxydation. [6] Cependant, les récents efforts de recherche additive pointent vers une nouvelle direction qui peut aider à surmonter ces obstacles.

Pour que les EAL deviennent plus courants, les moyens de production ou de synthèse, la source des matières premières et le coût font partie des nombreuses variables non physiques qui doivent être évaluées. La figure 1 illustre de nombreuses voies de conversion chimique dans la conversion d’huile de cuisson végétale ou usée (WCO) en un biolubrifiant. [7] Pour chaque voie de conversion, des paramètres tels que le type de catalyseur, le dosage du catalyseur, la température, les rapports molaires et les temps de réaction affectent l’efficacité de la conversion.

L’étude menée par Zein et al [7] représente une analyse complète de la production d’ester de dioléoyl éthylène glycol à partir d’esters méthyliques d’acides gras (FAME) des WCO, qui prend en compte chacun de ces paramètres pour optimiser la production de biolubrifiants. En termes de coût, les comparaisons précises entre les huiles minérales et végétales restent floues. Cependant, l’Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis laisse entendre que les coûts plus élevés des huiles de base et des additifs se traduisent par des biolubrifiants coûtant environ 20% de plus que les produits conventionnels. [8] Alors que la recherche sur les additifs continue de se développer et que la législation respectueuse de l’environnement est poussée pour encourager la lubrification verte, le coût de mise en œuvre des biolubrifiants deviendra bientôt favorable pour les applications industrielles. [1]

Utilisation d’additifs

L’amélioration des performances tribologiques et de l’éventail des conditions applicables est principalement réalisée grâce à l’utilisation d’additifs. Des recherches récentes sur les additifs croisent le domaine de la nanotechnologie et de la tribologie en associant certaines nanoparticules qui agissent comme des lubrifiants solides efficaces avec des lubrifiants/graisses fluides ou semi-fluides. Ce procédé, qui implique la stabilisation et la dispersion de nano-additifs tels que les nanotubes de carbone multi-parois (MWCN) ou le graphène, a représenté une méthode intéressante pour renforcer directement les propriétés des biolubrifiants. Par exemple, Rajaganapathy et al [9] ont trouvé une réduction du coefficient de frottement (COF) et de l’ usure globale en utilisant de l’ huile de palme et de brassica à des additions d’oxyde de cuivre (CuO) et du dioxyde de titane (TiO 2) à différentes concentrations. Une augmentation de la conductivité thermique et de la viscosité des « nano bio-lubrifiants » a également été révélée pour des pourcentages en poids de nanoparticules optimaux. [9]

Les MWCN ont également particulièrement montré des améliorations de la lubrification, car l’huile de tamanu a présenté un comportement d’amincissement par cisaillement. [10] Ranjan et al [11] ont réalisé une série de tests utilisant de l’huile d’arachide additionnée d’un nano additif TiO 2 /gC 3 N 4 . La figure 2 représente le mécanisme proposé par lequel le nanocomposite affecte la lubrification entre les surfaces de contact en acier. En particulier, TiO 2 /gC 3 N 4 a fourni un effet de réparation en remplissant le volume d’usure après contact et en fournissant une surface lisse. [11] Les nano-additifs constituent un outil efficace pour améliorer les propriétés tribologiques. Plus important encore, Ranjan et al[11] ont en outre réalisé à partir de l’analyse spectroscopique IR que l’ajout du nanocomposite empêchait l’oxydation de l’huile de base, qui était attribuée à la présence de nitrures et d’oxydes protégeant les sites de liaison insaturés. [11] Une amélioration de la stabilité thermo-oxydante a également été découverte en utilisant un nano additif CuO dispersé dans une huile de pépins de pomme à la crème chimiquement modifiée. [12]

Additifs polymères

Les additifs polymères présentent également une opportunité similaire pour améliorer les propriétés mécaniques des biolubrifiants, même pour des applications plus non traditionnelles. Par exemple, Feng et al [13] se sont concentrés sur l’application de biolubrifiants dans les articulations artificielles à l’aide de nanosphères de polystyrène. Le polystyrène a été greffé chimiquement avec du poly(sel de potassium de méthacrylate de 3-sulfopropyle) (PSPMA) par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes initiée sous la surface (sSI-ATRP) pour former PS-PSPMA. En utilisant de l’eau comme lubrifiant, l’additif polymère a formé une couche d’hydratation épaisse qui a considérablement réduit le coefficient de frottement de 0,19 à 0,06 et le volume d’usure sous des charges variables (~10-50 N). [13]

Les performances tribologiques d’un biolubrifiant à base d’huile de polyol ester ont également démontré des améliorations avec l’ajout de 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine-1-oxyl (TEMPO)-cellulose bactérienne oxydée (NDCt) et d’un monostéarate de sorbitan (Span 60) tensioactif pour former N2S4. [14] Le COF et le taux d’usure ont diminué de 79% et 49%, respectivement, tandis que la conductivité thermique a augmenté de 4% par rapport au contrôle à base d’ester. [14]

Dans les additions de polymères et de nanoparticules, la caractérisation des mécanismes par lesquels ils affectent la lubrification ou les propriétés physiques fournit une compréhension approfondie des processus sous-jacents. L’impact de ces additifs sur la durabilité environnementale doit également être évalué car le phosphore, le carbone et l’azote peuvent se transformer en oxydes et former des produits toxiques ou obstruer les filtres. [11, 15] Néanmoins, l’avènement de la recherche sur les additifs a ouvert un avenir prometteur pour l’application croissante de lubrifiants respectueux de l’environnement et d’une lubrification plus renouvelable, biodégradable et durable.

Note des auteurs : La mention de noms commerciaux ou de produits commerciaux dans cet article est uniquement dans le but de fournir des informations spécifiques et n’implique pas une recommandation ou une approbation par le département américain de l’Agriculture. L’USDA est un fournisseur et un employeur d’égalité des chances.

1 Koehler Instrument Company, 2 Département de l’agriculture des États-Unis, Service de recherche agricole Centre de recherche régional de l’Est

LES RÉFÉRENCES

[1] Shah, Raj, Woydt, Mathias et Zhang, Stanley. (2021). L’importance économique et environnementale des lubrifiants durables. Lubrifiants, 9. 21. 10.3390/lubrifiants9020021.

[2] Battersby, N. (2000). Les tests de biodégradabilité et de toxicité microbienne des lubrifiants – Quelques recommandations. Chemosphere, 41, 1011-27.10.1016/S0045-6535(99)00517-2.

[3] Pettersson, Anders. (2007). Fluides de base hautes performances pour lubrifiants adaptés à l’environnement. Tribologie Internationale, 40, 638-645. 10.1016/j.triboint.2005.11.016.

[4] Luna, FMT, Cavalcante, JB, Silva, FON, & Cavalcante, CL (2015). Etudes sur la biodégradabilité des lubrifiants biosourcés. Tribologie Internationale, 92, 301-306. doi:10.1016/j.triboint.2015.07.007.

[5] Nosonovsky, M. et Bhushan, B. (2010). La tribologie verte : principes, axes de recherche et enjeux. Transactions philosophiques de la Royal Society A: Sciences mathématiques, physiques et techniques, 368 (1929), 4677-4694. doi:10.1098/rsta.200.0200 [a] Bayat, Reza & Lehtovaara, Arto. (2020). Cartographie du frottement et de la température des huiles pour engrenages acceptables pour l’environnement. Tribologia : Journal finlandais de tribologie, 37, 4-12. 10.30678/fjt.96048.

[6] Kumar, Ajay, Thakre, Gananath, Arya, Pankaj et Jain, Amar. (2017). Influence des paramètres opératoires sur les performances tribologiques des nanofluides Cu fonctionnalisés par l’acide oléique. Recherche en chimie industrielle et technique, 56 (13), 3527-3541. 10.1021/ac. iecr.6b04375.

[7] Zein, Reda, Attia, N., Fouad, Mai, et El Sheltawy, Shakinaz. (2021). Investigation expérimentale et simulation de processus de production de biolubrifiants à partir d’huiles de cuisson usagées. Biomasse et bioénergie, 144, 105850. 10.1016/j.biombioe.2020.105850.

[8] Agence de protection de l’environnement. Lubrifiants respectueux de l’environnement ; Agence de protection de l’environnement : Washington, DC, États-Unis. Disponible en ligne : https://www3.epa.gov/npdes/pubs/vgp_environmentally_acceptable_lubricants.pdf (consulté le 20 juin 2021).

[9] Rajaganapathy, C., Vasudevan, D. et Murugapoopathi, S. (2021). Propriétés tribologiques et rhéologiques de l’huile de palme et de brassica avec inclusion d’additifs CuO et TiO2, Materials Today: Proceedings, 37 (2), 207-213. https://doi.org/10.1016/j.matpr.200.05.032.

[10] Galgat, Sagar, Sharma, Ankit, Kumar, Gautam, Pudotha, Pramod, Gupta, Prince, Chowdary, Krishna et Kotia, Ankit. (2021). Analyse rhéologique sur l’huile de tamanu pour un biolubrifiant durable dans une application de véhicule électrique. Int J Petrochem Sci Eng, 6 (1), 1-3. Disponible en ligne : https://medcraveonline.com/IPCSE/IPCSE-06-00125.pdf

[11] Ranjan, N., Shende, RC, Kamaraj, M. et Ramaprabhu, S. (2021). Utilisation du nano-additif TiO2/gC3N4 pour renforcer les propriétés oxydantes de l’huile végétale pour une application tribologique. Friction, 9, 273-287. https://doi.org/10.1007/s40544-019-0336-9.

[12] Pillai, Leelamani & Kumar, Gajendra. (2020). Étude des propriétés tribologiques d’un biolubrifiant à base d’huile de pépins de pomme à la crème chimiquement modifié dispersé avec de l’oxyde de cuivre nano. Journal de l’Université Jiatong de Shanghai, 16 (11), 272-284. Disponible en ligne : https://shjtdxxb-e.cn/wp-content/uploads/2020/11/JSJ.U-2838.29-F.pdf

[13] Feng, H., Ma, Z., Zhang, Y., Liu, F., Ma, S., Zhang, R., Cai, M., Yu, B. et Zhou, F. (2020 ). Nanosphères de polystyrène modifiées avec une brosse polymère hydrophile par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes initiée sous la surface en tant qu’additif biolubrifiant. Matériaux macromoléculaires et ingénierie, 305 (6), 2000135. doi:10.1002/mame.202000135.

[14] Rahmadiawan, Dieter, Abral, Hairul, Nasruddin, Nasruddin, & Fuadi, Zahrul. (2021). Propriétés de stabilité, de viscosité et de tribologie d’un biolubrifiant à base d’huile d’ester de polyol rempli de nanofibre de cellulose bactérienne oxydée au tempo. Journal international de la science des polymères, 2021, 5536047, 1-9. 10.1155/2021/5536047. https://www.hindawi.com/journals/ijps/2021/5536047/

[15] Rokosz, MJ, Chen, AE, Lowe-Ma, CK, Kucherov, A., Benson, D., Peck, MC et McCabe, RW (2001). Caractérisation des catalyseurs d’échappement automobiles empoisonnés au phosphore. Catalyse appliquée B : Environnement, 33, 205-215. 10.1016/S0926-3373 (01) 00165-5.

( Crédit : https://www.fuelsandlubes.com/fli-article/additives-research-aiding-adoption-of-eals-for-mainstream-use/

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