Un antioxydant pour les huiles moteur de nouvelle génération.

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L’industrie des lubrifiants n’est pas statique. Les mélangeurs regardent constamment vers l’avenir pour formuler la prochaine génération de lubrifiants. Dans le paysage actuel, la domination imminente des véhicules électriques est à l’avant-garde de cette innovation nécessaire. Mais les moteurs à combustion interne ne peuvent pas encore être amortis. Les antioxydants ont un rôle clé à jouer sur les deux fronts. 

Les huiles de base contenues dans de nombreux lubrifiants nécessitent des antioxydants pour les protéger de l’oxydation et de la dégradation sévères. Ceci est crucial dans des produits tels que les huiles pour turbines à gaz, les huiles pour moteurs au biogaz et les graisses à base de polyurée, ou toute autre application thermiquement stressante.

Antioxydants primaires et secondaires

Les antioxydants peuvent être classés en tant qu’antioxydant primaire ou antioxydant secondaire. Les antioxydants primaires réagissent avec les radicaux libres – des molécules réactives avec un ou plusieurs électrons non appariés qui réagissent avec d’autres hydrocarbures – qui sont les principaux produits formés à partir de l’oxydation de l’huile. 

Le premier des deux antioxydants primaires ou « traditionnels » qui dominent actuellement le marché sont les antioxydants aminiques. Cela inclut les diphénylamines alkylées (ADPA), qui contiennent une amine secondaire comme groupe fonctionnel. 

Les autres antioxydants primaires sont les antioxydants phénoliques. Ceux-ci comprennent les composés phénoliques simples, les composés phénoliques de poids moléculaire élevé et les phénols encombrés sulfurés, qui peuvent également être classés comme antioxydant secondaire. Cette catégorie contient des fractions phénol. 

Les antioxydants secondaires décomposent les hydroperoxydes d’alkyle, qui sont les produits en aval des radicaux libres. Les antioxydants secondaires contiennent généralement du soufre ou du phosphore ou les deux. Ceux-ci comprennent les dialkyldithiophosphates de zinc, ou ZDDP, et les phosphites. 

Les additifs permettent l’innovation 

S’exprimant lors de la réunion annuelle de la Society of Tribologists and Lubricating Engineers à Orlando, en Floride, en mai dernier, Jun Dong, directeur technique mondial des additifs pour carburants et lubrifiants de Songwon, a expliqué où les antioxydants s’intègrent dans la prochaine génération de lubrifiants automobiles. 

« La plupart des gens dans cette salle s’accordent à dire que les exigences d’oxydation pour la prochaine génération de lubrifiants automobiles continueront d’augmenter », a commencé Dong.  

Pour les moteurs à combustion interne, cela signifie plusieurs choses différentes en termes de tendances, a-t-il poursuivi.  

Les huiles moteur devront supporter des températures élevées car les moteurs modernes sont construits plus petits mais maintiennent toujours une puissance élevée. Certains sont également équipés de turbocompresseurs. Ces conceptions signifient des températures de fonctionnement élevées dans le moteur.

« La plupart des personnes présentes dans cette salle s’accordent à dire que les exigences d’oxydation pour la prochaine génération de lubrifiants automobiles continueront d’augmenter. »— Jun Dong, Songwon

« Deuxièmement, nous ne savons pas où se situera le niveau [de cendres sulfatées, de phosphore et de soufre] dans les huiles moteur de prochaine génération », a expliqué Dong. « Mais probablement, cette fourchette continuera de baisser. » 

Si cela se produit, « cela signifie que le niveau de traitement de ZDDP diminuera également, et nous savons tous que le ZDDP est un antioxydant très efficace », a-t-il déclaré. Si le niveau de ZDDP baisse, cela entraînera des défis d’oxydation supplémentaires dans les lubrifiants de la prochaine génération.  

Les lubrifiants de nouvelle génération signifient également des normes de nouvelle génération. Des exigences plus strictes en matière d’essais au banc d’oxydation se profilent à l’horizon et les huiles moteur doivent offrir une durée de vie plus longue. 

La formulation de lubrifiants pour véhicules électriques présentera des défis à la fois nouveaux et familiers. Ces produits auront également besoin d’une endurance à haute température car ils sont remplis à vie. De plus, la température de fonctionnement des moteurs EV est très élevée. 

« Une autre exigence unique pour les lubrifiants EV sera la capacité à maintenir les propriétés diélectriques et anti-corrosion. Tous ces éléments seront affectés par l’oxydation du pétrole », a déclaré Dong. Les fluides diélectriques auraient une conductivité électrique faible ou contrôlée. 

Dong a déclaré que Songwon, un fabricant de produits chimiques basé en Corée du Sud, s’attend à ce que les antioxydants traditionnels soient le premier choix pour la prochaine génération de lubrifiants. « Cependant, avec les antioxydants traditionnels, il y a un goulot d’étranglement », a-t-il déclaré. « Lorsque vous continuez à ajouter un niveau de traitement plus élevé à l’huile, l’efficacité antioxydante commencera à atteindre un plateau. La question que nous nous posons est donc la suivante : existe-t-il un moyen d’améliorer ou de briser cette barrière de performances en ajoutant une petite quantité de booster ? »  

« Une autre exigence unique pour les lubrifiants EV sera la capacité à maintenir les propriétés diélectriques et anti-corrosion. Tous ces éléments seront impactés par l’oxydation de l’huile.— Jun Dong, Songwon

Dans ce cas, une petite quantité signifie quelque part dans le volume de 0,1 % ou moins. 

Le phénol encombré sulfuré possède à la fois des fonctionnalités antioxydantes primaires et secondaires dans une molécule, alors que la plupart des antioxydants n’ont qu’une seule de ces fonctionnalités. Dong et son équipe ont effectué un certain nombre de tests sur des huiles de base contenant du SHP pour étudier leurs propriétés. 

« Les principales raisons de choisir cet antioxydant sont les performances potentielles dues à sa chimie unique ; un faible niveau de traitement, idéal comme booster pour les systèmes antioxydants traditionnels comprenant des antioxydants amines et phénoliques ; et la disponibilité commerciale », a déclaré Dong à Lubes’n’Greases . 

« Nous pensons que la plupart des applications l’utilisent comme antioxydant primaire avec les avantages supplémentaires des fonctionnalités antioxydantes secondaires dans certaines formulations », a-t-il ajouté. 

Le SHP fonctionne bien en termes de stabilité thermique, atteignant 356 degrés Celsius à 50 % de perte de masse, contre 329 °C atteint par l’ADPA et 315 °C pour l’ester de phénol encombré (HPE). Une stabilité thermique plus élevée signifie une meilleure durabilité et un meilleur ajustement pour les applications à haute température. 

Dong a également examiné différents mélanges d’huiles de base API du groupe II avec différents mélanges d’antioxydants pour déterminer leurs performances en utilisant une calorimétrie à balayage différentiel sous pression, une référence en matière d’oxydation de l’huile. 

Les deux premiers mélanges comprenaient une formulation avec 0,5 % en poids d’ADPA et une autre avec 0,4 % d’ADPA et 0,1 % de HPE. Le premier a mis 12 minutes pour casser les 185 °C lors du test, le second 14 minutes. Un temps plus long signifie de meilleures performances.  

Le troisième mélange contenait 0,4 % en poids d’ADPA, cette fois avec 0,1 % en poids de SHP. Il a fallu 19 minutes pour casser l’huile.  

« Ce résultat montre clairement la capacité de SHP à améliorer les performances de l’ADPA, et montre également un meilleur effet stimulant par rapport à l’ester de phénol encombré traditionnel », a déclaré Dong. 

Une autre série de mélanges a été testée. Trois mélanges contenaient 0,5 % d’ADPA, chacun avec différents niveaux de ZDDP : 0,125 %, 0,25 % et 0,5 %. A titre de comparaison, trois autres mélanges ont été testés; ceux-ci contenaient 0,4 % d’ADPA avec les mêmes niveaux variables de ZDDP mais avec 0,1 % de SHP ajouté. 

Ces échantillons ont été mesurés par le temps d’induction oxydative PDSC à 200 ° C et par un test anti-usure à 4 billes. 

En comparant le mélange ADPA à 0,5 % avec le mélange ZDDP à 0,125 % et le mélange ADPA à 0,4 %, ZDDP à 0,125 % et SHP à 0,1 %, le premier a atteint sept minutes dans le test d’induction oxydative PDSC et une cicatrice d’usure de 0,57 millimètre dans le 4- épreuve de balle. Ce dernier est allé plus haut dans le test PDSC à 12 minutes, avec une cicatrice d’usure de 0,5 mm. 

Le mélange avec 0,5 % d’ADPA et 0,25 % de ZDDP a atteint 14 minutes dans le test PDSC et a eu une cicatrice de 0,54 mm. Le mélange 0,4 % ADPA, 0,25 % ZDDP et 0,1 % SHP a atteint 26 minutes avec une cicatrice de 0,5 mm. 

Enfin, il y avait peu de différence dans la paire finale de mélanges. L’échantillon avec 0,5 % d’ADPA et 0,5 % de ZDDP a atteint 47 minutes dans le test PDSC et avait une cicatrice de 0,53 mm. L’échantillon avec 0,4 % d’ADPA, 0,5 % de ZDDP et 0,1 % de SHP a atteint 45 minutes avec une cicatrice de 0,54 mm. 

« Sur la base de ces résultats, il existe une possibilité d’interactions synergiques entre le ZDDP et le SHP pour améliorer encore les performances antioxydantes et peut-être anti-usure », a déclaré Dong. « Les SHP semblent également favoriser des niveaux inférieurs de ZDDP dans cette huile de base particulière. » 

Dong a noté que l’huile de base testée était sans additifs. « Il me semble que le ZDDP à 0,5 % dans ce système particulier est déjà saturé. C’est pourquoi l’ajout d’encore plus de SHP ne fait pas grand-chose », a-t-il poursuivi. « Cependant, si vous avez une formulation totalement différente avec d’autres additifs, le ZDDP aura encore plus de mal à gérer la décomposition des autres additifs. Dans ce cas, vous devrez peut-être utiliser plus de ZDDP, et le SHP favorisera probablement le niveau le plus élevé de ZDDP. Cela dépend totalement de la formulation, et probablement aussi du test. 

Pour tester différentes formulations de lubrifiants, Songwon a créé un pré-mélange expérimental d’huile moteur pour voiture de tourisme 5W-20 sans antioxydants. Il a été formulé à partir d’huiles de base API Groupe II. La formulation contenait 0,04 % de phosphore et 0,1 % de soufre.  

La formulation de base a été réalisée en ajoutant 0,8 % d’ADPA et 0,2 % de HPE au prémélange. Un mélange de test comparatif a été réalisé avec 0,8 % d’ADPA, 0,19 % de HPE et 0,01 % de SHP. Un deuxième mélange comparatif a été préparé avec 0,8 % d’ADPA, 0,1 % de HPE et 0,1 % de SHP. 

Les lubrifiants ont été délibérément sous-formulés pour plusieurs raisons, a expliqué Dong. Premièrement, cela permet une meilleure évaluation des performances antioxydantes, et deuxièmement, la société pense que les niveaux inférieurs de phosphore et de soufre sont représentatifs des formulations de la future génération de PCMO. 

Ces mélanges ont été soumis à quelques tests au banc ASTM et à une référence interne Songwon. Ces tests ont ciblé différentes pièces du moteur et ont couvert les étapes d’oxydation précoce, avancée et tardive ainsi que l’oxydation en couche mince et en vrac d’huile.  

Dans un test d’absorption d’oxydation en couche mince (ASTM D4742), le mélange avec seulement 0,01 % de SHP a surpassé le mélange avec 0,1 % de SHP, augmentant les performances de 23 % contre 11 %, respectivement. 

« Ce résultat indique à quel point il est important d’optimiser le niveau de SHP pour le test. Ajouter plus n’est pas toujours le bon choix », a déclaré Dong. 

Le propre test d’oxydation d’huile en vrac de Songwon a été utilisé pour simuler l’environnement d’oxydation dans le carter d’huile du moteur. La formulation SHP à 0,01 % a donné des résultats identiques à ceux de la ligne de base. Cependant, le SHP à 0,1 % a amélioré la stabilité oxydative de la ligne de base de plus de 40 %. Elle a également réduit la tendance au cambouis des huiles en fin de test de près de 40 %, tandis que l’autre formulation a légèrement augmenté la tendance au cambouis par rapport à la ligne de base.  

Les huiles ont également été testées à l’aide de tests de simulation d’huile moteur par thermo-oxydation (ASTM D7097 et D6335). Encore une fois, le lubrifiant avec le niveau SHP le plus élevé a surpassé la variante SHP inférieure dans le test TEOST MHT, et a nettement dépassé le test TEOST 33C, avec une réduction de 41 % de la formation de dépôts par rapport à la ligne de base.

« Ces résultats nous indiquent que le SHP serait un très bon booster pour les huiles moteur stop-and-go et les applications hybrides », a déclaré Dong. 

Des tests supplémentaires ont révélé que le SHP ajouté dans les mélanges n’avait aucun effet néfaste sur les tests de corrosion et d’usure. Sa nature non corrosive rend SHP potentiellement adapté aux lubrifiants EV comme les fluides de transmission électrifiés. 

Pour l’explorer plus avant, l’équipe de Dong a pris un ETF de qualité commerciale contenant uniquement de l’ADPA, puis a fabriqué une huile qui a réduit l’ADPA et ajouté 0,1 % de SHP. Les deux huiles ont montré une conductivité électrique identique, ce qui signifie que SHP ne modifie pas les propriétés diélectriques de l’ETF. 

Après accélération de l’oxydation, cependant, la formulation SHP à 0,1 % a montré une conductivité électrique plus faible à la même température que l’huile d’origine.  

Dong a noté que SHP a un point de fusion bas de 66 ° C, ce qui facilite le mélange.  

« Nous pensons que les avantages de performance démontrés pour le SHP en tant que booster antioxydant attireront davantage l’attention », a déclaré Dong.  


Will Beverina  rédacteur en chef adjoint de Lubes’n’Greases. Contact Will@LubesnGreases.com

Origine : https://www.lubesngreases.com/magazine/28_10/an-an

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