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Comment les lubrifiants sont-ils produits?

COMMENT LES PRODUIT-ON? QU’EST-CE QU’ILS CONTIENNENT?

Un lubrifiant est constitué à 70-100{aefdc1ce9998bd9dbf33b78463c450130094ff3de39f32e9f75e3a3ca2d37e29} des huiles de base et jusqu’à 30{aefdc1ce9998bd9dbf33b78463c450130094ff3de39f32e9f75e3a3ca2d37e29} des composés chimiques, appelés « additifs », qui sont pleinement miscibles.

HUILE DE BASE: QU’EST-CE QUE C’EST? COMMENT PEUT-ON LA PRODUIRE?

Α. HUILES MINÉRALES DE BASE
PAR LE RAFFINAGE DU PÉTROLE BRUT

Le pétrole brut est un produit naturel provenant des puits pétroliers, c’est un mélange d’hydrocarbures, de gaz et d’autres composants étrangers.

Les composants susmentionnés du pétrole brut peuvent être répartis en catégories plus générales. Certains d’entre eux confèrent des propriétés désirables aux lubrifiants, tandis que certains autres ont des propriétés et des conséquences nuisibles. Les composés organiques dominants du pétrole brut, appelés « hydrocarbures », sont constitués exclusivement de carbone et d’hydrogène. Leur catégorisation est présentée ci-dessous (Image 1):

  • Alcanes, ou paraffines, avec des chaînes linéaires ou ramifiées, saturées de carbones en liaisons simples,
  • Alcènes, ou oléfines, molécules insaturées de carbone en liaisons doubles,
  • Hydrocarbures alicycliques, ou naphtènes, structures cycliques saturées, composées de cinq ou de six atomes de carbone en liaisons simples entre eux,
  • Hydrocarbures aromatiques, structures cycliques avec liaisons doubles, principalement à base du cycle de six liaisons du benzène (C6Η6).

En prenant pour critère la teneur initiale du pétrole brut en alcanes /paraffines (hydrocarbures de texture cristalline, solides à température ambiante ordinaire, de couleur proche du blanc) et en asphalte (composés d’hydrocarbures aromatiques polycycliques, cristallines ou semi-solides, de couleur noire ou noire-marron), on distingue trois catégories essentielles des pétroles bruts:

  • Pétroles paraffiniques

Ils ont un petit poids spécifique, contiennent de la paraffine, ne contiennent pas ou très peu d’asphalte et produisent une grande quantité des huiles minérales de base. À cette catégorie appartiennent les pétroles du Nord de Pennsylvanie et de la Mer du Nord.

  • Pétroles asphaltiques ou naphténiques

Ils ont un grand poids spécifique, contiennent de l’asphalte, ne contiennent pas ou très peu de paraffine et produisent une petite quantité des huiles minérales de base. À cette catégorie appartiennent les pétroles de Nigéria, de Californie, du Mexique, du Golfe de Mexique et de Venezuela.

  • Pétroles mixtes

Contiennent de l’asphalte et de la paraffine, et forment la catégorie à laquelle appartient la majorité écrasante (90{aefdc1ce9998bd9dbf33b78463c450130094ff3de39f32e9f75e3a3ca2d37e29}) des pétroles (par ex., les pétroles du Moyen Orient et de l’Ouest de Texas, États-Unis).

Il convient de remarquer que le pétrole brut en provenance des puits pétroliers différents se distingue par sa composition, et cette différence existe également entre les puits de la même région. Dans les raffineries de pétrole, le pétrole “brut” fait l’objet de la distillation fractionnée et d’une série d’autres procédures d’épuration pour obtenir les divers types de carburants, les huiles minérales de base, la paraffine, les asphaltes et aussi certains produits secondaires (Image 2).

En ce qui concerne la production des huiles de base, la procédure de leur fabrication comprend les étapes suivantes:

  • Distillation: Procédure d’élimination des composants qui ont un point d’ébullition très faible et très élevé, pour séparer le distillat à l’amplitude d’ébullition du lubrifiant.
  • Élimination des aromatiques: Obtention de l’huile lubrifiante à grande teneur en hydrocarbures saturés, avec un indice amélioré de viscosité et de stabilité.
  • Déparaffinage: Élimination des cires et contrôle de la basse température du lubrifiant.
  • Traitements finisseurs: Élimination des composants polaires, amélioration de la couleur et de la stabilité de l’huile de base.

Les performances de l’huile de base obtenue dans une tour de distillation de la raffinerie dépendent de sa teneur en composants désirables sur l’amplitude des points d’ébullition du lubrifiant. Les distillats des huiles de base obtenues des pétroles différents possèdent des caractéristiques très différentes.

Malgré le fait que les techniques de raffinage et d’épuration se sont techniquement développées pour produire des huiles minérales de base avec très bonnes caractéristiques, ces produits ne peuvent pas satisfaire les exigences des applications contemporaines. Pour cette raison, dans les huiles minérales de base, on ajoute des additifs, ou améliorants chimiques, qui renforcent leurs caractéristiques physico-chimiques et leurs qualités et, parallèlement, confèrent au produit final des propriétés et des caractéristiques requises pour chaque application. Ce travail s’effectue dans les unités de mélange qui peuvent être situées à l’intérieur ou à l’extérieur des raffineries.

PAR LE RE-RAFFINAGE LUBRIFIANTS USAGÉS

Un lubrifiant usagé, suite à la pollution qu’il subit pendant son utilisation, devient inapproprié pour lubrification, en raison de la présence d’impuretés et d’autres produits (par ex., autres lubrifiants minéraux ou/et synthétiques, eau, carburant, produits avec asphalte, etc.) ou en raison de la perte de ses propriétés initiales. Son re-raffinage sépare l’eau, le pétrole et les produits asphaltiques, et sa distillation permet de reconstituer l’huile lubrifiante (distillat) par la même voie que la procédure du raffinage.

Dans l’unité d’hydrotraitement, le lubrifiant (distillat) est traité par des catalyseurs appropriés pour le nettoyer des composés chimiques indésirables qui rendent le lubrifiant inapproprié pour son utilisation en tant qu’huile de base. En résultat, les oléfines (alcènes) et les composants aromatiques se transforment en huiles de base saturées (paraffiniques) ou/et naphténiques (cycliques) de haute qualité et à valeur ajoutée, qui sont beaucoup moins toxiques et plus “neutres”. En particulier, il s’agit des avantages suivants:

  • Couleur excellente
  • Indice de viscosité élevé
  • Volatilité (variabilité) faible / stabilité élevée
  • Faible teneur en soufre (« substance » oxydante et corrosive): d’une part, pour préserver la qualité et la stabilité des huiles de base, et d’autre part, pour une protection à long terme, par exemple, des filtres à particules de suie (DPF) des moteurs diesel
  • Très faible acidité (ΤΑΝ), ce qui signifie que l’huile de base obtenue (suite à l’élimination de ses composants aromatiques: voir ci-dessous) présente une résistance élevée à l’oxydation (et ne s’oxyde donc pas facilement)
  • Faible teneur en hydrocarbures aromatiques polycycliques (ΡΑΗ) qui altèrent la qualité de l’huile de base, puisque leur oxydation suscite une réaction en chaîne qui réduit, de façon dramatique, sa durée de vie.
  • Point d’écoulement faible pour pouvoir être utilisé dans la composition des produits lubrifiants finaux, destinés à maintenir leurs performances à basse température (combinés aux additifs spéciaux qui abaissent le point d’écoulement).

L’huile de base fabriquée est ensuite mélangée aux additifs chimiques selon l’usage auquel les lubrifiants sont destinés, puis elle utilisée sous cette forme et, à la fin de son cycle de vie, elle est collectée et recyclée par la raffinerie, où le cycle de vie du lubrifiant recommence ainsi de nouveau.

Β. HUILES DE BASE SYNTHÉTIQUES

Les lubrifiants synthétiques ont fait leur apparition pour la première fois au début de la décennie 1930, quand les technologies des hydrocarbures et des esters synthétiques ont été développées parallèlement en Allemagne et aux États-Unis. On exige de plus en plus que les lubrifiants maintiennent leurs performances sur une amplitude toujours grandissante des températures de fonctionnement (c’est dû principalement aux évolutions de moteur des avions militaires), ce qui implique une évolution continue des technologies des lubrifiants synthétiques.

Aujourd’hui, les lubrifiants synthétiques existent et sont utilisés dans absolument tous les domaines et dans toutes les applications nécessitant une lubrification: les transports terrestres, la marine, l’industrie et surtout l’aviation et l’aérospatiale. Une multitude des huiles synthétiques ont été examinées en vue de leur utilisation éventuelle en tant qu’huiles de base des lubrifiants finaux, ce qui est le plus fréquemment le cas des huiles suivantes:

POLYALPHAOLÉFINES (PAO)

Les polyalphaoléfines (ou poly-α-oléfines, abréviation anglaise: PAO) sont fabriquées par une méthode généralement appelée “synthèse”. Il s’agit des composés entièrement synthétiques, obtenus par la polymérisation d’une α-oléfine. C’est un type particulier d’oléfine (organique), utilisé pour produire des lubrifiants synthétiques. Ils offrent une large gamme de propriétés lubrifiantes grâce à leur structure très stable et à leurs chaînes moléculaires exceptionnellement homogènes.

ESTERS

Les esters sont des composés chimiques à 100{aefdc1ce9998bd9dbf33b78463c450130094ff3de39f32e9f75e3a3ca2d37e29} synthétiques, obtenus par la réaction d’un acide à un alcool ou à un phénol. Beaucoup d’esters, dont les compositions chimiques peuvent être variées, sont utilisés dans les applications diverses pour leur onctuosité excellente – soit en tant qu’additifs, soit en tant qu’huiles de base – afin de produire des lubrifiants finaux. En raison de leur coût élevé, ils ne sont utilisés qu’en petites quantités pour améliorer la stabilité du produit final.

L’American Petroleum Institute (API) des États-Unis a divisé les huiles de base en catégories selon leur provenance (minérale ou synthétique) et selon la méthode/processus de leur production, l’amplitude de leur indice de viscosité et la teneur en hydrocarbures saturés

C. LUBRIFIANTS SYNTHÉTIQUES OU MINÉRAUX?

Les huiles de base synthétiques:

  • Offrent une meilleure résistance à la chaleur et à l’oxydation
  • Maintiennent leur viscosité
  • Sont moins variables dans les diverses conditions
  • Présentent les caractéristiques tribologiques améliorées
  • Présentent une plus petite solubilité des additifs. La solubilité faible n’empêche pas seulement la dissolution de certains additifs importants pendant la procédure de synthèse et de production du produit final, mais réduit aussi certains paramètres essentiels de la qualité, tels que la dispersivité (maintien des sous-produits d’oxydation en suspension et leur dissolution) et la compatibilité avec les matériaux élastomères divers (par ex., les joints d’étanchéité qui peuvent éventuellement se rétrécir ou “gonfler” au contact de l’huile).
  • Constituent le choix le plus coûteux.

Quelle est l’influence de l’huile de base sur la performance du lubrifiant final?

Caractéristiques de performance désirables:

  • Résistance élevée à l’oxydation et à la chaleur
  • Indice de viscosité élevé
  • Volatilité faible, ce qui signifie que le lubrifiant résiste à l’évaporation à haute température et ne perd donc pas ses caractéristiques rhéologiques (c’est-à-dire, sa viscosité).
  • Point d’écoulement faible
  • Compatibilité avec les élastomères (joints d’étanchéité) (voir ci-dessus).
  • Solubilité des additifs.

Par conséquent, le choix du lubrifiant dépend absolument de l’application pour laquelle il est destiné.

D. ADDITIFS CHIMIQUES

Les additifs sont des composés chimiques utilisés pour améliorer les caractéristiques de performance et les propriétés requises du lubrifiant. On distingue les catégories suivantes des additifs:

  • Antioxygènes: Préviennent “l’attaque” de l’oxygène dans l’huile et réduisent son épaississement, surtout à haute température.
  • Détergents: Composés métalliques qui contrôlent les sédiments et maintiennent le moteur propre.
  • Dispersants: Composés organiques non-métalliques (sans cendres) qui maintiennent les sédiments et les sous-produits en suspension dans le lubrifiant et empêchent leur formation.
  • Contre la détérioration: Préviennent la détérioration. D’habitude, ces additifs sont à base de zinc, de phosphore ou d’autres composés organométalliques.
  • Inhibiteurs de la rouille et de l’oxydation: Empêchent “l’attaque” des acides sur les surfaces métalliques.
  • Modificateurs de frottement: Réduisent le frottement, leur composition chimique est variée en fonction du type de lubrifiant.
  • Additifs pour pressions extrêmes: Il s’agit d’habitude des additifs à base de soufre-phosphore. Ajoutés principalement dans les lubrifiants de transmission de mouvement, ainsi que dans les lubrifiants de compresseurs d’air, de systèmes hydrauliques et de machines-outils (glissières et chaînes).
  • Antimousses: Empêchent la formation de mousse dans le lubrifiant en présence d’air et augmentent ainsi la résistance du film lubrifiant, en facilitant le pompage de l’huile.
  • Améliorants de l’indice de viscosité: Ralentissent le rythme de fluidification (et l’indice de viscosité) quand la température monte. Il s’agit des composants polymériques, de composition chimique variée en fonction du type de lubrifiant.
  • Abaisseurs du point d’écoulement: Améliorent la fluidité du lubrifiant à basse température