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Lubrifiants d’origine synthétique :
Les huiles synthétiques sont fabriquées par voie chimique par l’enchevêtrement de molécules spéciales d’hydrocarbures dans le cadre d’un processus à plusieurs étapes. [1] A partir de là, on peut composer un produit de structure moléculaire et de longueur de chaîne quelconques avec des propriétés remarquables et toujours uniformes :
Liquides : silicones, polyglycols, esters phosphoriques, esters aliphatiques, polyoléfines, métaux liquides. [2]
Pâteux : verres, borates et oxyde de bore B2O3 (pâteux à chaud), graisses silicones.
Solides : polyéthylènes, polytétrafluoroéthyène (PTFE), savons (stéarates de zinc, de calcium, d’aluminium, etc.), oxyde de plomb (PbO), disulfure de tungstène, phtalocyanine, fluorure de graphite, fluorures de calcium, de baryum et de lithium, nitrure de bore.
Lubrifiants d’origine minérale :
Les huiles minérales proviennent de la distillation du pétrole brut (raffinage). D’un prix peu élevé, elles présentent des performances « moyennes ». [3] Les huiles minérales sont les plus utilisées aussi bien dans les applications automobiles qu’industrielles :
Liquides : huiles de houille (charbon utilisé comme combustible), de schiste (roche sédimentaire ou métamorphique qui se débite en feuillets), utilisables comme produits de remplacement, et surtout huiles de pétrole. [2]
Pâteux : vaseline.
Solides : soufre utilisé autrefois pour sauver les paliers endommagés, talc, mica, bisulfures de molybdène et de tungstène, graphite, sulfure de plomb, oxyde de zinc.
CONSTITUTION DES LUBRIFIANTS :
Les huiles se présentent sous la forme d’une base, « huile minérale ou huile de synthèse », avec des additifs (anti usure, extrême pression, anticorrosion…) utilisés pour améliorer les caractéristiques ou adapter l’huile à l’application choisie. [4]
Les huiles de base :
Les huiles de base peuvent provenir de diverses sources : végétales, animales, synthèse et minérale. Les huiles d’origine minérale et les huiles de synthèse sont les plus utilisées actuellement. [5]
Huiles de base d’origine minérale :
La plupart des huiles minérales fabriquées aujourd’hui sont toujours les produits raffinés d’huile minérale dits classiques. La production s’effectue par distillation sous vide du résidu provenant de la distillation atmosphérique suivie d’extraction par solvant, déparaffinage et raffinage hydrogénant (figure 1). La technologie des procédés a été constamment améliorée au cours des années. Ces huiles de base minérales ont différentes viscosités : de façon approximative on distingue des huiles épaisses, moyennement visqueuses et allégées, elles ont un indice de viscosité compris entre 90 et 100, et le comportement à basses températures est médiocre (point d’écoulement compris entre –6 et –15°C). [1]
Le schéma ci-dessous illustre la distillation du pétrole brut : Figure 1 : Distillation du pétrole brut. [6]
Les huiles minérales appartiennent aux diverses familles d’hydrocarbures et possèdent des propriétés fort différentes :
• Paraffiniques (molécules à chaîne droite) : ils sont stables à l’oxydation, peu agressifs pour les élastomères, dotés d’un bon indice de viscosité (variation de viscosité relativement faible avec la température), mais certains constituants cristallisent dès la température ordinaire. [2]
Figure 2 : Paraffine normale (Hexane C6H14)
• Isoparaffiniques (molécules à chaînes ramifiées) : ils résistent bien à l’oxydation, sont peu agressifs pour les élastomères, se comportent mieux à froid que les précédents, mais leur indice de viscosité est plus faible. [2]
Figure 3 : Isoparaffine (Isohexane C6H14)
• Naphténiques (chaînes cycliques saturées) : ils sont moins stables à l’oxydation, plus agressifs pour les élastomères, mais possèdent de très bonnes caractéristiques d’écoulement aux basses températures malgré un indice de viscosité plus faible. [2]
Figure 4 : Naphtène (Cyclohexane C6H12)
• Aromatiques (chaînes cycliques non saturées) : très oxydables, dotés d’un très mauvais indice de viscosité, leur comportement est catastrophique en lubrification et ils sont éliminés dès le raffinage. [2]
Figure 5 : Aromate (Benzène C6H6)
La distribution relative des composés paraffiniques, aromatiques ou naphténiques à une grande importance sur les propriétés des lubrifiants. Pour huiles moteurs, les tendances chimiques les plus répandues sont de nature naphténique et isoparaffinique. [6]
Huile de base d’origine synthétique :
Les huiles de synthèse ou huiles synthétiques sont obtenues par combinaisons chimiques de plusieurs composants de faibles poids moléculaires, ceux pouvant être de même nature ou différente. Ces huiles, bien qu’elles soient plus chères, permettent de résoudre des problèmes de lubrification particulièrement difficiles. Ce sont notamment les fluides de haute stabilité thermique, les fluides difficilement inflammables et les lubrifiants pour l’aviation. [7]
• Polyalphaoléfines (PAO) : Ce sont des substances liquides et identiques à la paraffine, formées seulement d’atomes de carbone et d’hydrogène et présentant une certaine viscosité, un indice de viscosité élevé et un point d’écoulement bas en raison de la longueur de chaîne, du degré de ramification et de la position des ramifications. [8]
• Esters : Contrairement aux polyalphaoléfines, les esters contiennent également de l’oxygène et sont obtenus par la réaction d’un alcool avec un acide organique. Pour fabriquer des lubrifiants, on utilise surtout des esters d’acide carboxylique, que l’on peut subdiviser à leur tour en diesters et polyolesters sur la base de leur structure chimique. Les propriétés de ces esters sont donc également différentes, mais en général, les deux types présentent une bonne tenue viscosité-température, un faible point d’écoulement et
une excellente résistance au vieillissement. [1]
Ces huiles de synthèse ont des propriétés suivantes :
Indice de viscosité plus élevé
Meilleure tenue thermique
Meilleure résistance à l’oxydation.
Donc d’excellentes propriétés physiques et une stabilité thermique exceptionnelle. [9]
Huile de base d’origine végétale :
Contrairement au cas des lubrifiants à base d’huile minérale pour lesquels la production de l’huile de base résulte d’un processus d’exploitation du pétrole, les lubrifiants à base d’huile végétale utilisent les huiles issues de la culture de plantes oléagineuses : huile de colza, de tournesol, de palme, de coprah, de ricin, … [10]
À partir de l’énergie solaire, ces plantes oléagineuses transforment par photosynthèse le CO2 atmosphérique, l’eau et les éléments minéraux du sol en une huile végétale qualifiée dès lors de renouvelable (puisque le processus de la photosynthèse peut à tout moment produire des plantes, des graines et donc de l’huile, l’énergie solaire étant considérée comme renouvelable). Il s’agit donc d’un processus de transformation plus complexe et faisant appel à diverses matières premières issues, elles aussi, d’une activité humaine (semences, engrais, produits phytosanitaires, …). Les activités en amont de la production (pré-production) de la matière première, les graines oléagineuses, seront donc plus importantes dans ce cas. La trituration des graines et le raffinage de l’huile sont à mettre en relation avec le raffinage du pétrole. [10] Dans le cas des lubrifiants à base d’huile végétale non transformée, c’est l’huile extraite des graines oléagineuses qui est utilisée. Cette huile, constituée de triglycérides, n’a pas subi de modifications structurelles (figure 6).
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Table des matières
INTRODUCTION
PREMIÈRE PARTIE : ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE I : GÉNÉRALITÉS SUR LES LUBRIFIANTS
I.1 DÉFINITIONS ET FONCTIONS D’UN LUBRIFIANT
I.2 CLASSIFICATION DES LUBRIFIANTS
I.2.1 Lubrifiants d’origine végétale
I.2.2 Lubrifiants d’origine animale
I.2.3 Lubrifiants d’origine synthétique
I.2.4 Lubrifiants d’origine minérale
I.3 CONSTITUTION DES LUBRIFIANTS
I.3.1 Les huiles de base
I.3.1.1. Huiles de base d’origine minérale
I.3.1.2. Huile de base d’origine synthétique
I.3.1.3. Huile de base d’origine végétale
I.3.2 Les additifs
I.3.2.1 Définition et rôles
I.3.2.2 Les principales familles d’additifs
CHAPITRE II : CARACTÉRISTIQUE DE LA GRAISSE
II.1 GÉNÉRALITÉS SUR LA GRAISSE
II.1.1 Introduction
II.1.2 Définition
II.1.3 Fonctions
II.1.4 Classification
II.2 CONSTITUTION DES GRAISSES
II.2.1 L’huile de base ou la base lubrifiante
II.2.2 Les épaississants
II.2.2.1 Épaississant savon
II.2.2.2 Épaississant sans savon
II.2.3 Les additifs
II.2.3.1 Antioxydant
II.2.3.2 Anticorrosion
II.2.3.3 Anti-usure (AU)/Extrême pression (EP)
II.2.3.4 Anti-mousse
II.2.3.5 Améliorateur d’adhésion ou tackifiant
II.2.3.6 Améliorateur d’indice de viscosité (AVI)
II.3 PROPRIÉTÉS DES GRAISSES
II.3.1 Consistance et pénétrabilité
II.3.2 Point de goutte
II.3.3 Point de solidification
II.3.4 Stabilité au cisaillement
II.3.5 Miscibilité
II.3.6 Influence de l’eau
II.3.7 Stabilité à l’oxydation
II.3.8 Compatibilité avec les élastomères
II.3.9 Pompabilité
II.3.10 Corrosion, Anti-usure et Extrême pression
II.3.11 Aspect et texture des graisses
II.4 LES PRINCIPAUX AVANTAGES/INCONVÉNIENTS DES GRAISSES PAR RAPPORTS AUX HUILES
CHAPITRE III : LES HUILES VÉGÉTALES
III.1 GÉNÉRALITÉS
III.1.1 Définition
III.1.2 Caractéristiques physico-chimiques des huiles végétales
III.1.2.1 Propriétés physiques
a. Couleur
b. La masse volumique
c. Densité
d. Indice de réfraction
e. Le point de fusion (Tf) et le point de solidification (Ts)
f. Le point trouble et le point d’écoulement
g. La viscosité
III.1.2.2 Propriétés chimiques
a. Indice d’acide
b. Indice de saponification
c. Indice d’iode
III.1.3 Classement et types d’huiles végétales
III.1.3.1 Huiles végétales de type laurique
III.1.3.2 Huiles végétales de type palmitique
III.1.3.3 Huiles végétales ou beurre de type stéarique
III.1.3.4 Huiles végétales de type oléique
III.1.3.5 Huiles végétales de type linoléique
III.1.4 Les modes d’extraction des huiles végétales
III.1.4.1 L’extraction par pression
III.1.4.2 L’extraction par solvant volatil
III.2 CAS DE LA PLANTE : Ricinus communis
III.2.1 Historique
III.2.2 Nom de la plante
III.2.3 Description botanique
III.2.3.1 Les feuilles
III.2.3.2 Les fleurs
III.2.3.3 Les fruits
III.2.4 Production
III.2.5 Culture
III.3 L’HUILE DE RICIN
III.3.1 Extraction de l’huile de ricin
III.3.1.1 Triage
III.3.1.2 Nettoyage
III.3.1.3 Décorticage
III.3.1.4 Froissement
III.3.1.5 Chauffage
III.3.1.6 Premier pressurage
III.3.1.7 Chauffage
III.3.1.8 Filtration
III.3.1.9 Deuxième pressurage
III.3.1.10 Addition de solvant aux tourteaux de deuxième pression
III.3.2 Les caractéristiques physico-chimiques de l’huile de ricin
III.3.2.1 Les propriétés physiques
III.3.2.2 Caractéristiques physico-chimiques
III.3.2.3 Composition en acides gras
III.3.2.4 Étude des glycérides
III.3.2.5 Les insaponifiables
DEUXIÈME PARTIE : PARTIE EXPÉRIMENTALE
CHAPITRE IV : MATÉRIELS ET MÉTHODES
IV.1 CONTEXTE ET OBJECTIF DU SUJET
IV.2 LES MATÉRIELS ET LES MATIÈRES PREMIÈRES
IV.2.1 Matériels de sécurité
IV.2.1.1 Blouse
IV.2.1.2 Masque de protection FFP
IV.2.1.3 Gants en plastique ou en caoutchouc
IV.2.1.4 Lunettes de sécurité
IV.2.2 Matériels nécessaires pour la production de graisse lubrifiante
IV.2.2.1 Plaque chauffante
IV.2.2.2 Thermomètre
IV.2.2.3 Bol inox
IV.2.2.4 Balance
IV.2.2.5 Spatule en inox
IV.2.3 Les matières premières
IV.3 MÉTHODE DE FABRICATION APPLIQUÉE
IV.3.1 Phase d’époxydation d’une huile végétale
IV.3.1.1 Hydrogénation totale de l’huile de ricin
IV.3.1.2 Transformation de l’huile hydrogénée en savon par la soude
a. Matériels utilisés
b. Mode opératoire
IV.3.1.3 Transformation du savon sodique en acide 12-hydroxystéarique par l’acide chlorhydrique
a. Matériels utilisés
b. Mode opératoire
c. Opération de lavage
IV.4 PROCESSUS DE FABRICATION D’UNE GRAISSE LUBRIFIANTE À PARTIR D’HUILE VÉGÉTALE
IV.5 LES ESSAIS DES DIFFÉRENTS PROCÈDES
IV.5.1 Procédé à base d’huile végétale
IV.5.1.1 Premier essai : Graisse à savon Sodium
IV.5.1.2 Deuxième essai : Graisse à savon Lithium
IV.5.1.3 Troisième essai : Graisse à savon Calcium
IV.5.1.4 Quatrième essai : Graisse à savon complexe Lithium / Sodium
IV.5.1.5 Cinquième essai : Graisse à savon complexe Sodium / Calcium
IV.5.2 Procédé à base d’huile d’origine pétrolière
IV.5.2.1 Sixième essai : Graisse à savon Sodium
IV.5.2.2 Septième essai : Graisse à savon Lithium
IV.5.2.3 Huitième essai : Graisse à savon Calcium
IV.5.2.4 Neuvième essai : Graisse à savon complexe Lithium / Sodium
IV.5.2.5 Dixième essai : Graisse à savon complexe Sodium / Calcium
IV.6 MÉTHODES D’ANALYSE DE LA GRAISSE LUBRIFIANTE
IV.6.1 La consistance
IV.6.1.1 Matériels utilisés
IV.6.1.2 Mode opératoire
IV.6.2 Le point de goutte
IV.6.2.1 Matériels utilisés
IV.6.2.2 Mode opératoire
IV.6.3 La température d’application
IV.7 MISE EN ŒUVRE DE LA GRAISSE SUR LE ROULEMENT
CHAPITRE V : RÉSULTATS
V.1 RÉSULTATS DES ESSAIS
V.1.1 Résultats des essais à base d’huile d’origine végétale
V.1.2 Résultats des essais à base d’huile d’origine pétrolière
V.2 RÉSULTATS D’ANALYSE DE LA GRAISSE OBTENUE
V.2.1 Résultats de la mesure de pénétration (la consistance)
V.2.2 Résultats du point de goutte
V.2.3 Résultats de la température d’application
V.3 RÉSULTATS DES GRAISSES LUBRIFIANTES À COMPARER
CHAPITRE VI : INTERPRÉTATIONS ET DISCUSSIONS
VI.1 INTERPRÉTATION SUR LA CONSISTANCE (LA PÉNÉTRATION)
VI.2 INTERPRÉTATION SUR LE POINT DE GOUTTE
VI.3 INTERPRÉTATION SUR LA TEMPÉRATURE D’APPLICATION
VI.4 INTERPRÉTATION DE LA GRAISSE OBTENUE SUR LE ROULEMENT
VI.5 INTERPRÉTATION SUR LA COMPARAISON DE LA GRAISSE LUBRIFIANTE
TROISIÈME PARTIE : ÉVALUATION DU COÛT DE PROJET ET ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX
CHAPITRE VII : ÉVALUATION DU COÛT DE PROJET
VII.1 ASPECTS MICRO-ÉCONOMIQUES
VII.2 ASPECTS MACRO-ÉCONOMIQUES
VII.3 COÛT DE PRODUCTION DE GRAISSE LUBRIFIANTE
VII.3.1 Coût des matières premières
VII.3.2 Coût d’énergie utilisée
VII.3.3 Récapitulation du coût d’exploitation
VII.3.4 Comparaison des prix
CHAPITRE VIII : ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX
VIII.1 LES LUBRIFIANTS ECO-COMPATIBLES OU BIOLUBRIFIANTS
VIII.1.1 Définitions
VIII.1.2 Avantages
VIII.2 LA BIODÉGRADABILITÉ
VIII.2.1 Définitions
VIII.2.2 Processus de biodégradation
VIII.2.3 Méthodes d’évaluation
VIII.3 LA TOXICITÉ
VIII.3.1 Définitions
VIII.3.2 Méthodes d’évaluation
VIII.3.3 L’analyse du cycle de vie
CONCLUSION PARTIELLE
CONCLUSION
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
ANNEXE 1 : CLASSIFICATION DE SERVICE DES GRAISSES
ANNEXE 2 : EXEMPLES DE TRANSFORMATIONS CHIMIQUES POSSIBLES À PARTIR DES TROIS FONCTIONNALITÉS PRÉSENTES DANS L’HUILE DE RICIN (TRIGLYCÉRIDE DE L’ACIDE RICINOLÉIQUE)
ANNEXE 3 : SCHÉMA DÉTAILLÉ DE L’ÉPOXYDATION DES HUILES VÉGÉTALES
ANNEXE 4 : LE CONCEPT DES FEUX DE CIRCULATION SKF
ANNEXE 5 : LES CARACTÉRISTIQUES DES LUBRIFIANTS
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