Ester de cire

3.5 Lubrifiants acceptables pour l’environnement

Les éléments moteurs nécessaires pour réduire les problèmes causés par les contacts des lubrifiants avec l’environnement sont les faits environnementaux, la sensibilisation du public, les directives et réglementations gouvernementales, la mondialisation des marchés et les incitations économiques. La ligne de conduite privilégiée consiste à réduire la toxicité et à augmenter la biodégradabilité. Dans sa littérature marketing, l’industrie des lubrifiants utilise un grand nombre de dénominations confuses pour classer les lubrifiants en fonction de leur dégradation de l’environnement. Certains de ces termes, tous précédés du descripteur commun « environnement », comprennent : acceptable, adapté, conscient, bénin, prudent, compatible, conforme, prévenant, favorable, amical, inoffensif, justifié, neutre, non toxique, positif, préférable, protecteur, responsable, sûr, sensible, approprié. Par exemple, Mobil a introduit sa gamme de fluides hydrauliques EAL (Environmental Awareness Lubricants). Pennzoil utilise la terminologie « respectueuse de l’environnement » pour ses huiles moteur. De même, Carl Bechem GmbH (Hagen, Allemagne) a développé une gamme de lubrifiants et d’additifs « respectueux de l’environnement » (huiles de circulation, graisses, lubrifiants pour rails, etc.). Les lubrifiants acceptables pour l’environnement sont discutés dans les références. Shell préfère les termes « produits respectueux de l’environnement » pour sa gamme de lubrifiants basée sur des SEs insaturés et saturés soigneusement sélectionnés ou des RSO à technologie avancée avec des emballages d’additifs optimisés pour obtenir de bonnes performances AW / EP, une protection contre la corrosion et une stabilité oxydative. Shell Naturelle HF-E est un fluide hydraulique biodégradable avancé. Lubrifiants Petro-Canada (Mississauga, ON) a développé la gamme EcoSia de produits respectueux de l’environnement (intrinsèquement facilement biodégradables).

Commercial ‘bio’ hydraulic fluids are made from non-renewable synthetic polyol esters. Traditionnellement, ce type de fluide environnemental plus sûr est connu dans l’industrie sous le nom de fluide d’EA, par opposition à un fluide biosourcé (voir la section 12.3.1). Il n’y a pas de normes pour les lubrifiants EA ou les fluides hydrauliques. De même, il n’existe aucune spécification industrielle ou guide pour les fluides et les graisses EA. Les fabricants et les utilisateurs finaux conviennent que pour qu’un lubrifiant soit classé comme un type d’EA, il doit être biodégradable et non toxique, mais pas nécessairement biosourcé ou renouvelable. Jusqu’à ce que des normes et spécifications spécifiques soient élaborées, la qualification des fluides à considérer comme une EE devrait reposer sur la conformité à l’EPA 560/6-82-002 (CL50 > 1000) et ASTM D 5864 (conversion de 60% en CO2 en 28 jours) concernant respectivement la toxicité et la biodégradabilité. Certains lubrifiants EA sont considérés comme  » facilement biodégradables »; ils sont fabriqués à partir de ressources non renouvelables.

Dans le contexte des lubrifiants respectueux de l’environnement, d’autres termes couramment utilisés sont « de qualité alimentaire » et « verts ». Bien que certains lubrifiants soient identifiés comme étant de qualité alimentaire, aient été approuvés par la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis et soient soumis aux procédures de test standard de l’ASTM, il n’existe aucune définition ou spécification standard mondiale pour les lubrifiants environnementaux destinés à remplacer les lubrifiants standard. Les lubrifiants de qualité alimentaire sont généralement utilisés dans l’industrie alimentaire où un contact accidentel avec les aliments peut se produire. Les lubrifiants de qualité alimentaire peuvent ou non être qualifiés de lubrifiants EA. La plupart des lubrifiants de qualité alimentaire sont à base d’huile minérale blanche US Pharma copœia (USP) non toxique, qui ne répond pas aux critères de biodégradabilité applicables aux lubrifiants EA. Un fluide vert se réfère principalement aux lubrifiants à base d’huile végétale.

Les huiles grasses naturelles telles que CAS, l’huile de palme (PMO), RSO, SBO, SNO, TLW et l’huile de sperme sont utilisées dans les lubrifiants depuis des années. Les triglycérides (esters gras plus ou moins insaturés) sont biodégradables et présentent d’excellentes qualités tribologiques (faible coefficient de frottement (CoF), bonne protection contre l’usure). Rapid Energy Services (Lafayette, LA) fabrique et fournit une gamme de produits lubrifiants respectueux de l’environnement, tels que les fluides hydrauliques (qualités de viscosité ISO de 22 à 68), l’huile pénétrante, l’huile de chaîne et l’huile marine. Tous les lubrifiants biosourcés de Rapid, formulés à partir d’huiles de base de plantes agricoles renouvelables (graines naturelles), ont des performances égales à celles de leurs homologues à base de pétrole tout en offrant une biodégradabilité complète. Les huiles de base et les additifs contenus dans ces produits satisfont et dépassent les critères de toxicité aiguë (CL50) adoptés par l’EPA des États-Unis et l’US Fish and Wildlife.

En termes de propriétés, les stocks de base d’huile végétale sont de nature plus différente que les stocks de base paraffiniques et naphténiques des groupes I, II ou III. Dans l’industrie des biolubrifiants, le RSO et l’huile de canola semblent être les huiles de base de choix pour les fluides hydrauliques biodégradables (disponibles depuis 1985). Cependant, leur champ d’application est limité en raison d’une plus faible stabilité à l’oxydation thermique et au stress hydrolytique par rapport aux huiles minérales, et de propriétés d’écoulement à froid en partie inférieures. Ces limites peuvent être améliorées avec des additifs ou en utilisant des plaques de cuisson à base d’huiles de canola, de soja, de maïs ou de tournesol (voir Rubrique 5.3.1). Depuis l’avènement de la catégorie EA, une nouvelle catégorie de lubrifiants commerciaux performants de haute qualité a vu le jour, qui est renouvelable, durable, recyclable et biodégradable, à savoir Renewable Lubricants, Inc. Les PLAQUES de cuisson stabilisées (RLI) (voir Rubrique 10.5.2).

Les SSE couvrent une large gamme de produits chimiques de qualités et de prix différents (voir Section 6.2.1). Pour le développement des lubrifiants EA, il faut sélectionner des esters répondant aux exigences écologiques et possédant des propriétés plus favorables que les huiles grasses naturelles. La chimie offre un large choix de possibilités dans le domaine des SEs. Les réactions chimiques les plus importantes pour améliorer les propriétés des esters sont la transestérification, l’hydrogénation (sélective), l’ozonolyse et la dimérisation (voir Chapitre 6).

Les SES sont utilisés depuis plus longtemps que tout autre fluide à base synthétique. Ils ont été développés à l’origine comme lubrifiants pour moteurs à réaction dans les années 1950 et sont toujours utilisés en tant que tels. Pour les lubrifiants de base EA, les esters synthétiques les plus couramment utilisés sont les esters de triméthylolpropane (TMP) et de pentaérythritol (PE) polyol. De nombreux esters sont sensibles à l’hydrolyse. La stabilité hydrolytique des esters de polyols normaux diffère peu de celle du RSO, mais leur résistance à l’oxydation est beaucoup plus élevée. Les deux propriétés sont beaucoup améliorées dans les esters complexes (voir Section 6.2.1). Cependant, une amélioration de la stabilité hydrolytique nuit généralement à la biodégradabilité du fluide de base. Plusieurs esters complexes (acides gras saturés à chaîne moyenne sur TMP ou autres polyols) combinent d’excellentes caractéristiques thermol-oxydantes avec une bonne résistance à l’hydrolyse et une bonne biodégradabilité. SEs sont parmi les meilleurs fluides hydrauliques biodégradables. À condition qu’ils soient formulés avec des additifs appropriés, ils peuvent être non toxiques. Ils présentent d’excellentes propriétés de lubrification: des caractéristiques de frottement élevées et faibles combinées à une bonne liquidité à basse et haute température et une stabilité au vieillissement. Ils sont applicables pour les opérations de plage de températures extrêmes. En prolongeant les intervalles de vidange d’huile, les esters synthétiques restent compétitifs en termes de coûts.

Les PAG étaient les premières huiles biodégradables sur le marché. Cependant, tous les PAG ne se dégradent pas aussi bien. Le taux et le degré de biodégradation sont contrôlés par le rapport propylène/oxyde d’éthylène (PO/EO), les polyéthylèneglycols (PEGs) étant les plus biodégradables. Les polypropylène glycols (PPG) ne sont pas facilement biodégradables; il en va probablement de même pour les polybutoxylates (OSP). Sans surprise, le taux et l’étendue de la biodégradabilité diminuent avec l’augmentation du poids moléculaire. Les fluides PAG ont une excellente stabilité dans la plage de – 45 à 250 ° C et excellent là où les risques d’incendie sont préoccupants. Les intervalles de vidange d’huile (2000 h ou une fois par an) sont similaires aux huiles minérales. Tous les polyglycols ne sont pas solubles dans l’eau. Les polyglycols à base d’OE sont hautement solubles dans l’eau, peu miscibles avec les huiles minérales et de polarité élevée. Les polyglycols à haute teneur en PO ne sont pas solubles dans l’eau, ou seulement légèrement, dans une certaine mesure miscibles avec l’huile minérale, et sont nettement moins polaires que les PEGs. En raison de leur solubilité dans l’eau, les fluides hydrauliques à base de polyglycol (HEPG) peuvent contenir de l’eau.

Les PAG peuvent avoir de très bonnes propriétés techniques et sont bien connus pour une utilisation pratique à long terme. La solubilité dans l’eau de certains polyglycols (PEG) et leur incompatibilité avec les huiles minérales ont limité leur acceptation. Les GEP sont principalement utilisés dans l’industrie de l’approvisionnement en eau, dans les applications off-shore et l’hydraulique des écluses de canal en tant que fluides hydrauliques rapidement biodégradables, en particulier lorsque l’application entraîne une contamination inévitable du fluide hydraulique par de l’eau pénétrante. Les fluides hydrauliques polyglycol sont disponibles depuis plusieurs décennies et sont encore largement utilisés, en particulier dans l’industrie agroalimentaire, dans les machines de construction (pelles) et dans diverses installations fixes. Cependant, l’utilisation de polyglycols diminue en raison de leur toxicité aquatique lorsqu’ils sont mélangés à des additifs lubrifiants et de leur incompatibilité avec les huiles minérales et les matériaux d’étanchéité. L’industrie chimique fait de grands progrès pour développer des PAG biodégradables et non solubles dans l’eau. Ceux-ci pourraient être des alternatives aux esters.

Les poly-α-oléfines (PAO2) peu visqueuses sont biodégradables. Cependant, ces stocks de base ne trouvent qu’une applicabilité limitée dans la formulation de lubrifiants. La part de marché mondiale des OPA est d’environ 1% (voir rubrique 3.3).

Les huiles végétales et les fluides à base de SE correctement formulés sont tous deux facilement biodégradables. Contrairement aux équivalents à base minérale et synthétique, les lubrifiants EA sont non toxiques et se décomposent en eau et en CO2. Comme les fluides EA sont biodégradables, ils se décomposent en présence d’eau et de bactéries. Sur le plan conceptuel, les fluides d’EA devraient être surveillés périodiquement pour s’assurer que la biodégradation ne se produit pas. Bien que les stocks de base des lubrifiants EA soient non toxiques, les additifs dans les formulations peuvent entraîner une large gamme de toxicité.

Le VI de la plupart des fluides EA atteint ou dépasse le VI des fluides à base de pétrole. Le point d’écoulement des fluides et lubrifiants hydrauliques à base d’huile végétale non stabilisés peut être acceptable pour de nombreuses applications. Les lubrifiants EA produisent normalement de bonnes propriétés d’usure. La plupart des fluides EA formulés n’ont pas de problèmes de moussage. Certaines peintures courantes utilisées dans les systèmes de fluides sont incompatibles avec de nombreux fluides EA. Les joints en polyuréthane ne doivent pas être utilisés avec les fluides EA et doivent être remplacés par du Viton et du Buna N. Les fluides EA sont compatibles avec l’acier et les alliages de cuivre et offrent une excellente protection contre la rouille. Le fabricant du fluide doit être consulté pour obtenir des données de compatibilité spécifiques pour chaque matériau utilisé dans l’application. Les coûts d’élimination des huiles EA sont plus élevés que ceux des huiles minérales en raison de la réticence des recycleurs traditionnels à les accepter (voir section 14.7).

Les lubrifiants EA (bio) sont nécessaires dans de nombreuses applications telles que les huiles de scie à chaîne, la lubrification de câbles métalliques, les huiles marines, les lubrifiants pour moteurs hors-bord, les lubrifiants pour l’industrie alimentaire, les fluides hydrauliques en foresterie, les équipements agricoles et les machines de construction, les huiles d’ascenseur, etc. Dans le développement de lubrifiants, le plus grand problème pour chaque produit est de trouver le compromis optimal entre les exigences opposées de stabilité à long terme et de dégradation biologique rapide. L’application réussie de matériaux biosourcés dans la lubrification dans divers secteurs industriels nécessite une compréhension approfondie de leurs propriétés tribochimiques. Par exemple, les modifications du degré d’insaturation affectent les interactions latérales des molécules d’adsorbat, qui modifient leur adsorption et, par conséquent, leurs propriétés de lubrification aux limites.

La formulation de lubrifiants biodégradables est à l’inverse du marché actuel des lubrifiants dominés par les huiles minérales. Il est admis que plus de 90% de tous les lubrifiants pourraient être rapidement biodégradables. De nos jours, certains pays d’Europe occidentale et la Scandinavie sont les plus grands consommateurs de lubrifiants biodégradables. En Allemagne, 5% des huiles de base lubrifiantes étaient des esters rapidement biodégradables (naturels et synthétiques) en 2005. Au fil des ans, l’accent mis sur les lubrifiants est passé de la biodégradabilité à la renouvelables. Cela influence la conception de tels produits.