Les termes polyalkylène glycol et polyglycol sont utilisés de manière interchangeable. Ces fluides peuvent être fabriqués pour être soit solubles dans l’eau, soit insolubles dans l’eau (solubles dans l’huile). Les plus courants sont les fluides solubles dans l’eau, et ils peuvent donc avoir des propriétés très différentes.

Les polyglycols sont modérément polaires, ce qui leur confère des propriétés de résistance de film modérées. Ils ont un indice de viscosité très élevé (180 à 280) et de bonnes aptitudes à basse et haute température.

Ils se consument proprement, sans laisser de résidus, et ont été utilisés comme huile porteuse de lubrifiants solides pour la lubrification des chaînes à haute température. Certaines versions sont de qualité alimentaire et biodégradables. Ils sont utilisés comme huiles de compresseur dans les unités à vis rotative et à mouvement alternatif, huiles pour engrenages à vis sans fin, lubrifiants résistants au feu, fluides pour le travail des métaux et comme liquides de frein.

Les polyglycols solubles dans l’eau ne sont pas compatibles avec les huiles minérales et doivent donc être manipulés et éliminés séparément. Ils ne doivent pas être mélangés aux huiles minérales. Le résultat est un désordre gélatineux et gluant. Bien qu’ils soient d’excellents lubrifiants, ils peuvent poser un problème de logistique dans les usines. Ils peuvent également avoir certains effets négatifs sur les peintures et les joints, et sont très coûteux.

Les polyglycols insolubles dans l’eau (solubles dans l’huile) sont susceptibles de devenir plus courants et sont utilisés comme fluides de transfert de chaleur, huiles pour roulements à haute température et dans les compresseurs de réfrigération à vis.

Pendant des siècles, les lubrifiants ont été utilisés comme moyen de réduire la friction et l’usure des pièces mobiles. En 2005, 40 millions de tonnes de lubrifiants ont été produites.

Bien que les fluides naturels à base d’huile minérale représentent la majorité de la demande du marché, de nombreuses avancées technologiques dans les équipements et les machines ne seraient pas possibles sans les avantages offerts par les améliorations des lubrifiants synthétiques, qui ne représentent actuellement que deux pour cent du marché.

Alors que les polyalphaoléfines (PAO) répondent à certains de ces besoins, un nombre croissant d’applications exigent des performances plus élevées, ou nécessitent des spécifications uniques qui ne sont pas satisfaites par les lubrifiants traditionnels.

L’un des types de synthétiques les plus polyvalents est le lubrifiant à base de polyalkylène glycol (PAG). Les PAG sont généralement connus comme des lubrifiants pour compresseur, et leur utilisation dans l’industrie a augmenté depuis les années 1980. Les normes de performance croissantes dans les marchés de l’automobile et de l’industrie cataloguent ces secteurs comme des domaines prometteurs de croissance.

Cet article offre une vue d’ensemble des principales chimies de base synthétiques et une analyse approfondie des avantages et des utilisations des PAG.

Synthetic Lubricant Base Stocks

Il existe six principaux types de base utilisés dans le développement de lubrifiants synthétiques, chacun offrant son propre ensemble de propriétés et d’applications uniques.

Les silicones sont appréciées pour leur faible volatilité, leur inertie à la plupart des contaminants chimiques et leur stabilité thermique dans les applications sévères, ainsi que pour leur performance dans les environnements à basse température.

Ces qualités en font d’excellents candidats pour les fluides de transfert de chaleur, les applications de graisses spécialisées et les liquides de freins automobiles DOT Type 5. Cependant, il y a deux limitations des silicones qui doivent être prises en compte pour les applications de lubrification.

Premièrement, ils ne peuvent pas être utilisés dans la lubrification des cylindres des moteurs à combustion interne parce que le sous-produit de combustion est le dioxyde de silicium.

Deuxièmement, la performance à l’extrême pression est limitée, et les additifs courants à l’extrême pression sont incompatibles avec eux. Dans leurs applications appropriées, la durée de vie des fluides et la stabilité hydrolytique des silicones sont inégalées.

Les diesters, ou esters d’acide dibasique, ont été développés pendant la Seconde Guerre mondiale et sont le produit de réaction d’alcools à longue chaîne et d’acides carboxyliques. Historiquement, ils ont été efficaces comme lubrifiants de compresseurs alternatifs en raison de leur faible tendance à la cokéfaction à des températures de 400°F ou plus. Ils offrent également un excellent pouvoir solvant et détergent. L’agressivité des diesters envers les élastomères, les joints et les tuyaux a limité l’utilité de ces fluides. Des fluides plus récents, comme les esters de polyol, répondent aux besoins de nombreuses applications autrefois remplies par les diesters.

Les esters de polyol, ou polyesters de néopentyle, ont largement remplacé les diesters dans les applications à haute température où la stabilité oxydative est critique. Les applications courantes comprennent leur utilisation comme lubrifiants dans les moteurs d’avion, les turbines à gaz à haute température, les fluides hydrauliques et comme fluides d’échange thermique. Ils peuvent également être utilisés comme base de co-mélange avec les PAO pour améliorer la solubilité des additifs et réduire la tendance des PAO à rétrécir et durcir les élastomères.

Les PAO sont des polymères hydrocarbonés fabriqués par l’oligomérisation catalytique d’alpha oléfines linéaires comme l’alpha-décène. Ils sont considérés comme des lubrifiants haute performance et offrent un indice de viscosité élevé et une stabilité hydrolytique. Les PAO sont les plus couramment utilisés et sont généralement moins chers que les autres lubrifiants synthétiques. Ils ont été utilisés dans les huiles moteur pour voitures de tourisme, ainsi que dans de nombreuses applications de lubrifiants industriels.

Les esters de phosphate sont appréciés dans les applications où la sécurité et la résistance au feu sont des considérations critiques, ce qui inclut les fluides hydrauliques résistants au feu et les fluides pour avions. Les points d’éclair et d’incendie élevés renforcent leur résistance à l’inflammation, et leur faible chaleur de combustion en fait d’excellents fluides auto-extinguibles. Cependant, ils présentent plusieurs faiblesses, notamment une mauvaise stabilité hydrolytique, qui peut entraîner la formation de sous-produits acides agressifs. Il faut faire attention lors de leur utilisation car elles peuvent également réagir et dégrader une variété de mastics et de peintures couramment utilisés.

Les huiles PAG offrent un pouvoir lubrifiant de qualité, un indice de viscosité naturelle élevé et une bonne stabilité à la température. Les fluides de base PAG sont disponibles sous forme hydrosoluble et insoluble, et dans une large gamme de grades de viscosité. Ils offrent une faible volatilité dans les applications à haute température et peuvent être utilisés dans des environnements à haute et basse température. Ils sont couramment utilisés comme quenchants, fluides pour le travail des métaux, lubrifiants de qualité alimentaire et comme lubrifiants dans les équipements hydrauliques et les compresseurs. Cependant, les huiles PAG solubles dans l’eau sont incompatibles avec l’huile de pétrole, et il faut faire attention lors de la transition des équipements des huiles d’hydrocarbures aux huiles PAG.

Le développement du polyalkylène glycol

Les huiles PAG ont été l’un des premiers lubrifiants synthétiques à être développés et commercialisés. Elles ont été créées sous mandat de la marine américaine en réponse aux incendies de fluide hydraulique sur les navires résultant de frappes de munitions pendant la Seconde Guerre mondiale. En 1942, et pendant les 30 années suivantes, la marine a commencé à utiliser exclusivement des fluides hydrauliques à base d’eau glycolée PAG, qui étaient résistants au feu et pouvaient fonctionner sur une large plage de températures. Plus tard, les huiles PAG ont commencé à être largement utilisées comme lubrifiants textiles et comme quenchants dans le traitement thermique des métaux.

Les huiles PAG sont classées selon leur composition en pourcentage en poids d’unités d’oxypropylène par rapport aux unités d’oxyéthylène dans la chaîne polymère. Les huiles PAG avec 100 pour cent en poids de groupes oxypropylène sont insolubles dans l’eau ; tandis que celles avec 50 à 75 pour cent en poids d’oxyéthylène sont solubles dans l’eau à des températures ambiantes.

Bien que les huiles PAG soient utilisées depuis longtemps comme lubrifiants industriels, des travaux récents ont conduit au développement de lubrifiants PAG destinés à être utilisés dans les équipements de l’industrie alimentaire. Ces produits sont connus sous le nom de lubrifiants approuvés pour l’industrie alimentaire.

Dans ces applications, ils offrent un excellent pouvoir lubrifiant, une stabilité oxydative accrue, un indice de viscosité élevé (180 à 280) et de faibles points d’écoulement. Ils sont l’une des rares substances synthétiques identifiées dans la réglementation sur les additifs alimentaires de la FDA pour les stocks de base de lubrifiants de qualité alimentaire, 21 CFR § 178.3570, pour une utilisation dans les machines industrielles lorsqu’un contact alimentaire accidentel avec un lubrifiant peut se produire.

Applications et avantages des huiles PAG

En raison des propriétés qui composent les lubrifiants PAG, ils sont particulièrement adaptés à un certain nombre d’applications industrielles et de fabrication. Leur solubilité dans l’eau permet un nettoyage facile de l’équipement. Les lubrifiants PAG offrent des indices de viscosité élevés, et sont stables au cisaillement.

Les huiles PAG sont également appréciées pour leur faible volatilité dans les applications à haute température, et pour leur résistance à la formation de résidus et de dépôts. Leur biodégradabilité les rend idéales pour les applications sensibles à l’environnement.

Les huiles PAG sont surtout connues comme lubrifiants de compresseur. Les PAG sont également le lubrifiant de choix dans la compression du gaz naturel et de l’éthylène à haute pression, où la stabilité de la viscosité des lubrifiants à base d’hydrocarbures est affectée négativement en raison de la solubilité du gaz dans le fluide.

Dans la compression frigorifique, les lubrifiants de type PAG et polyol ester sont utilisés presque exclusivement avec la génération actuelle de réfrigérants HFC respectueux de l’environnement tels que le R-134a et le R-152a.

Les deux plus grands OEM américains de compresseurs d’air ont utilisé des lubrifiants PAG comme remplissage standard en usine dans les compresseurs d’air rotatifs à vis pendant près de 20 ans. Plus récemment, un troisième équipementier de compresseurs a commencé à proposer l’huile PAG comme fluide en option.

Du point de vue du laboratoire, l’état des fluides PAG est relativement facile à surveiller. Dans la plupart des applications, à mesure que la fin de la vie utile approche, le seul changement significatif est l’augmentation de l’indice d’acide (AN) provenant de l’oxydation du fluide.

Selon l’ensemble des additifs, les huiles PAG fraîches auront généralement un AN de 0,1 à 0,5 mg KOH/g. Une augmentation de 1,0 par rapport à la nouvelle spécification du fluide est une bonne limite de condamnation.

La viscosité reste assez stable, même pendant les dernières étapes de la vie du fluide. Les limites d’eau peuvent être fixées plus haut pour les huiles PAG que pour les fluides hydrocarbonés, car elles sont plus tolérantes à l’eau que les autres types de fluides. Même une huile PAG “insoluble dans l’eau” tolérera jusqu’à 0,7 % de contamination par l’eau avant de permettre à l’eau libre d’exister dans le fluide.

Les huiles PAG sont également utiles dans les équipements industriels fonctionnant toute l’année sans changements saisonniers. Leurs caractéristiques supérieures de transfert de chaleur et leur stabilité thermique et à l’oxydation les rendent idéales comme fluides de transfert de chaleur dans les grands systèmes à évent ouvert et comme fluides de traitement dans la production de plastiques, d’élastomères, de fils ou de pièces fabriquées où la compatibilité du fluide avec la pièce traitée est importante.

La production de fibres textiles est une autre industrie qui bénéficie de l’utilisation des huiles PAG. Ces lubrifiants ne tachent pas et ne décolorent pas les fibres, et sont facilement éliminés lors du processus de décapage. Les huiles PAG sont également le lubrifiant de choix pour de nombreux procédés de fabrication de fibres à haute vitesse et à haute température, où la stabilité au cisaillement est une exigence. En outre, elles sont souvent utilisées comme lubrifiants dans les équipements de fabrication de textiles en tant que lubrifiants d’engrenages à pression extrême.

Un regain d’intérêt pour les économies d’énergie a accru l’intérêt pour les lubrifiants d’engrenages économes en énergie. Par exemple, les exigences extrêmes de la lubrification des engrenages dans les éoliennes sont satisfaites par les huiles PAG.

Les faibles vitesses et les charges de surface élevées sur les engrenages de ces unités ont entraîné des problèmes de micropitting avec les huiles hydrocarbonées conventionnelles qui ont été surmontés avec les fluides à base de PAG. Dans d’autres applications de boîtes de vitesses, en particulier les engrenages à vis sans fin, le coefficient de frottement naturellement faible que l’on trouve dans les fluides PAG permet de réaliser des économies d’énergie, de réduire les températures et les taux d’usure.

La polyvalence rencontre la performance

Depuis plus de 60 ans, les lubrifiants synthétiques offrent une alternative viable aux lubrifiants hydrocarbonés traditionnels. Chaque type remplit des rôles uniques, avec des huiles PAG performantes dans des environnements à haute et basse température, dans des zones de pression extrême et lorsque la solubilité dans l’eau est souhaitée.

Le polyalkylène glycol peut être conçu pour former une grande variété de polymères. La conception du polymère peut être adaptée à l’application du lubrifiant pour fournir, par exemple, la viscosité, le point d’écoulement, la solubilité et d’autres attributs souhaités.

Cette polyvalence et les applications dans lesquelles elles sont utilisées montrent que les huiles PAG représentent environ 24 % de l’ensemble du marché des lubrifiants synthétiques. De faibles points d’écoulement, une large gamme de viscosités, la résistance à la formation de vernis, une solvabilité accrue et une large gamme de solubilité sont autant d’éléments qui contribuent à la réputation des lubrifiants PAG en tant que lubrifiant synthétique de haute performance sur le marché.

Avec l’accent continu mis sur les lubrifiants acceptables pour l’environnement dans l’industrie, ces qualités continueront à pousser les huiles PAG à l’avant-plan du marché synthétique.

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