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Étude rhéologique des produits pétrochimiques

Les produits pétrochimiques sont des produits chimiques tirés du pétrole brut ou du gaz naturel. Ils sont à la base d’un grand nombre de produits de la vie quotidienne, parmi lesquels les carburants et huiles pour les voitures, plastiques, pesticides et engrais, peintures, détergents, cosmétiques, bougies et bien d'autres. En réalité, il serait plus simple de citer les produits qui ne contiennent pas de substances pétrochimiques que de fournir une liste exhaustive de tous ceux qui en contiennent. Pour donner encore deux exemples supplémentaires, les substances pétrochimiques sont à la base des vestes en polaire et des adoucissants pour le linge.

Comportement rhéologique des produits pétrochimiques

Pour ce qui est du pétrole brut, l'existence de paraffines et d'asphaltènes dans les réservoirs et pipelines à pétrole peut être à l'origine de problèmes de production, transportation et des industries de production. La précipitation solide peut créer des dépôts et entraîner l'obstruction des installations. La formation de composants solides peut également entraîner des problèmes de pompage.

Les pétroles bruts contiennent un mélange d'hydrocarbures légers et lourds. À des températures supérieures à 60 °C, les composants plus légers font que les plus lourds sont en solution, ce qui entraîne des valeurs de viscosité faibles, en comparaison. Toutefois, lorsque la température diminue, la solubilité des composants lourds est réduite, ce qui peut entraîner une précipitation solide. Cet effet est appelé « précipitation cireuse » et peut transformer le pétrole brut d'un fluide newtonien en une substance avec seuil d'écoulement qui peut par la suite augmenter le danger de formation de bouchon dans un pipeline. La précipitation cireuse dans les pétroles bruts dépend à la fois de la composition de la dispersion du pétrole et des conditions ambiantes comme la température et la pression. Des tests effectués à température et pression élevées dans un rhéomètre combinés avec une cellule de pression fournissent des informations, par exemple, sur l'efficacité des inhibiteurs d'obstruction dans les conditions de transport et de production.

Carburants

Lorsque nous parlons de carburants, nous pensons généralement aux carburants liquides comme les produits pétroliers (diésel, pétrole, kérosène, etc.). Parmi les autres types de carburants, il faut citer les carburant solides (charbon, bois, engrais, etc.) et les carburants gazeux (gaz naturels tels que le propane, le gaz de houille, gaz à l'eau, etc.). Dans la mesure où les gaz liquides sont concernés, un des facteurs les plus importants influençant leur consistance, outre la pression, est la température. Le diesel et le pétrole, par exemple, sont exposés à une ample gamme de températures, en fonction des conditions climatiques. Afin de rester à l'état liquide, même à de basses températures, leur point de congélation doit être inférieur à la température de service ou plutôt la température ambiante. On peut généralement dire que le pétrole possède un point de congélation inférieur à celui du carburant diésel. Afin de diminuer la précipitation cireuse, les additifs sont fréquemment utilisés pour améliorer la fluidité des carburants, même pour les basses températures.

Tests rhéologiques sur les carburants

Pendant le refroidissement, trois points sont pris en compte pour décrire le passage d'un carburant d'un état liquide à un état solide à basses températures. Ceci commence par le point de nébulisation auquel le carburant prend la forme de nuage suite au début de la cristallisation des cires et des paraffines. Le point d'écoulement décrit la valeur de viscosité juste avant que le carburant commence à devenir solide et atteigne finalement son point de congélation. Autrement dit, le point d'écoulement est le point auquel le carburant montre encore des caractéristiques d'écoulement. Ce point affecte le transport du carburant dans les pipelines, par exemple, tout comme l'utilisation dans les véhicules. Une méthode de détermination du point de versement est un test rotationnel avec un gradient de cisaillement, dans un rhéomètre rotationnel. Dans un test rotationnel avec températures en diminution, le point d'inflexion ou le virage à partir duquel la courbe de viscosité commence finalement à s'aplatir peut être déterminé comme étant le point de versement. Les deux points peuvent être calculés avec un programme d'analyse. Il est donc important de spécifier la méthode employée pour déterminer le point de versement. Le point de versement des carburants diésels peut en fait être influencé en ajoutant des modificateurs de cire qui polarisent les molécules de cire de façon à ce qu'elles ne forment pas de cristaux de grande taille pendant le refroidissement.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d’un système de contrôle de la température par effet Peltier pour cylindre coaxiaux.

Il s'agit d’un exemple parmi d'autres des études rhéologiques couramment pratiquées dans l'industrie automobile.

Additifs lubrifiants

La fonction première d’un lubrifiant est de réduire le frottement et l'usure entre deux surfaces en mouvement relatif en formant un film fluide qui portera la charge. Un lubrifiant dans un moteur automobile doit respecter des exigences très élevées, comme assurer de la stabilité à haute température, prévenir l’oxydation et la corrosion des pièces métalliques, assurer une bonne étanchéité, etc. Il s’ensuit donc que plusieurs additifs tels que des modificateurs de viscosité, des agents anti-usure et anti-oxydation, des additifs pour pression extrême, etc. doivent être ajoutés à l’huile de base.

Les modificateurs de viscosité (structures polymériques) sont adjoints à un lubrifiant afin de minimiser les variations de viscosité à températures variables. En conditions idéales, un lubrifiant doit être suffisamment visqueux pour former un film fluide porteur qui sépare les surfaces en contact qu’il lubrifie. Cependant, suite à des améliorations concernant son efficacité (modifications de formulation), ce film s'est aminci et ne parvient plus toujours à maintenir les surfaces distantes dans des conditions imprévues telles qu’une montée en pression soudaine ou une situation d'arrêt/démarrage. C’est la raison pour laquelle d'autres additifs, comme les agents anti-usure et les additifs pour pression extrême, sont ajoutés afin de faciliter la formation de films de surface dits sacrificiels sur les pièces métalliques mobiles.

Tests tribologiques sur les additifs lubrifiants

Le type et la quantité des additifs ajoutés au lubrifiant dépendent du type de moteur et du domaine d'application. Le développement d'additifs personnalisés, le processus de combinaison et les processus d'interaction correspondants sont des tâches très difficiles. Une solution permettant de relever ce défi est de réaliser des mesures tribologiques. Ces mesures fournissent des informations sur l'ensemble du système, y compris les surfaces de contact, le lubrifiant ainsi que les conditions environnantes. La performance des lubrifiants peut être mesurée à différentes pressions de contact, vitesses de glissement, températures et humidité relative. Ainsi, la formulation peut être modifiée jusqu'à convenir à son usage spécifique.

Ce test nécessite unrhéomètre/tribomètre pourvu d'une configuration bille sur trois plaques.

Graisses pour lubrification

Rares sont les installations mécaniques ou les moteurs qui peuvent fonctionner sans problème sans huile ou graisse de lubrification pour empêcher les dommages ou les pannes et pour réduire les coûts de maintenance. Les graisses de lubrification sont utilisées dans les engrenages, paliers, chaînes, guides et bien d'autres pièces. La graisse à choisir pour augmenter l’efficacité d'un système dépend de multiples facteurs, comme la durée de vie prévue ou les conditions ambiantes. Ces facteurs dépendent des propriétés intrinsèques de la graisse, par exemple de sa thixotropie, sa masse volumique, sa stabilité à l'oxydation, sa protection contre la rouille et de certains paramètres tribologiques comme les propriétés en pression extrême, la capacité de charge, etc. Le point d'écoulement de l’huile de base et sa texture revêtent également une grande importance.

Il existe bien entendu divers autres paramètres, tels que la résistance à la corrosion, la stabilité à long terme, le comportement de friction, etc. qui doivent être caractérisés individuellement. Choisir la bonne graisse de lubrification implique de respecter des critères rigoureux et des techniques de mesure de haut niveau sont requises pour caractériser la graisse.

Tests rhéologiques sur des graisses de lubrification

Il est très important de mesurer le comportement rhéologique d'une graisse de lubrification au sein d'une plage étendue de températures, pour montrer dans quelles conditions ambiantes elle peut être utilisée, par exemple dans l'industrie automobile. Les fabricants automobiles ont besoin de graisses pouvant également être utilisées à des températures pouvant atteindre - 40°C. Il est donc très souhaitable de disposer d'un instrument et de méthodes de mesure pour étudier le comportement viscoélastique des graisses dans une plage étendue de température. Ceci peut se faire à l'aide d'un rhéomètre oscillatoire équipé d'une unité de contrôle thermique. Un test typique, par exemple, est un balayage d'amplitude avec déformation de cisaillement, également appelé balayage de contrainte, réalisé à des températures différentes.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d’un système de contrôle de la température par effet Peltier.

Il s'agit d’un exemple parmi d'autres des études rhéologiques couramment pratiquées dans l'industrie automobile.

Tests tribologiques sur les graisses de lubrification

Alors que la rhéologie décrit les propriétés d'un matériau, la tribologie décrit les propriétés d'un système qui, dans ce cas, comprend un corps, un corps antagoniste et un lubrifiant entre les deux. En procédant à des mesures tribologiques, il est possible de déterminer la force de séparation de graisses dans un système tribologique particulier par exemple. La force de séparation est la force requise pour surmonter la résistance de friction statique du système tribologique et le mettre en mouvement macroscopique. La valeur du coefficient de frottement juste avant la mise en mouvement macroscopique est appelée frottement limite. Des applications courantes dans lesquelles ce paramètre pourrait jouer un rôle majeur sont les détendeurs de siège, les glissières, les portes, les serrures, le matériel de pêche, etc. Si dans la plupart des cas une force de séparation faible est désirable, il convient aussi de noter qu’une certaine résistance reste nécessaire pour empêcher les mouvements involontaires. Une détermination précise de la force de séparation demande un contrôle et une mesure très précis des forces et nécessite un rhéomètre pourvu d'accessoires tribologiques optimisés pour la caractérisation des lubrifiants.

nécessite un rhéomètre/tribomètre pourvu d’une configuration bille sur trois plaques.

Il s'agit d’un exemple parmi d'autres des études rhéologiques couramment pratiquées dans l'industrie automobile.

Huiles minérales

Le pétrole brut, comme mélange de composants, est la base d'une grande variété de produits comme les solvants, les huiles minérales, les résines, les détergents, les polymères (plastiques) et les élastomères.

Les huiles minérales sont réparties dans le monde entier sous forme de fiouls et pétroles mais aussi comme matière brute d'un grand nombre de produits de l'industrie chimique. Les huiles minérales synthétisées et raffinées sont particulièrement courantes dans l'industrie automobile comme huiles lubrifiantes, par exemple, pour garantir la meilleure performance des moteurs et des transmissions. Ces huiles doivent résister à des conditions ambiantes variées pendant leur vie utile allant du démarrage à froid du moteur aux hautes températures et pressions produites lors du fonctionnement. La tâche de ces huiles utiles est donc de répondre à tous ces défis sans perdre les propriétés requises.

Tests rhéologiques sur les huiles minérales

l'influence de la température sur le comportement d'écoulement de l'huile minérale fait partie des données les plus importantes pouvant être déterminées à l'aide d'un rhéomètre. Les huiles minérales typiquement pures sans additifs de polymère font preuve d'un comportement d'écoulement newtonien/visqueux idéal.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d’un système à cylindre concentrique de contrôle de la température par effet Peltier.

Autres matériaux et applications