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Indice de viscosité

Aucune autre valeur n'indique mieux les propriétés d'une huile et sa qualité que l'indice de viscosité (IV). Le VI est un nombre sans dimension, c'est-à-dire qu'il n'a pas d'unité physique. L’indice de viscosité (VI) permet de comparer le comportement de viscosité de différentes huiles en fonction de la température. L'indice de viscosité est important afin d'assurer, par exemple, la meilleure lubrification possible pour les machines, car des variations de température se produisent pendant le fonctionnement.

Historique

Graphique de l’indice de viscosité

Figure 1 : Indice de viscosité – schématique

La viscosité de l'huile lubrifiante ne donne aucune information pertinente à moins que la température, à laquelle elle a été mesurée, ne soit connue. La température est le paramètre le plus influent pour le changement de viscosité de l'huile. Pour tout huile utilisée sous des conditions de température changeantes, il est important de connaître le changement de viscosité par rapport au changement de température. À cette fin, l'indice de viscosité12 pour les huiles de base et les huiles lubrifiantes a été développé par Dean et Davis de Standard Oil en 1929. À ce moment-là, aucune huile multigrade et ni huile synthétique n'étaient disponibles. Pour l'échelle de l’indice de viscosité (VI), deux points limites ont été fixés. Les huiles présentant une faible variation de viscosité en fonction de la température (huiles HVI, raffinées à partir de bruts de Pennsylvanie, huiles paraffiniques) se situaient dans la partie supérieure de l’échelle. Leur VI était indiqué avec 100, ce qui représentait le meilleur VI. Les huiles avec un changement de viscosité significatif (huiles LVI, raffinées à partir de bruts du golfe du Texas, huile naphténique) représentaient le bas de gamme. Leur VI était indiqué avec 0 – c'était le pire VI possible. Les valeurs VI liées aux huiles minérales. Les huiles de lubrification ont ensuite été comparées à ces références. Si l'huile était similaire à l'huile paraffinique, un VI de 100 était attribué ; si elle était similaire à l'huile naphténique, un VI de 0 était attribué. Au milieu, un VI d'environ 50 serait attribué. Pour augmenter le VI à des valeurs supérieures à 100, de nouveaux types d'huiles de base et des additifs spéciaux ont été développés par la suite. Dans les premiers systèmes VI, les températures pour la mesure de la viscosité étaient de 100 °F et 210 °F, correspondant à 37,78 °C et 98,89 °C. L'échelle de température Fahrenheit est encore fréquemment utilisée dans la région anglo-américaine. Aujourd'hui, des températures de 40 °C et 100 °C sont courantes. Initialement, la viscosité a été mesurée en secondes universelles Saybolt (SUS). Aujourd'hui, la viscosité cinématique en mm²/s est utilisée pour le calcul de l'IV. Pour comparer le SUS (ASTM D88) avec mm²/s, un calculateur en ligne, tel que le calculateur Anton Paar pour la viscosité universelle ASTM D88 / Saybolt , peut être utilisé.

Comportement de la viscosité en fonction de la température des huiles

Comparé à l'eau, qui a un comportement d'écoulement presque identique sur une large plage de températures, l'huile change sa viscosité de manière significative avec la température changeante. Des influences supplémentaires telles que l'oxydation, la contamination et la pression pendant le fonctionnement ont un impact sur la viscosité. De plus, le changement de viscosité en fonction de la température n'est pas linéaire. Cela suit une fonction logarithmique double. Un faible VI exprime un changement considérable de viscosité avec le changement de température. De telles huiles sont très visqueuses à basse température et plutôt fluides à haute température. Un VI élevé signifie le contraire : un petit changement de viscosité sur une large plage de températures. Lors du choix de l'huile pour un usage spécial, par exemple pour l'utiliser comme lubrifiant dans un moteur à combustion interne, le changement de viscosité lié à la température doit être pris en compte, car il diffère selon les types d'huile. Les huiles ayant la même viscosité cinématique à 40 °C peuvent avoir des propriétés très différentes à 100 °C. Pour obtenir les propriétés de viscosité liées à la température requises de l'huile, des améliorants de l'indice de viscosité, également connus sous le nom de modificateurs de viscosité, sont ajoutés à l'huile de base. Le VI maximum réalisable dépend du type d'huile de base utilisée ainsi que du type et de la concentration des améliorants de VI dans l'huile. Le VI des types d'huile courants varie de -60 à plus de 400. La teneur en modificateurs de viscosité est d'environ 5 % à 20 %. Pour obtenir des informations détaillées sur les propriétés de viscosité de l'huile moteur à différentes températures pour différents grades SAE, consultez le tableau suivant d'Anton Paar : Viscosité de l'huile moteur. Pour un aperçu des indices de viscosité des différents fluides, voir le tableau suivant :

Types d'huile / de fluide Indice de viscosité
Huile minérale 95 – 105
Huile multigrade 140 – 200
Huile PAO 135 – 160
Ester 140 – 190
Huile végétale 195 – 210
Glycol 200 – 220
Huile silicone 205 – 400

Tableau 1 : Indice de viscosité de différents fluides3

Modificateurs de l'indice de viscosité et comment ils fonctionnent

huile moteur mono-grade vs. multi-grade

Figure 2 : Influence des améliorateurs d'indice de viscosité : huile moteur mono-grade vs. multi-grade

Les huiles lubrifiantes formulées contiennent divers additifs. L'un des groupes les plus importants comprend les améliorants de l'indice de viscosité4 (= VII)/modificateurs de viscosité. Ce sont principalement des polymères ou copolymères solubles dans l'huile. Ils peuvent être utilisés pour les types d'huiles de base minérales et synthétiques.  Les améliorateurs de VI fonctionnent – exprimés de manière simplifiée – par un changement de forme. Les molécules de polymère sont petites et en forme de spirale, ou repliées lorsqu'elles sont froides. Dans cet état, elles n’augmentent pas la viscosité de l’huile, car le frottement est relativement faible sur les surfaces mouillées du moteur ainsi que dans le liquide lui-même. Avec l'augmentation de la température, les molécules se dilatent et se déplient ou se déroulent. Par conséquent, ils augmentent la friction dans le liquide et compensent la diminution de la viscosité causée par les températures plus élevées. L'impact d'un VII sur l'huile de lubrification du système global dépend également du poids moléculaire de l'améliorant de l'indice de viscosité5. Les additifs améliorant VI ont également quelques inconvénients. Ils sont sensibles au vieillissement causé par des cisaillements mécaniques répétés, qui perturbent les chaînes moléculaires. Au fil du temps, les additifs perdent leur capacité à agir comme épaississant dans l'huile à haute température. L'utilisation de polymères ayant un poids moléculaire plus élevé améliorerait les propriétés épaississantes, mais ils montrent moins de résistance à la cisaillement mécanique. Les polymères de poids moléculaire inférieur sont plus résistants à la cisaillement, mais ils n'augmentent pas suffisamment la viscosité à haute température. C'est pourquoi ils doivent être ajoutés en plus grandes quantités. Sans les améliorateurs d’indice de viscosité, il ne serait pas possible de formuler les huiles lubrifiantes multigrades modernes d’aujourd’hui. La figure 2 montre comment les améliorants de VI influencent le changement de viscosité dépendant de la température de l'huile. L'exemple pratique dans cette figure montre deux huiles mono-grade à utiliser dans les moteurs de véhicules routiers. La SAE 10 présente une viscosité plus faible à basse température que la SAE 40. En gros, la première huile est destinée à une utilisation en milieu froid : c'est l'huile "d'hiver". SAE 40 est destiné à être utilisé dans des environnements chauds : c'est l'huile "d'été". En ajoutant des améliorants VI (et d'autres additifs) à l'SAE 10, il est possible de formuler une huile multigrade qui contient les deux propriétés : l'SAE 10W-40. Cet huile a les propriétés des deux huiles : la bonne pompage à basse température de SAE 10, et un film d'huile plus épais et plus stable à température élevée de SAE 40. En utilisant une huile multigrade, il n'est plus nécessaire de changer l'huile moteur avec les saisons. Pour des détails concernant la classification de viscosité SAE (SAE International ; anciennement la Société des ingénieurs de l'automobile), voir les normes SAE J300 et SAE J306 ou notre article sur les grades de viscosité SAE pour une spécification des huiles sur une large plage de températures.

Quelles substances sont utilisées comme modificateurs de VI ?

Parmi les matériaux largement utilisés figurent notamment : les copolymères d’oléfines (OCP), les polyalkyl méthacrylates (PAMA), les polyisobutylènes (PIB), les polymères à blocs de styrène, le méthacrylate de méthyle (MMA), le caoutchouc polybutadiène (PBR), le cis-polyisoprène (un caoutchouc synthétique), le palmitate de polyvinyle, le caprylate de polyvinyle, les copolymères de palmitate de vinyle avec l’acétate de vinyle, ainsi que divers autres matériaux.  

Où sont utilisés les additifs de modification VI ?

Les modificateurs VI sont principalement utilisés dans les huiles moteurmultigrades, les huiles de transmission et les fluides de transmission automatique, les fluides de direction assistée, les fluides hydrauliques, et aussi dans les graisses. La plupart de ces cas d'utilisation sont liés aux moyens de mobilité, tels que les véhicules routiers, les embarcations et les aéronefs, car il y a des changements significatifs de température de fonctionnement. Pour les machines fonctionnant dans des conditions plus constantes, des huiles avec un VI plus bas sont suffisantes.

Exemple : Huile de lubrification pour moteurs à combustion interne automobiles

huile de base et lubrifiant

Figure 3 : Lubrifiant formulé

Les huiles lubrifiantes pour moteurs à combustion interne automobiles doivent avoir un indice de viscosité élevé. L'huile lubrifiante doit être suffisamment liquide à basse température pour permettre un démarrage à froid en douceur d'un moteur et doit être facilement pompable pour un approvisionnement rapide en huile à tous les points de lubrification. De plus, sa viscosité doit être suffisamment élevée à haute température pour maintenir un film de lubrification porteur de charge. De nos jours, les huiles moteur offrent un VI dans une plage d'environ 140 à 200. Trouvez plus d'informations dans le rapport : Indice de viscosité des huiles de base et de lubrification avec SVM 4001. 

Exemple : Huiles de transformateur naphténiques

Huiles de transformateur naphténiques

Figure 4 : Production d'énergie – les huiles de transformateur assurent un excellent transfert de chaleur

Ces huiles devraient avoir un faible indice de viscosité pour améliorer la convection naturelle à des températures de fonctionnement élevées. Une faible viscosité à des températures de fonctionnement plus élevées entraîne un écoulement turbulent, ce qui augmente le transfert de chaleur. Un indice de viscosité faible garantit une performance de refroidissement efficace d'une huile de transformateur. Ces huiles fournissent un VI dans une plage d'environ 100 à 60, et même plus bas. 

Exemple : Huile de trempe

Trempe

Figure 5 : Trempe – une étape importante du procédé de durcissement en métallurgie

Les huiles de trempe ont un indice de viscosité plutôt bas, souvent en dessous de 100. Ils doivent avoir une faible viscosité à haute température pour garantir un mouillage lisse et uniformément réparti de la surface métallique à durcir. Les huiles de trempe doivent éliminer la chaleur rapidement mais uniformément de la pièce de travail immergée pour permettre un processus de durcissement parfait.
Ils ont généralement un VI d'environ 90.

Détermination de l'indice de viscosité

Il existe deux procédures standard pour calculer l'indice de viscosité : ASTM D22706 et ISO 29097. Voici les méthodes actuelles pour calculer le VI des produits pétroliers utilisés dans les applications civiles et militaires.  L'indice de viscosité est important à la fois pour les nouvelles huiles et pour les huiles en service. Ce dernier est utilisé pour vérifier la dégradation des modificateurs de viscosité, ce qui entraîne généralement une diminution du VI.

Limitations

L'indice de viscosité est défini uniquement pour les produits pétroliers ayant une viscosité cinématique supérieure à 2 mm²/s à 100 °C.

Mesurer les valeurs d'entrée – viscosité cinématique obtenue à 40 °C et 100 °C

La mesure doit être effectuée conformément à ASTM D70428 ou ASTM D4459 respectivement ISO 310410 ou IP 7111. Dans les cas où il n'est pas possible de mesurer l'huile à des températures standard, la viscosité cinématique peut être mesurée à différentes températures. Ces températures devraient être aussi proches que possible des températures d'origine, mais aussi largement réparties que possible. À partir de ces valeurs mesurées, la viscosité cinématique à 40 °C et 100 °C peut être déterminée selon ASTM D34112. Pour les viscosimètres qui permettent la mesure des scans de température : En raison du comportement des molécules de polymère, il est souvent important de savoir si la mesure de la viscosité est effectuée avec des températures croissantes ou avec des températures décroissantes. Les lectures de viscosité d'une mesure de 40 °C à 100 °C peuvent différer de celles d'une mesure descendante de 100 °C à 40 °C. Dans ce cas, il est recommandé d'effectuer la mesure et la mesure répétée toujours dans une seule direction, de préférence de la température la plus basse à la plus élevée. 

Calcul de l’indice de viscosité (VI)

Pour calculer le VI, les paramètres de base L et H, qui sont liés aux huiles à indice de viscosité élevé et faible, tous deux à la même température de 40 °C, doivent être déterminés. En utilisant ces paramètres et la viscosité mesurée des huiles à 40 °C et 100 °C, l'indice de viscosité peut être calculé. Le calcul suit différentes formules en fonction de l'équilibre du paramètre de base H et de la viscosité cinématique mesurée à 40 °C.  Pour plus de détails sur le calcul du VI, référez-vous à l'ASTM D2270 et à l'ISO 2909. Pour obtenir un calcul rapide de l'IV à partir de deux viscosités connues, vous pouvez utiliser les calculateurs suivants dans le Wiki Anton Paar : IV à partir de la viscosité cinématique à 40 °C et 100 °C ou IV à partir de la viscosité cinématique à deux températures libres.

Conclusion

L'indice de viscosité est le paramètre le plus important indiquant les propriétés d'écoulement d'une huile liées à la température. Sélectionner une huile sans tenir compte de son VI pour une certaine application peut par exemple entraîner une usure prématurée et des dommages coûteux aux machines. Pour en savoir plus sur la détermination de la viscosité, il est recommandé de  

Références

  1. Fitch, J. 'Ne pas ignorer l'indice de viscosité lors de la sélection d'un lubrifiant' [en ligne] Noria Corporation. Disponible à : www.machinerylubrication.com/Read/28956/lubricant-viscosity-index [Consulté le 19 juin 2018]. 
  2. Cragg, J. C. et Evans, E. A. (1943) 'Mesure de la viscosité et indice de viscosité'. [en ligne] Vol. 29 No. 232, pp. 99–123. Disponible à : delibra.bg.polsl.pl/Content/16169/P-102_1943_No232.pdf [Consulté le 18 juin 2018]. 
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  5. Canter, N. (2011) ‘Améliorants de l'indice de viscosité’ [en ligne] Tribologie & Technologie de Lubrification pp. 10–22. Disponible à : www.stle.org/images/pdf/STLE_ORG/BOK/OM_OA/Additives/Special%20Additive%20Report_Viscosity%20Index%20Improvers_tlt%20article_Sept11.pdf [Consulté le 20 juin 2018]  
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