Grande Chimie : Huile Synthétique | Hackaday

Depuis que je conduis, je change d’huile. Plus longtemps que ça, en fait – avant même d’avoir mon permis, j’ai fait beaucoup de travaux d’entretien et de réparation sur la voiture familiale. Il semblait naturel de le faire à l’époque, et cela continue aujourd’hui, malgré le fait qu’il serait probablement moins cher dans l’ensemble de sous-traiter le travail. Je continue à le faire principalement parce que j’aime rester au courant de ce qui se passe avec mes voitures.

Les changements d’huile nécessitent des fournitures, mais les dernières fois que j’ai fait le voyage à BigBoxMart, je suis revenu les mains vides. Je ne sais pas si c’est l’un des problèmes de chaîne d’approvisionnement apparemment sans fin ou autre chose, mais l’allée qui a généralement une abondance de pétrole était gravement sous-approvisionnée. Et ce qu’il y avait était principalement de l’huile synthétique, que je n’avais jamais essayée auparavant.

J’ai résisté au passage à l’huile moteur synthétique parce que cela semblait être un gadget pour me soulager de plus de mon argent durement gagné que nécessaire. Mais maintenant qu’il semble que je n’ai pas d’autre choix que d’utiliser de l’huile synthétique, j’ai pensé que je ferais ce que je fais normalement : examiner les détails des huiles synthétiques et partager ce que j’ai trouvé avec vous tous.

Contes du vieux mécanicien

Dès le départ, je dirai qu’il semble y avoir beaucoup de « folklore » sur les huiles moteur en général et les synthétiques en particulier, et beaucoup de sentiments forts parmi les personnes pour qui les voitures sont plus qu’un simple moyen de transport. Il est donc facile de trouver des vidéos et des articles de blog qui insistent sur le fait que les synthétiques sont un cadeau des dieux de la lubrification, et ceux qui dénoncent les synthétiques dans les termes les plus forts possibles. Et bien sûr, chaque camp regarde l’autre comme des hérétiques, dont les prédilections en matière de lubrification les conduiront à coup sûr dans un gouffre de désespoir et de souffrance automobile. Tel est notre monde polarisé, je suppose.

Bien que je ne veuille pas vraiment choisir mon camp dans la guerre des huiles moteur, je ne veux absolument pas faire quoi que ce soit qui pourrait potentiellement endommager les moteurs soigneusement entretenus de mes voitures. N’ayant jamais utilisé de synthétiques, j’ai senti qu’un peu de diligence raisonnable était de mise : est-il possible que les synthétiques endommagent les moteurs plus anciens qui n’ont utilisé que des huiles traditionnelles ?

La réponse courte est : probablement pas. Lorsque les huiles synthétiques sont apparues pour la première fois, leur chimie n’était pas entièrement compatible avec la technologie actuelle des moteurs. Plus précisément, les premiers synthétiques à base d’esters ont causé des problèmes avec les joints de moteur contenant des résines de polyester. Cette époque est révolue depuis longtemps, car la technologie des joints de moteur et les formulations d’huile synthétique se sont améliorées. Les synthétiques modernes ont été testés pour être compatibles avec toutes sortes de matériaux couramment utilisés dans les joints de moteur, comme le nitrile, le silicone, les polyacrylates et les fluoroélastomères comme le Viton. Il a été démontré que les huiles qui portent les certifications de test appropriées ne provoquent pas de gonflement ou de rétrécissement excessif, de durcissement ou de réduction de la résistance du matériau d’étanchéité lorsqu’elles sont exposées à de l’huile synthétique.

Donc, fondamentalement, si vous avez fait fabriquer un moteur au cours des 30 dernières années environ et que vous utilisez une huile synthétique qui correspond aux recommandations du fabricant, tout devrait bien se passer.

Tout sur la base

Mais qu’en est-il exactement de l’huile moteur synthétique qui la rend synthétique ? Et en quoi diffère-t-elle de l’huile moteur traditionnelle ? Il s’avère qu’il y a moins de différence que vous ne le pensez entre les deux huiles, mais la façon dont elles diffèrent est assez intéressante, et les différences ont révélé le monde de l’ingénierie de la lubrification d’une manière que je n’avais jamais vraiment appréciée auparavant.

Toutes les huiles moteur, traditionnelles ou synthétiques, sont des produits de haute technologie qui contiennent une gamme ahurissante d’additifs, chacun avec un travail spécifique. Cependant, les huiles moteur commencent toutes par une huile de base, qui appartient à l’un des cinq grands groupes, en fonction de propriétés telles que la teneur en soufre, la viscosité et la quantité d’hydrocarbures saturés qu’elle contient – nous en reparlerons plus tard :

Groupes d’huiles de base API. Notez que les huiles minérales contiennent toutes un certain degré de soufre et d’hydrocarbures insaturés en fonction du pétrole brut dont elles proviennent et de la méthode de raffinage. Les huiles de base PAO sont dépourvues de ces composés. Source : Institut américain du pétrole
CATÉGORIES D’HUILE DE BASE API
Catégorie d’huile de base Soufre (%) Saturés (%) Indice de viscosité
Minéral Groupe I (raffiné au solvant) > 0,03 et/ou < 90 80 à 120
Groupe II (hydrotraité) < 0,03 et > 90 80 à 120
Groupe III (hydrocraqué) < 0,03 et > 90 > 120
Synthétique Groupe IV Lubrifiants poly-α-oléfine (PAO)
Groupe V Toutes les autres huiles de base

Les huiles de base des groupes I, II et III sont toutes dérivées du pétrole brut, et les méthodes utilisées pour raffiner la charge d’alimentation brute en fractions plus légères adaptées à l’huile moteur déterminent en grande partie la quantité de soufre dans l’huile de base, ainsi que la concentration d’insaturés. composés d’hydrocarbures qu’il contient. Les hydrocarbures saturés sont ceux où chaque carbone du squelette du polymère est entièrement peuplé d’hydrogènes; en d’autres termes, les composés saturés n’ont pas de doubles liaisons carbone-carbone. Ceci est important car les liaisons insaturées sont des sites potentiels d’oxydation, ce qui peut endommager les propriétés de l’huile de base.

Synthétique, oui, mais…

Ainsi, puisque les huiles de base des huiles minérales traditionnelles proviennent directement du sol sous forme de pétrole brut, cela doit sûrement signifier que l’huile synthétique évite la tache d’association avec les combustibles fossiles. Il s’avère que ce n’est pas le cas. S’il y a une chose que nous avons apprise de cette série « Big Chemistry », c’est que presque tout ce que nous utilisons dans la vie quotidienne provient, en tout ou en partie, de la pétrochimie. Et c’est la même chose avec l’huile synthétique.

Les huiles de base du groupe IV sont presque exclusivement des poly-α-oléfines, ou PAO. Comme les plastiques, les PAO sont des polymères synthétiques, mais plutôt que d’avoir des chaînes latérales massivement longues et étroitement croisées, les PAO sont principalement un petit nombre de chaînes latérales courtes liées entre elles. Mais les plastiques et les PAO ont beaucoup en commun, en termes de matières premières et de processus nécessaires pour les créer.

Le point de départ de la plupart des polymères est le gaz naturel. Le principal composé du gaz naturel est le méthane (CH4), l’hydrocarbure le plus simple possible et un membre de la famille des alcanes, qui a un squelette de carbones entièrement saturés. Mais la plupart des gisements de gaz naturel ont également une concentration importante d’alcanes plus complexes, tels que le butane à quatre carbones, le propane à trois carbones et l’éthane à deux carbones. L’éthane est le point de départ d’une grande partie de la chimie des polymères et peut être isolé du gaz naturel brut par condensation sélective.

L’éthane est distillé à partir du gaz naturel et converti en éthylène par vapocraquage.

Le gaz éthane peut être converti en gaz éthylène par vapocraquage, qui utilise des températures et des pressions élevées pour décomposer les hydrocarbures saturés et introduire des doubles liaisons carbone-carbone. Les hydrocarbures avec au moins une double liaison sont appelés alcènes, et la version alcène de l’éthane est appelée éthylène. Et l’éthylène, avec sa double liaison chimiquement réactive et située au centre, est un élément de construction extrêmement utile.

La prochaine étape sur la voie de l’huile synthétique consiste à fabriquer des alcènes à chaîne plus longue à partir d’éthylène. Le procédé chimique utilisé pour cela, le procédé Ziegler, est complexe et dépasse le cadre de cet article – et honnêtement, dépasse ma compréhension. Mais qu’il suffise de dire qu’il utilise un catalyseur organique contenant de l’aluminium pour coller plusieurs composés d’éthylène ensemble. Le procédé Ziegler permet un contrôle précis de la réaction d’oligomérisation et peut produire des alcènes de longueurs spécifiques. Lorsque le squelette carboné a dix carbones avec une seule double liaison, on parle de 1-décène.

Le 1-décène est une alpha-oléfine à dix carbones, produite à partir de l’oligomérisation de l’éthylène selon le procédé Ziegler.

Les alcènes, également connus sous le nom d’oléfines, sont caractérisés par l’emplacement de leur double liaison le long du squelette carboné. Lorsque la double liaison est située à côté du premier carbone, ou alpha, la molécule résultante est appelée alpha-oléfine ou α-oléfine. Le 1-décène est l’α-oléfine la plus couramment utilisée dans la production de poly-α-oléfine, qui est obtenue en faisant réagir le 1-décène avec un catalyseur de trifluorure de bore (BF3) et de l’eau ou un alcool. Cette réaction cible la double liaison vulnérable sur le carbone α du 1-décène, en la liant au carbone α sur une autre molécule de 1-décène.

Des chaînes de 1-décène sont ajoutées à une PAO en croissance par du trifluorure de bore et de l’eau. La réaction d’oligomérisation est laissée se poursuivre pendant environ cinq cycles avant d’être arrêtée. La double liaison restante sur le dernier décent à ajouter est ensuite éliminée par hydrogénation, pour éliminer un site d’oxydation potentiel.

Contrairement aux plastiques, la réaction de polymérisation ne dure que quelques cycles, produisant de petits oligomères de 1-décène. Cinq ou six cycles sont typiques, ce qui donne un PAO complètement dépourvu de composés soufrés et de liaisons insaturées (la double liaison restante de la dernière réaction est saturée en faisant réagir le PAO avec de l’hydrogène gazeux sous pression. Cela supprime le dernier site possible d’oxydation , ce qui en fait une huile de base PAO stable.

Presque fini

Les PAO sont fabriqués en grandes quantités et expédiés vers des installations de mélange où les huiles de base sont mélangées pour obtenir la viscosité appropriée. Des additifs tels que des détergents, des dispersants, des agents anti-mousse et des agents anti-usure sont ajoutés pour répondre aux spécifications du produit final.

Bien que le nom puisse être trompeur, dans de nombreux cas, les huiles moteur synthétiques ont l’avantage sur leurs homologues à base d’huile minérale. Lors de la fabrication d’une huile moteur à partir d’une huile de base minérale, il est presque impossible d’éviter les problèmes potentiellement limitant les performances, en particulier les sites d’oxydation. D’autre part, les huiles synthétiques peuvent presque entièrement éviter l’introduction de ces sites d’oxydation, ce qui conduit à un produit final qui dure plus longtemps et qui fonctionne mieux tout au long de sa vie.

Je ne sais pas si je pourrai jamais me résoudre à parcourir 25 000 miles sans changer l’huile, ce que les fabricants synthétiques annoncent souvent comme étant possible, mais maintenant je sais ce qui se cache derrière cette affirmation, et que le coût des synthétiques est à moins justifié par la quantité d’ingénierie qui y est consacrée.