EP2986693B1 - Composition lubrifiante a base de nanoparticules metalliques - Google Patents

Composition lubrifiante a base de nanoparticules metalliques Download PDF

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EP2986693B1
EP2986693B1 EP14718967.4A EP14718967A EP2986693B1 EP 2986693 B1 EP2986693 B1 EP 2986693B1 EP 14718967 A EP14718967 A EP 14718967A EP 2986693 B1 EP2986693 B1 EP 2986693B1
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    • C10N2040/04—Oil-bath; Gear-boxes; Automatic transmissions; Traction drives
    • C10N2040/044—Oil-bath; Gear-boxes; Automatic transmissions; Traction drives for manual transmissions
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    • C10N2050/00—Form in which the lubricant is applied to the material being lubricated
    • C10N2050/015—Dispersions of solid lubricants

Definitions

  • the present invention is applicable to the field of lubricants, and more particularly to the field of lubricants for motor vehicles, particularly in the field of lubricants for transmission members of motor vehicles.
  • the invention relates to a lubricating composition comprising metal nanoparticles. More particularly, the invention relates to a lubricant composition comprising a dispersant of high weight average molecular weight and metal nanoparticles.
  • the lubricant composition according to the invention simultaneously has good stability and good anti-peeling properties.
  • the present invention also relates to a method for reducing the peeling of a mechanical part employing this lubricating composition.
  • the present invention also relates to a concentrate type composition of additives comprising a dispersant of high weight average molecular weight and metal nanoparticles.
  • the transmission components of motor vehicles operate under heavy load and high speeds.
  • the oils for these transmission members must therefore be particularly effective in protecting the parts against wear and fatigue, and in particular protect the gear teeth against the phenomenon of chipping.
  • the phenomenon of wear corresponds to the abrasion and tearing of metal at the surface during friction between moving parts.
  • the peeling phenomenon differs from the phenomenon of wear. It corresponds to a deterioration of the parts by fatigue and occurs after a long time of aging, preceding the visible deteriorations. It is known that this phenomenon starts with the initiation of cracks to a certain depth below the surface, these cracks propagating, and when normal cracks on the surface are created, scales break off abruptly.
  • the prevention of this phenomenon involves a reduction of contact stresses thanks to an appropriate geometry of the parts, and by the reduction of friction, avoiding adhesion.
  • Lubricant is involved in this prevention process, mainly by the physicochemical reactivity of its additives.
  • Sulfur, phosphorus, phospho sulfur or borated antiwear and extreme pressure additives are known to give the transmission oils peel protection properties.
  • the other additives present in the lubricant can also have an impact, positive or negative, on the propagation of cracks inside the parts and thus on the phenomenon of chipping.
  • synchronizers In manual transmissions, the presence of synchronizers induces additional constraints. Indeed, these members comprise a cone and ring device between which the friction must be precisely controlled. Thus, the friction must be sufficient for the synchronization of speeds, but it is necessary that the cone and the ring can then disengage, at the risk of blocking the synchronizer.
  • the level of friction can be adjusted by adding friction modifiers in these gearbox oils.
  • WO 2007/035626 discloses a lubricating composition comprising metal nanoparticles, especially based on lithium, potassium, sodium, copper, magnesium, calcium, barium or mixtures thereof.
  • compositions comprising at least one base oil, at least one dispersant and nanoparticles of metal hydroxides in the form of crystals. These compositions are used for lubricating combustion engines and for neutralizing the acids formed during combustion.
  • the document US2006 / 0100292 A1 discloses a method of manufacturing a fat in which at least one base oil, at least one dispersant and nanoparticles of metal hydroxides in the form of crystals are mixed. This process has the advantage of reducing foam formation, deriving environmental risks and reducing reaction time.
  • the document US2009 / 0203563 discloses a process for the manufacture of an overbased or neutral detergent. This method uses a surfactant and an organic medium with a composition comprising at least one base oil, at least one dispersant and nanoparticles of metal hydroxides in the form of crystals.
  • WO2011 / 081538 A1 discloses a process for producing molybdenum disulfide and tungsten particles, the method of passing and pressing between glue-coated plates a mixture of molybdenum disulfide and tungsten. This document does not describe lubricating compositions.
  • the document CN 101691517 describes a motor oil comprising a dispersant and tungsten disulfide nanoparticles, to improve the life of the engine and reduce fuel consumption.
  • the nanoparticle content of tungsten disulfide ranges from 15 to 34%. Such a content may cause instability of the composition and is therefore not compatible with a lubricant composition, especially for transmissions.
  • no indication is given in this document as to any anti-peeling properties of the oil, particularly vis-à-vis the transmission members of a motor vehicle.
  • the document EP 1 953 196 discloses a dispersion of metal nanoparticles, in particular metal oxides based on zinc, zirconium, cerium, titanium, aluminum, indium or tin in an organic solvent and in the presence of a polymeric dispersant of PIBSA type (polyisobutenylsuccinic anhydride, or in terminology Anglo-Saxon polyisobutenyl succinic anhydride).
  • PIBSA type polyisobutenylsuccinic anhydride, or in terminology Anglo-Saxon polyisobutenyl succinic anhydride.
  • An object of the present invention is to provide a lubricant composition overcoming all or in part the aforementioned drawbacks.
  • Another object of the invention is to provide a lubricating composition which is stable and easy to implement.
  • Another object of the present invention is to provide a lubrication process including reducing the spalling phenomena of mechanical parts, and more particularly motor vehicle transmission members.
  • the subject of the invention is thus a lubricating composition
  • the weight average molecular weight of the dispersant is evaluated according to the ASTM D5296 standard.
  • the Applicant has found that the presence of a dispersant having a weight average molecular weight greater than or equal to 2000 Daltons in a lubricating composition comprising at least one base oil and metal nanoparticles makes it possible at the same time to improve the stability of the lubricating composition, and to give said composition very good anti-peeling properties.
  • the present invention makes it possible to formulate lubricating compositions comprising a reduced content of metal nanoparticles and which nevertheless have remarkable anti-peeling properties.
  • lubricant compositions according to the invention by the use of lubricant compositions according to the invention, the risk of residual deposition of metal nanoparticles on mechanical parts, and more particularly on transmission members of motor vehicles, is significantly reduced or even eliminated.
  • the lubricant compositions according to the invention have improved storage stability and a viscosity that does not vary or is very little.
  • the lubricant compositions according to the invention retain satisfactory friction properties.
  • the lubricating composition consists essentially of at least one base oil, at least one dispersant having a weight average molecular weight greater than or equal to 2000 Daltons and at least one metal nanoparticle in a weight content of from 0 , 01 to 2% relative to the total weight of the lubricating composition.
  • the invention also relates to a transmission oil comprising a lubricating composition as defined above.
  • the invention also relates to the use of a lubricant composition as defined above for the lubrication of gearboxes or bridges, preferably motor vehicle gearboxes, advantageously for the lubrication of manual gearboxes.
  • the invention also relates to the use of a lubricant composition as defined above for reducing the peeling of a mechanical part, preferably of a transmission member, more preferably of a gearbox, further more preferably of a manual gearbox.
  • the invention also relates to a method for reducing the peeling of a mechanical part, preferably of a transmission member, advantageously a gearbox or a bridge, comprising at least the contacting of the part. mechanical with a lubricating composition as defined above.
  • the invention also relates to a composition of additive concentrate type comprising at least one dispersant having a weight average molecular weight greater than or equal to 2000 Daltons and nanoparticles of tungsten bisulfide.
  • the lubricant composition according to the invention comprises metal nanoparticles in a content by weight ranging from 0.01 to 2% relative to the total weight of the lubricating composition.
  • metal nanoparticles especially metal particles, generally solid, whose average size is less than or equal to 600 nm.
  • the metal nanoparticles consist of at least 80% by weight of at least one metal, or at least 80% by weight of at least one metal alloy or at least 80% by weight of at least one metal chalcogenide, especially transition metal, with respect to the total mass of the nanoparticle.
  • the metal nanoparticles consist of at least 90% by weight with at least one metal, or at least 90% by weight of at least one metal alloy or at least 90% by weight of at least one metal chalcogenide, especially transition metal, with respect to the total mass of the nanoparticle.
  • the metal nanoparticles consist of at least 99% by weight with at least one metal, or at least 99% by weight of at least one metal alloy or at least 99% by weight of at least one metal chalcogenide, especially transition metal, relative to the total mass of the nanoparticle, the remaining 1% being impurities.
  • the metal of which the metallic nanoparticle is constituted can be chosen from the group formed by tungsten, molybdenum, zirconium, hafnium, platinum, rhenium, titanium, tantalum, niobium, zinc, cerium, aluminum, indium and tin.
  • the metal nanoparticles can have the shape of spheres, lamellae, fibers, tubes, fullerene type structures.
  • the metal nanoparticles used in the compositions according to the invention are solid metal nanoparticles having a fullerene type structure (in English term fullerene-like).
  • MX n metal nanoparticles
  • M represents a transition metal
  • X a chalcogen a transition metal
  • M is selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, zirconium, hafnium, platinum, rhenium, titanium, tantalum and niobium.
  • M is selected from the group consisting of molybdenum and tungsten.
  • M is tungsten
  • X is selected from the group consisting of oxygen, sulfur, selenium and tellurium.
  • X is selected from sulfur or tellurium.
  • X is sulfur
  • the metal nanoparticles according to the invention are chosen from the group formed by MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 , ZrS 2 , ZrSe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , PtS 2 , ReS 2 , ReSe 2 , TiS 3 , ZrS 3 , ZrSe 3 , HfS 3 , HfSe 3 , TiS 2 , TaS 2 , TaSe 2 , NbS 2 , NbSe 2 and NbTe 2 .
  • the metal nanoparticles according to the invention are chosen from the group formed by WS 2 , WSe 2 , MoS 2 and MoSe 2 , preferentially WS 2 and MoS 2 , preferentially WS 2 .
  • the nanoparticles according to the invention advantageously have a fullerene type structure.
  • fullerene denotes a closed convex polyhedron nanostructure composed of carbon atoms.
  • Fullerenes are similar to graphite, composed of linked hexagonal ring sheets, but they contain pentagonal, and sometimes heptagonal rings, which prevent the structure from being flat.
  • fullerene-type structures were not limited to carbonaceous materials, but was likely to occur in all nanoparticles of sheet-like materials, particularly for nanoparticles including chalcogen and transition. These structures are similar to that of carbon fullerenes and are called inorganic fullerenes or fullerene type structure (in English term "Inorganic Fullerene like materials", also referred to as "IF"). Fullerene type structures are described in particular by Tenne, R., Margulis, L., M. Hodes Genut, G. Nature 1992, 360, 444 . The document EP 0580 019 describes in particular these structures and their method of synthesis.
  • the metal nanoparticles are closed structures, spherical type, more or less perfect according to the synthetic methods used.
  • the nanoparticles according to the invention are concentric polyhedra with a multilayer structure or in sheets. We speak of structure in “onions” or “polyhedron nested”.
  • concentric polyhedron having a multilayer structure or sheets more particularly means substantially spherical polyhedra whose different layers are several spheres having the same center.
  • the multilayer structure or in sheets of the nanoparticles according to the invention can in particular be determined by transmission electron microscopy (TEM or TEM).
  • the metal nanoparticles are multilayer metal nanoparticles comprising from 2 to 500 layers, preferably from 20 to 200 layers, advantageously from 20 to 100 layers.
  • the number of layers of the nanoparticles according to the invention can in particular be determined by transmission electron microscopy.
  • the average size of the metal nanoparticles according to the invention ranges from 5 to 600 nm, preferably from 20 to 400 nm, advantageously from 50 to 200 nm.
  • the size of the metal nanoparticles according to the invention can be determined using images obtained by transmission electron micrograph or by high resolution transmission electron microscopy.
  • the average particle size can be determined from the measurement of the size of at least 50 solid particles visualized on transmission electron micrographs.
  • the median value of the measured size distribution histogram of the solid particles is the average size of the solid particles used in the lubricating composition according to the invention.
  • the average diameter of the primary metal nanoparticles according to the invention ranges from 10 to 100 nm, preferably from 30 to 70 nm.
  • the average diameter of the nanoparticles according to the invention can in particular be determined by transmission electron microscopy.
  • the content by weight of metal nanoparticles ranges from 0.05 to 2%, preferably from 0.1 to 1%, advantageously from 0.1 to 0.5% relative to the total weight of the lubricating composition.
  • NanoLub Gear Oil Concentrate product marketed by Nanomaterials, in the form of a dispersion of multilayer nanoparticles of tungsten bisulphide in a mineral oil or of PAO type ( Poly Alfa Olefin).
  • the lubricant composition according to the invention comprises at least one dispersant having a weight average molecular weight greater than or equal to 2000 Daltons.
  • the weight average molecular weight of the dispersant is evaluated according to the ASTM D5296 standard.
  • dispersant within the meaning of the present invention is meant more particularly any compound which ensures the suspension suspension of the metal nanoparticles.
  • the dispersant may be chosen from compounds comprising at least one succinimide group, polyolefins, olefin copolymers (OCP), copolymers comprising at least one styrene unit and polyacrylates.
  • the dispersant according to the invention is chosen from compounds comprising at least one succinimide group.
  • the dispersant may be chosen from compounds comprising at least one substituted succinimide group or compounds comprising at least two substituted succinimide groups, the succinimide groups being connected at their atom-bearing apices. nitrogen with a polyamine group.
  • substituted succinimide group in the sense of the present invention is meant a succinimide group of which at least one of the carbon peaks is substituted by a hydrocarbon group comprising from 8 to 400 carbon atoms.
  • the dispersant is chosen from polyisobutylene succinimide-polyamine.
  • the dispersant is a substituted succinimide of formula (I) or a substituted succinimide of formula (II) in which R 2 represents a polyisobutylene group.
  • the dispersant is a substituted succinimide of formula (II) in which R 2 represents a polyisobutylene group.
  • the dispersant according to the invention has a weight average molecular weight ranging from 2000 to 15000 Daltons, preferably ranging from 2500 to 10,000 Daltons, advantageously from 3000 to 7000 Daltons.
  • the dispersant has, in addition, a number-average molecular mass greater than or equal to 1000 Daltons, preferably ranging from 1000 to 5000 Daltons, more preferably from 1800 to 3500 Daltons, advantageously from 1800 to 3000 Daltons.
  • the number-average molecular mass of the dispersant is evaluated according to the ASTM D5296 standard.
  • the content by weight of dispersant having a weight average molecular weight greater than or equal to 2000 Daltons ranges from 0.1 to 10%, preferably from 0.1 to 5%, advantageously from 0.1 to 3% relative to the total weight of the lubricating composition.
  • OLOA 13000 As an example of dispersant according to the invention, mention may be made of OLOA 13000 from the company Oronite.
  • the lubricant compositions according to the invention may contain any type of mineral lubricating base, synthetic or natural, animal or vegetable adapted (s) to their use.
  • the base oil (s) used in the lubricant compositions according to the present invention may be oils of mineral or synthetic origin of groups I to V according to the classes defined in the API classification (or their equivalents according to the ATIEL classification) as summarized. below, alone or mixed.
  • the base oil (s) used in the lubricant compositions according to the invention may be chosen from the oils of synthetic origin of group VI according to the ATIEL classification.
  • the API classification is defined in American Petroleum Institute 1509 "Engine Oil Licensing and Certification System" 17th Edition, September 2012 .
  • the mineral base oils according to the invention include any type of base obtained by atmospheric and vacuum distillation of crude oil, followed by refining operations such as solvent extraction, deasphalting, solvent dewaxing, hydrotreatment, hydrocracking and hydroisomerization, hydrofinishing.
  • the base oils of the lubricating compositions according to the present invention may also be synthetic oils, such as polyalphaolefins (PAO) or certain esters of carboxylic acids and alcohols, in particular polyol esters.
  • PAO polyalphaolefins
  • certain esters of carboxylic acids and alcohols in particular polyol esters.
  • the polyalphaolefins used as base oils are obtained from monomers having from 4 to 32 carbon atoms (for example octene, decene), and have a viscosity at 100 ° C. of between 1.5 and 15 cSt measured according to ASTM D445. Mixtures of synthetic and mineral oils can also be used.
  • a particular lubricating base for producing the lubricating compositions according to the invention must have properties, in particular viscosity, viscosity index, sulfur, oxidation resistance, suitable for use in a gearbox, in particular in a gearbox of motor vehicles, especially in a manual gearbox.
  • the base oil has a flash point greater than or equal to 150 ° C, preferably greater than or equal to 170 ° C, even more preferably greater than or equal to 190 ° C.
  • the base oil is selected from the group consisting of Group I bases, Group II bases, Group III bases, Group IV bases, API Group V bases (or their equivalents according to the ATIEL classification) and their mixtures.
  • the base oil can be selected from the bases of group VI of the ATIEL classification.
  • the base oil is selected from the group consisting of Group III base, Group IV base, Group V base of the API classification and mixtures thereof.
  • the base oil is a mixture of Group IV and Group V bases of the API classification.
  • the base oil is chosen from polyalphaolefins (PAO) and esters, preferably polyol esters or mixtures thereof.
  • the base oil is a mixture of at least one polyalphaolefin and at least one ester, preferably a polyol ester.
  • the base oil or the base oils may be at least 50% by weight, based on the total weight of the lubricating composition, preferably at least 60%, or at least 70%. Typically, they represent (s) between 75 and 99.89% by weight, relative to the total weight of the lubricating compositions according to the invention.
  • the lubricant compositions according to the invention have a kinematic viscosity at 100 ° C., measured according to the ASTM D445 standard of between 4 and 41 cSt, according to classification SAE J 306, preferably between 4.1 and 32.5 cSt.
  • Preferred grades are all grades between SAE 75W and SAE 140, including SAE 75W, SAE 75W-80 and SAE 75W-90 grades.
  • the lubricant compositions according to the invention have a viscosity index (VI) greater than 95 (measured according to ASTM 2270).
  • the subject of the invention is a transmission oil comprising a lubricant composition according to the invention.
  • the lubricating compositions according to the invention may also contain any type of additive suitable for use in transmission oil formulations, for example one or more additives chosen from the additional dispersants, the viscosity index improving polymers, the antioxidants, corrosion inhibitors, friction modifiers or defoamers, alone or in mixtures, present at the usual levels required for the application.
  • additives chosen from the additional dispersants, the viscosity index improving polymers, the antioxidants, corrosion inhibitors, friction modifiers or defoamers, alone or in mixtures, present at the usual levels required for the application.
  • the additional dispersants are selected from dispersants other than dispersants having a weight average molecular weight greater than or equal to 2000 Daltons.
  • the additional dispersants may be selected from the groups formed by the different succinimides of the compounds of formula (I) or (II) having a weight average molecular weight greater than or equal to 2000 Daltons or the Mannich bases.
  • the lubricant composition according to the invention may further comprise at least one additional additive chosen from viscosity index improving polymers, antioxidants and mixtures thereof.
  • the viscosity index improving polymers may be chosen from polymers other than the dispersant according to the invention.
  • the viscosity index improver polymers may be selected from the group of shear stable polymers, preferably from the group consisting of ethylene and alpha-olefin copolymers, especially ethylene / propylene copolymers.
  • the additional additive is a viscosity index improving polymer selected from ethylene and alpha-olefin copolymers.
  • the antioxidants may be chosen from aminated antioxidants, preferably diphenylamines, in particular dialkylphenylamines, such as octadiphenylamines, phenyl-alpha-naphthylamines, phenolic antioxidants (dibutylhydroxytoluene BHT and derivatives) or sulfur-containing antioxidants (sulfurized phenates). .
  • aminated antioxidants preferably diphenylamines, in particular dialkylphenylamines, such as octadiphenylamines, phenyl-alpha-naphthylamines, phenolic antioxidants (dibutylhydroxytoluene BHT and derivatives) or sulfur-containing antioxidants (sulfurized phenates).
  • the additional additive is an antioxidant selected from dialkyphenylamines, phenolic antioxidants, taken alone and mixtures thereof.
  • the friction modifiers may be compounds providing metal elements different from the metal nanoparticles according to the invention or an ashless compound.
  • the compounds providing metal elements mention may be made of transition metal complexes such as Mo, Sb, Sn, Fe, Cu, Zn, the ligands of which may be hydrocarbon compounds containing oxygen, nitrogen, sulfur or phosphorus, such as dithiocarbamates or dithiophosphates of molybdenum.
  • the ashless friction modifiers are of organic origin and can be selected from monoesters of fatty acids and polyols, alkoxylated amines, fatty alkoxylated amines, amine phosphates, fatty alcohols, fatty epoxides, borate fatty epoxides, fatty amines or fatty acid glycerol esters.
  • fatty or "fatty (s)" is intended to mean a hydrocarbon group comprising from 8 to 24 carbon atoms.
  • the additional additive is a friction modifier selected from molybdenum dithiocarbamates, amine phosphates and fatty alcohols, alone or in admixture.
  • the anti-corrosion additives can be chosen from phenol derivatives, in particular ethoxylated and substituted alkyl phenol derivatives in the ortho position.
  • the corrosion inhibitors may be derivatives of dimercaptothiadiazole.
  • the additional additive comprises a mixture of an antioxidant and a viscosity index improving polymer selected from the group consisting of alpha ethylene copolymers. olefins, especially ethylene / propylene copolymers.
  • the additional additive comprises a blend of an aminated antioxidant, a phenolic antioxidant and a viscosity index improving polymer selected from ethylene and polyethylene copolymers. alpha-olefin.
  • the mass ratio ranges from 1/50 to 10/1, preferably from 1/50 to 5/1, more preferably from 1/30 to 5/1. preferably from 1/10 to 5/1.
  • nanoparticles of tungsten disulfide and for the dispersant also applies to the above composition.
  • the nanoparticles of tungsten bisulfide have a fullerene type structure.
  • nanoparticles of tungsten disulfide for the dispersant and for the additional additive also applies to the above composition.
  • the nanoparticles of tungsten bisulfide have a fullerene type structure.
  • the composition of the additive concentrate type according to the invention may be added at least one base oil to obtain a lubricant composition according to the invention.
  • the base oil is base is selected from the group consisting of Group III base, Group IV bases, Group V bases of the API classification and mixtures thereof.
  • the base oil is a mixture of Group IV and Group V bases of the API classification, preferably the base oil is chosen from polyalphaolefins (PAO) and esters and their mixture.
  • PAO polyalphaolefins
  • the base oil is a mixture of at least one polyalphaolefin and at least one ester, preferably a polyol ester.
  • the lubricant composition according to the invention can lubricate at least one mechanical part or a mechanical member, in particular bearings, gears, universal joints, transmissions, the piston / piston / sleeve system, the camshafts, the clutch , manual or automatic gearboxes, bridges, rockers, crankcases, etc.
  • the lubricant composition according to the invention can lubricate a mechanical part or a metallic member of the transmissions, the clutch, the manual or automatic gearboxes, preferably manual.
  • the subject of the invention is also a process for reducing the peeling of a mechanical part, preferably of a transmission member, advantageously of a gearbox or of a bridge, comprising at least the contacting of the mechanical part with a lubricant composition as defined above or obtained from the concentrate type of additive composition as defined above.
  • the set of characteristics and preferences presented for the lubricant composition also applies to the method of reducing peeling of a mechanical part according to the invention.
  • the invention also relates to the use of a lubricant composition according to the invention for the lubrication of gearboxes or bridges, preferably gearboxes of motor vehicles.
  • the invention relates to the use of a lubricant composition according to the invention for the lubrication of manual transmissions of motor vehicles.
  • the set of characteristics and preferences presented for the lubricant composition also applies to the use for the lubrication of the gearboxes according to the invention.
  • the subject of the invention is also the use of a lubricant composition according to the invention for reducing the peeling of a mechanical part, preferably of a transmission member, more preferably of a gearbox or of a gearbox. 'A bridge.
  • the invention relates to the use of a lubricant composition according to the invention for reducing the spalling of a manual gearbox.
  • the set of characteristics and preferences presented for the lubricating composition also applies to the use for the reduction of flaking according to the invention.
  • the figure 1 shows a power recirculation bench comprising a false gearbox (111), an electric motor (112), a torque meter (113), a coupling device (114), a gearbox comprising the torque to be tested (115), a differential (116), a secondary shaft (117), a primary shaft (118), a scale detection system (119), a fifth gear (120), a reverse gear ( 121), the fourth gear (122), the third gear (123), the second gear (124), the first gear (125) and a drive belt (126).
  • the figure 2 is a photograph of a gearbox case after 600h test bench power recirculation with a composition according to the invention.
  • the figure 3 is a photograph of a gearbox case after 400h test bench power recirculation with a composition outside the invention.
  • compositions L 1 to L 5 are described in Table I; the percentages given correspond to mass percentages.
  • Table I ⁇ / b> compositions L 1 (comparative) L 2 (comparative) L 3 (comparative) L 4 (invention) L 5 (invention) Group III base oil 89 89 89 89 89 Nanoparticles of tungsten disulfide (NanoLub Gear Oil Concentrate) 1 1 1 1 1 Dispersant 1 10 Dispersant 2 10 Dispersant 3 10 Dispersant 4 10 Dispersant 5 10
  • the lubricating compositions according to the invention L 4 and L 5 comprising 0.2% by weight of nanoparticles of tungsten bisulfide and a dispersant having a weight average molecular mass greater than or equal to 2000 Daltons, exhibit stability. improved over lubricating compositions comprising 0.2% by weight of tungsten disulfide nanoparticles and a dispersant having a weight average molecular weight of less than 2000 Daltons.
  • the aim here is to evaluate the impact of the combination of tungsten disulfide nanoparticles and a dispersant having a weight average molecular weight greater than or equal to 2000 Daltons on the friction properties of a lubricating composition by a Cameron Plint laboratory test Friction using a Cameron-Plint TE-77 alternative tribometer.
  • compositions L 6 to L 7 are described in Table III; the percentages given correspond to mass percentages. ⁇ b> Table III ⁇ / b> compositions L 6 (comparative) L 7 (invention) Base oil 1 62.95 61.95 Base oil 2 15 15 Polymer 1 10 10 Polymer 2 5 5 Defoamers 0.05 0.05 Nanoparticles of tungsten bisulphide (NanoLub Gear Oil Concentrate marketed by Nanomaterials) 2 dispersed 2 Friction modifier 0.5 0.5 Package of additives 1 6.5 3.5 Kinematic viscosity at 100 ° C measured according to ASTM D445 (mm 2 / s) 14.5 14.5
  • Composition L 6 is a lubricant composition conventionally used for lubricating transmissions, and in particular gearboxes for motor vehicles.
  • compositions L 6 and L 7 The kinematic viscosity at 100 ° C of compositions L 6 and L 7 was adjusted to be identical, in particular by the content of base oils 1, so that these two compositions can be compared.
  • the coefficient of friction of each composition was evaluated by a Cameron Plint Laboratory Scratch Test using a Cameron-Plint TE-77 alternative tribometer.
  • the test bench consists of a cylinder / plane tribometer immersed in the lubricant composition to be tested. The coefficient of friction is followed during the test by measuring the tangential force on the normal effort.
  • a cylinder (SKF 100C6) of length 10 mm and diameter 7 mm is applied to the steel plane immersed in the lubricant composition to be tested, the temperature of the lubricant composition is fixed at each test.
  • a sinusoidal reciprocating motion is applied with a defined frequency. Each measurement is performed for a duration of 100 seconds during the test.
  • the average coefficient of friction at 60 ° C. was measured under different loads ranging from 300 MPa to 650 MPa and at different speeds ranging from 70 mm / s to 550 mm / s.
  • the average coefficient of friction at 100 ° C was measured under different loads ranging from 300 MPa to 650 MPa and at different speeds ranging from 70 mm / s to 550 mm / s.
  • the average coefficient of friction under a load of 640 MPa was measured at different temperatures ranging from 60 ° C to 140 ° C and at different speeds ranging from 70 mm / s to 550 mm / s.
  • the aim here is to evaluate the anti-peeling properties of a lubricant composition according to the invention by the implementation of a bench test with recirculation of power.
  • the lubricant composition according to the invention L 8 and the composition L 9 outside the invention whose compositions are described in Table V have been prepared; the percentages given correspond to mass percentages.
  • Table V ⁇ / b> compositions L 8 (invention) L 9 (comparative) Base oil 1 62.45 62.45 Base oil 2 15 15 Polymer 1 10 10 Polymer 2 5 5 Defoamers 0.05 0.05 Nanoparticles of tungsten bisulphide (NanoLub Gear Oil Concentrate marketed by Nanomaterials) 2 dispersed 2 Package of additives 1 3.5 3.5 Package of additives 2 4
  • the base oils 1 and 2 are identical to those described in Example 2.
  • the package of additives 2 (Anglamol 2190 from Lubrizol company) comprises a zinc dithiophosphate as a friction modifier.
  • the recirculating power bench is shown in figure 1 .
  • a box Renault JR5 speed is installed in a power recirculation loop and charge by a torsion system, the box being engaged on the report of 3rd.
  • the machine is operated using an electric motor to obtain a rotation speed of 3000 rpm under a torque of 148 Nm at the input of the gearbox.
  • the evaluation criterion, and therefore the critical part to evaluate (because of the load supported), is the pinion gear of the secondary shaft.
  • the gearbox is inspected at regular intervals of about 150h after dismantling and visual quotation.
  • the visual quotation is carried out on the quotation "Chrysler" to detect the presence of scales on the toothing of the pinion, with in addition a permanent vibratory follow-up to detect the appearance of chipping in the gearbox in operation.
  • Vibration monitoring consists of placing an accelerometer near the test piece and recording the intensity of the vibrations during operation. In case of degradation of a room, the vibratory intensity increases. Just set a threshold to stop the device and check the appearance of scales on the toothing.
  • shaft bearings and the pinion 3 rd are normally replaced every 150 hours.
  • the test is stopped when a flake of maximum 12mm 2 is observed and / or when 80mm 2 of flaked surface in total is observed and / or at 312h when no flaking has appeared at this time.
  • the lubricant composition according to the invention L 10 and the composition L 11 outside the invention whose compositions are described in Table VI have been prepared; the percentages given correspond to mass percentages.
  • Table VI ⁇ / b> compositions L 10 (invention) L 11 (comparative) Base oil 1 60.45 62.45 Base oil 2 15 15 Polymer 1 10 10 Polymer 2 5 5 Defoamers 0.05 0.05 Nanoparticles of tungsten bisulphide (NanoLub Gear Oil Concentrate marketed by Nanomaterials) 4 4 dispersed 2 Package of additives 1 3.5 3.5
  • the base oils 1 and 2 are identical to those described in Example 2.
  • the figure 2 shows that no excessive deposition (200) of nanoparticles of tungsten disulfide was observed in the casing after testing with the composition according to the invention L 10 .
  • composition L 11 shows an excessive deposition (300) of nanoparticles of tungsten disulfide in the housing after testing with the composition L 11 , thus potentially causing a risk of clogging the lubrication holes of the bearings or synchronizers.
  • the above examples show that the lubricant compositions according to the invention have both good stability over time and good anti-peeling properties, while maintaining satisfactory friction reducing properties.

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Description

    Domaine technique
  • La présente invention est applicable au domaine des lubrifiants, et plus particulièrement au domaine des lubrifiants pour véhicules automobiles, notamment au domaine des lubrifiants pour organes de transmissions des véhicules automobiles. L'invention concerne une composition lubrifiante comprenant des nanoparticules métalliques. Plus particulièrement, l'invention concerne une composition lubrifiante comprenant un dispersant de haute masse moléculaire moyenne en poids et des nanoparticules métalliques. La composition lubrifiante selon l'invention présente simultanément une bonne stabilité et de bonnes propriétés anti-écaillage.
  • La présente invention concerne également un procédé de réduction de l'écaillage d'une pièce mécanique mettant en oeuvre cette composition lubrifiante.
  • La présente invention concerne également une composition type concentré d'additifs comprenant un dispersant de haute masse moléculaire moyenne en poids et des nanoparticules métalliques.
    • Art antérieur
  • Les organes de transmissions des véhicules automobiles fonctionnent sous forte charge et vitesses élevées. Les huiles pour ces organes de transmissions doivent donc être particulièrement performantes dans la protection des pièces contre l'usure et la fatigue, et notamment protéger les dents d'engrenage contre le phénomène d'écaillage.
  • Le phénomène d'usure correspond à l'abrasion et l'arrachement de métal à la surface lors du frottement entre les pièces en mouvement.
  • Le phénomène d'écaillage, quant à lui, se distingue du phénomène d'usure. Il correspond à une dégradation des pièces par fatigue et se produit après un long temps de vieillissement, précédant les détériorations visibles. Il est connu que ce phénomène démarre par l'amorçage de fissures à une certaine profondeur sous la surface, ces fissures se propageant, et lorsque des fissures normales à la surface se créent, des écailles se détachent brutalement.
  • La prévention de ce phénomène passe par une diminution des contraintes de contact grâce à une géométrie appropriée des pièces, et par la réduction des frottements, en évitant l'adhésion. Le lubrifiant intervient dans ce processus de prévention, principalement par la réactivité physico chimique de ses additifs.
  • Les additifs anti usure et extrême pression soufrés, phosphorés, phospho soufrés ou boratés sont connus pour conférer aux huiles transmission des propriétés de protection contre l'écaillage. Les autres additifs présents dans le lubrifiant peuvent également avoir un impact, positif ou négatif, sur la propagation des fissures à l'intérieur des pièces et donc sur le phénomène d'écaillage.
  • Dans les boîtes de vitesses manuelles, la présence de synchroniseurs induit des contraintes supplémentaires. En effet, ces organes comportent un dispositif de cône et d'anneau entre lesquels les frottements doivent être précisément contrôlés. Ainsi, les frottements doivent être suffisants pour la synchronisation des vitesses, mais il faut que le cône et l'anneau puissent ensuite se désengager, au risque de bloquer le synchroniseur.
  • Par ailleurs, si le niveau de frottements n'est pas adapté à la géométrie des pièces, il se produit une usure sur l'ensemble cône anneau.
  • Le niveau de frottement peut être ajusté par l'ajout de modificateurs de friction dans ces huiles pour boîtes de vitesses.
  • Ainsi, dans les huiles pour boîtes de vitesses manuelles, peuvent coexister des additifs anti-usure, extrême pression et modificateurs de frottement, ayant tous une action au niveau de la surface des pièces et potentiellement un effet à la fois sur le niveau de frottement et sur le phénomène d'écaillage.
  • Il est connu de formuler des compositions lubrifiantes comprenant des composés modificateurs de frottement de type organomolybdène avec des composés anti-usure et extrême pression organophosphorés et/ou organosoufrés, et/ou organophosphosoufrés, en particulier pour améliorer les propriétés anti-usure de ces huiles.
  • D'autres composés ont été décrits comme pouvant présenter un intérêt dans la lubrification de pièces mécaniques, notamment des pièces d'un moteur.
  • L'utilisation de nanoparticules, notamment de nanoparticules métalliques, dans une composition lubrifiante, a été décrite. Ainsi, le document WO 2007/035626 décrit une composition lubrifiante comprenant des nanoparticules métalliques, notamment à base de lithium, potassium, sodium, cuivre, magnésium, calcium, barium ou leurs mélanges.
  • Le document US2011/0152142 A1 divulgue une composition comprenant au moins une huile de base, au moins un dispersant et des nanoparticules d'hydroxydes métalliques sous forme de cristaux. Ces compositions sont utilisées pour lubrifier des moteurs à combustion et pour neutraliser les acides formés lors de la combustion.
  • Le document US2006/0100292 A1 décrit un procédé de fabrication d'une graisse dans lequel on mélange au moins une huile de base, au moins un dispersant et des nanoparticules d'hydroxydes métalliques sous forme de cristaux. Ce procédé présente l'avantage de réduire la formation de mousse, déduire les risques environnementaux et de réduire le temps de réaction.
  • Le document US2009/0203563 décrit un procédé pour la fabrication d'un détergent surbasé ou neutre. Ce procédé met en oeuvre un tensioactif et un milieu organique avec une composition comprenant au moins une huile de base, au moins un dispersant et des nanoparticules d'hydroxydes métalliques sous forme de cristaux.
  • Le document WO2011/081538 A1 décrit un procédé de fabrication de particules de disulfure de molybdène et de tungstène, le procédé consistant à faire passer et presser entre des plaques recouvertes de colle un mélange de disulfure de molybdène et de tungstène. Ce document ne décrit pas de compositions lubrifiantes.
  • Le document CN 101691517 , quant à lui, décrit une huile moteur comprenant un dispersant et des nanoparticules de bisulfure de tungstène, permettant d'améliorer la durée de vie du moteur et réduire la consommation de carburant. Toutefois, la teneur en nanoparticules de bisulfure de tungstène va de 15 à 34%. Une telle teneur peut entraîner une instabilité de la composition et n'est donc pas compatible avec une composition lubrifiante, notamment pour transmissions. De plus, aucune indication n'est donnée dans ce document quant à d'éventuelles propriétés anti-écaillage de l'huile, notamment vis-à-vis des organes de transmissions d'un véhicule automobile.
  • Le document EP 1 953 196 décrit une dispersion de nanoparticules métalliques, notamment d'oxydes métalliques à base de zinc, zirconium, cérium, titane, aluminium, indium ou étain dans un solvant organique et en présence d'un dispersant polymérique de type PIBSA (anhydride polyisobuténylsuccinique, ou en terminologie anglo-saxonne polyisobutenyl succinic anhydride). Toutefois, ce document ne concerne pas le domaine des compositions lubrifiantes et notamment ne divulgue pas de composition lubrifiante comprenant au moins une huile de base et des nanoparticules métalliques. Les solvants organiques cités dans ce document ne possèdent pas de propriétés lubrifiantes. De plus, ils ont un point éclair inférieur à 100°C ce qui les rend incompatibles avec une utilisation dans des applications lubrifiants dans lesquelles la température de mise en oeuvre est supérieure ou égale à 100°C. Par ailleurs, aucune indication n'est donnée dans ce document quant à d'éventuelles propriétés anti-écaillage de pièces mécaniques, notamment vis-à-vis des organes de transmissions d'un véhicule automobile.
  • Il serait donc souhaitable de disposer d'une composition lubrifiante, notamment pour véhicules automobiles, qui soit à la fois stable tout en permettant de réduire, voire de supprimer le phénomène d'écaillage, notamment dans les organes de transmissions, et plus particulièrement dans les boîtes de vitesses.
  • Il serait également souhaitable de disposer d'une composition lubrifiante, notamment pour véhicules automobiles présentant de bonnes propriétés anti-écaillage tout en conservant des propriétés de friction satisfaisantes.
  • Un objectif de la présente invention est de fournir une composition lubrifiante palliant tout ou en partie les inconvénients précités.
  • Un autre objectif de l'invention est de fournir une composition lubrifiante stable et facile à mettre en oeuvre.
  • Un autre objectif de la présente invention est de fournir un procédé de lubrification permettant notamment de réduire les phénomènes d'écaillage de pièces mécaniques, et plus particulièrement d'organes de transmission de véhicules automobiles.
    • Résumé de l'invention
  • L'invention a ainsi pour objet une composition lubrifiante comprenant au moins une huile de base, au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons et des nanoparticules métalliques en une teneur en poids allant de 0,01 à 2% par rapport au poids total de la composition lubrifiante, lesdites nanoparticules métalliques étant des polyèdres concentriques avec une structure multicouche ou en feuillets, lesdites nanoparticules métalliques solides ont une structure de type fullerène et sont représentées par la formule MXn dans laquelle M représente un métal de transition, X un chalcogène, avec n=2 ou n=3 en fonction de l'état d'oxydation du métal de transition M.
  • Selon l'invention, la masse moléculaire moyenne en poids du dispersant est évaluée selon la norme ASTM D5296.
  • De manière surprenante, la demanderesse a constaté que la présence d'un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons dans une composition lubrifiante comprenant au moins une huile de base et des nanoparticules métalliques permet à la fois d'améliorer la stabilité de la composition lubrifiante, et de conférer à ladite composition de très bonnes propriétés anti-écaillage.
  • Ainsi, la présente invention permet de formuler des compositions lubrifiantes comprenant une teneur réduite en nanoparticules métalliques et présentant toutefois des propriétés anti-écaillage remarquables.
  • Avantageusement, par l'utilisation de compositions lubrifiantes selon l'invention, le risque de dépôt résiduel de nanoparticules métalliques sur des pièces mécaniques, et plus particulièrement sur des organes de transmission de véhicules automobiles, est significativement réduit voire supprimé.
  • Avantageusement, les compositions lubrifiantes selon l'invention présentent une stabilité au stockage améliorée ainsi qu'une viscosité ne variant pas ou très peu.
  • Avantageusement, les compositions lubrifiantes selon l'invention conservent des propriétés de friction satisfaisantes.
  • Dans un mode de réalisation, la composition lubrifiante consiste essentiellement en au moins une huile de base, au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons et au moins des nanoparticules métalliques en une teneur en poids allant de 0,01 à 2% par rapport au poids total de la composition lubrifiante.
  • L'invention concerne également une huile transmission comprenant une composition lubrifiante telle que définie ci-dessus.
  • L'invention concerne également l'utilisation d'une composition lubrifiante telle que définie ci-dessus pour la lubrification des boîtes de vitesses ou des ponts, préférentiellement des boîtes de vitesses de véhicules automobiles, avantageusement pour la lubrification des boîtes de vitesses manuelles.
  • L'invention concerne également l'utilisation d'une composition lubrifiante telle que définie ci-dessus pour la réduction de l'écaillage d'une pièce mécanique, préférentiellement d'un organe de transmission, plus préférentiellement d'une boîte de vitesses, encore plus préférentiellement d'une boîte de vitesses manuelles.
  • L'invention concerne également un procédé de réduction de l'écaillage d'une pièce mécanique, préférentiellement d'un organe de transmission, avantageusement d'une boîte de vitesses ou d'un pont, comprenant au moins la mise en contact de la pièce mécanique avec une composition lubrifiante telle que définie ci-dessus.
  • L'invention concerne également une composition de type concentré d'additifs comprenant au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons et des nanoparticules de bisulfure de tungstène.
    • Description détaillée
  • Les pourcentages indiqués ci-dessous correspondent à des pourcentages en masse de matière active.
    • Nanoparticules métalliques
  • La composition lubrifiante selon l'invention comprend des nanoparticules métalliques en une teneur en poids allant de 0,01 à 2% par rapport au poids total de la composition lubrifiante.
  • Par nanoparticules métalliques, on entend notamment des particules métalliques, généralement solides, dont la taille moyenne est inférieure ou égale à 600 nm.
  • Avantageusement, les nanoparticules métalliques sont constituées d'au moins 80% en masse par au moins un métal, ou bien d'au moins 80% en masse d'au moins un alliage métallique ou bien d'au moins 80% en masse d'au moins un chalcogénure de métal, notamment de métal de transition, par rapport à la masse totale de la nanoparticule.
  • Avantageusement, les nanoparticules métalliques sont constituées d'au moins 90% en masse par au moins un métal, ou bien d'au moins 90% en masse d'au moins un alliage métallique ou bien d'au moins 90% en masse d'au moins un chalcogénure de métal, notamment de métal de transition, par rapport à la masse totale de la nanoparticule.
  • Avantageusement, les nanoparticules métalliques sont constituées d'au moins 99% en masse par au moins un métal, ou bien d'au moins 99% en masse d'au moins un alliage métallique ou bien d'au moins 99% en masse d'au moins un chalcogénure de métal, notamment de métal de transition, par rapport à la masse totale de la nanoparticule, les 1% restants étant constitués d'impuretés.
  • Avantageusement, le métal dont est constitué la nanoparticule métallique peut être choisi parmi le groupe formé par le tungstène, le molybdène, le zirconium, l'hafnium, le platine, le rhénium, le titane, le tantale, le niobium, le zinc, le cérium, l'aluminium, l'indium et l'étain.
  • Les nanoparticules métalliques peuvent avoir la forme de sphères, de lamelles, de fibres, de tubes, de structures type fullerène.
  • Les nanoparticules métalliques utilisées dans les compositions selon l'invention sont des nanoparticules métalliques solides ayant une structure de type fullerène (en terme anglo-saxon fullerene-like).
  • Ces nanoparticules métalliques sont représentées par la formule MXn dans laquelle M représente un métal de transition, X un chalcogène, avec n=2 ou n=3 en fonction de l'état d'oxydation du métal de transition M.
  • De manière préférée, M est choisi dans le groupe formé par le tungstène, le molybdène, le zirconium, l'hafnium, le platine, le rhénium, le titane, le tantale et le niobium.
  • De manière plus préféré, M est choisi parmi le groupe formé par le molybdène et le tungstène.
  • De manière encore plus préférée, M est le tungstène.
  • De manière préférée, X est choisi dans le groupe formé par l'oxygène, le soufre, le sélénium et le tellure.
  • De manière préférée, X est choisi parmi le soufre ou le tellure.
  • De manière encore plus préféré, X est le soufre.
  • Avantageusement, les nanoparticules métalliques selon l'invention sont choisies dans le groupe formé par MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, PtS2, ReS2, ReSe2, TiS3, ZrS3, ZrSe3, HfS3, HfSe3, TiS2, TaS2, TaSe2, NbS2, NbSe2 et NbTe2.
  • De manière préférée, les nanoparticules métalliques selon l'invention sont choisies dans le groupe formé par WS2, WSe2, MoS2 et MoSe2, préférentiellement WS2 et MoS2, préférentiellement WS2.
  • Les nanoparticules selon l'invention présentent avantageusement une structure de type fullèrene.
  • Initialement, le terme fullerène désigne une nanostructure de polyèdre convexe fermé, composée d'atomes de carbone. Les fullerènes sont similaires au graphite, composé de feuilles d'anneaux hexagonaux liées, mais ils contiennent des anneaux pentagonaux, et parfois heptagonaux, qui empêchent la structure d'être plate.
  • Des études sur les structures de type fullerène ont montré que cette structure n'était pas limitée aux matériaux carbonés, mais était susceptible de se produire dans toutes les nanoparticules de matériaux sous forme de feuillets, notamment pour les nanoparticules comprenant des chalcogènes et des métaux de transition. Ces structures sont analogues à celle des fullerènes de carbone et sont nommées fullerènes inorganiques ou structure de type fullerène (en terme anglo-saxon « Inorganic Fullerene like materials », encore désignés par « IF »). Les structures de type fullerène sont décrites notamment par Tenne, R., Margulis, L., Genut M. Hodes, G. Nature 1992, 360, 444. Le document EP 0580 019 décrit notamment ces structures et leur procédé de synthèse.
  • Les nanoparticules métalliques sont des structures fermées, de type sphérique, plus ou moins parfaites selon les procédés de synthèse utilisés. Les nanoparticules selon l'invention sont des polyèdres concentriques avec une structure multicouche ou en feuillets. On parle de structure en « oignons » ou de « polyèdre emboité ».
  • Par polyèdre concentrique ayant une structure multicouche ou en feuillets, on entend plus particulièrement des polyèdres substantiellement sphériques dont les différentes couches constituent plusieurs sphères ayant le même centre.
  • La structure multicouche ou en feuillets des nanoparticules selon l'invention peut notamment être déterminée par microscopie électronique en transmission (MET ou TEM en anglais).
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, les nanoparticules métalliques sont des nanoparticules métalliques multicouches comprenant de 2 à 500 couches, de préférence de 20 à 200 couches, avantageusement de 20 à 100 couches.
    Le nombre de couches des nanoparticules selon l'invention peut notamment être déterminée par microscopie électronique en transmission.
  • La taille moyenne des nanoparticules métalliques selon l'invention va de 5 à 600 nm, de préférence de 20 à 400 nm, avantageusement de 50 à 200 nm. La taille des nanoparticules métalliques selon l'invention peut être déterminée à l'aide d'images obtenues par micrographie électronique à transmission ou par microscopie électronique à transmission à haute résolution. On peut déterminer la taille moyenne des particules à partir de la mesure de la taille d'au moins 50 particules solides visualisées sur des clichés de microscopie électronique à transmission. La valeur médiane de l'histogramme de distribution des tailles mesurée des particules solides est la taille moyenne des particules solides utilisées dans la composition lubrifiante selon l'invention.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, le diamètre moyen des nanoparticules métalliques primaires selon l'invention va de 10 à 100 nm, de préférence de 30 à 70 nm.
    Le diamètre moyen des nanoparticules selon l'invention peut notamment être déterminée par microscopie électronique en transmission.
  • De manière avantageuse, la teneur en poids de nanoparticules métalliques va de 0,05 à 2%, de préférence de 0,1 à 1%, avantageusement de 0,1 à 0,5% par rapport au poids total de la composition lubrifiante.
  • Comme exemple de nanoparticules métalliques selon l'invention, on peut citer le produit NanoLub Gear Oil Concentrate commercialisé par la société Nanomaterials, se présentant sous la forme d'une dispersion de nanoparticules multicouches de bisulfure de tungstène dans une huile minérale ou de type PAO (Poly Alfa Oléfine).
    • Dispersant
  • La composition lubrifiante selon l'invention comprend au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons.
  • Selon l'invention, la masse moléculaire moyenne en poids du dispersant est évaluée selon la norme ASTM D5296.
  • Par dispersant au sens de la présente invention, on entend plus particulièrement tout composé qui assure le maintien en suspension des nanoparticules métalliques.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispersant peut être choisi parmi les composés comprenant au moins un groupement succinimide, les polyoléfines, les copolymères oléfines (OCP), les copolymères comprenant au moins un motif styrène, les polyacrylates.
  • De manière avantageuse, le dispersant selon l'invention est choisi parmi les composés comprenant au moins un groupement succinimide.
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispersant peut être choisi parmi les composés comprenant au moins un groupement succinimide substitué ou les composés comprenant au moins deux groupements succinimide substitués, les groupements succinimides étant reliés au niveau de leur sommet portant un atome d'azote par un groupement polyamine.
  • Par groupement succinimide substitué au sens de la présente invention, on entend un groupement succinimide dont au moins un des sommets carboné est substitué par un groupement hydrocarboné comprenant de 8 à 400 atomes de carbone.
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispersant est choisi parmi les polyisobutylène succinimide-polyamine
  • De manière avantageuse, le dispersant est un succinimide substitué de formule (I) ou un succinimide substitué de formule (II) :
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
     dans lesquelles :
    • x représente un entier allant de 1 à 10, de préférence 2, 3, 4, 5 ou 6;
    • y représente un entier allant de 2 à 10;
    • R1 représente un atome d'hydrogène, un groupement alkyl linéaire ou ramifié comprenant de 2 à 20 atomes de carbone, un groupement hétéroalkyl comprenant de 2 à 20 atomes de carbone et au moins un hétéroatome choisi dans le groupe formé par O, N et S, un groupement hydroxyalkyl comprenant de 2 à 20 atomes de carbone ou un groupement -(CH2)x-O-(CH2)x-OH ;
    • R2 représente un groupement alkyl linéaire ou ramifié comprenant de 8 à 400 atomes de carbone, de préférence de 50 à 200 atomes de carbone, un groupement aryl comprenant de 8 à 400 atomes de carbone, de préférence de 50 à 200 atomes de carbone, un groupement arylalkyl linéaire ou ramifié comprenant de 8 à 400 atomes de carbone, de préférence de 50 à 200 atomes de carbone ou un groupement alkylaryl linéaire ou ramifié comprenant de 8 à 400 atomes de carbone, de préférence de 50 à 200 atomes de carbone ;
    • R3 et R4, identiques ou différents, représentent indépendamment un atome d'hydrogène, un groupement alkyl linéaire ou ramifié comprenant de 1 à 25 atomes de carbone, un groupement alkoxy comprenant de 1 à 12 atomes de carbone, un groupement alkylène comprenant de 2 à 6 atomes de carbone, un groupement alkylène hydroxylé comprenant de 2 à 12 atomes de carbone ou un groupement alkylène aminé comprenant de 2 à 12 atomes de carbone.
  • De manière avantageuse, le dispersant est un succinimide substitué de formule (I) ou un succinimide substitué de formule (II) dans lesquelles R2 représente un groupement polyisobutylène.
  • De manière encore plus avantageuse, le dispersant est un succinimide substitué de formule (II) dans lesquelles R2 représente un groupement polyisobutylène.
  • De manière encore plus avantageuse, le dispersant est un succinimide substitué de formule (II) dans laquelle :
    • R1 représente un groupement -(CH2)x-O-(CH2)x-OH,
    • R2 représente un groupement polyisobutylène,
    • x représente 2,
    • y représente 5.
  • De manière avantageuse, le dispersant selon l'invention a une masse moléculaire moyenne en poids allant de 2000 à 15000 Daltons, de préférence allant de 2500 à 10000 Daltons, avantageusement de 3000 à 7000 Daltons.
  • De manière également avantageuse, le dispersant a, en outre, une masse moléculaire en nombre supérieure ou égale à 1000 Daltons, de préférence allant de 1000 à 5000 Daltons, plus préférentiellement de 1800 à 3500 Daltons, avantageusement de 1800 à 3000 Daltons.
  • Selon l'invention, la masse moléculaire en nombre du dispersant est évaluée selon la norme ASTM D5296.
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la teneur en poids de dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons va de 0,1 à 10%, de préférence de 0,1 à 5%, avantageusement de 0,1 à 3% par rapport au poids total de la composition lubrifiante.
  • Comme exemple de dispersant selon l'invention, on peut citer l'OLOA 13000 de la société Oronite.
    • Autres composés Huiles de base
  • Les compositions lubrifiantes selon l'invention peuvent contenir tout type de base lubrifiante minérale, synthétique ou naturelle, animale ou végétale adaptée(s) à leur utilisation.
  • La ou les huiles de base utilisées dans les compositions lubrifiantes selon la présente invention peuvent être des huiles d'origine minérale ou synthétique des groupes I à V selon les classes définies dans la classification API (ou leurs équivalents selon la classification ATIEL) telle que résumée ci-dessous, seules ou en mélange. En outre, la ou les huile de base utilisées dans les compositions lubrifiantes selon l'invention peuvent être choisies parmi les huiles d'origine synthétique du groupe VI selon la classification ATIEL. La classification API est définie dans American Petroleum Institute 1509 "Engine oil Licensing and Certification System" 17ieme édition, Septembre 2012.
    Teneur en saturés Teneur en soufre Indice de viscosité (VI)
    Groupe I Huiles minérales < 90 % > 0.03 % 80 ≤ VI < 120
    Groupe II Huiles hydrocraquées ≥ 90 % ≤ 0.03 % 80 ≤ VI < 120
    Groupe III Huiles hydrocraquées ou hydro-isomérisées ≥ 90 % ≤ 0.03 % ≥ 120
    Groupe IV Poly Alpha Oléfines (PAO)
    Groupe V Esters et autres bases non incluses dans bases groupes I à IV
    Groupe VI* Poly Oléfines Internes (Poly Internal Olefines) (PIO)
    *seulement pour la classification ATIEL
  • Les huiles de base minérales selon l'invention incluent tout type de bases obtenues par distillation atmosphérique et sous vide du pétrole brut, suivies d'opérations de raffinage tels qu'extraction au solvant, désasphaltage, déparaffinage au solvant, hydrotraitement, hydrocraquage et hydroisomérisation, hydrofinition.
  • Les huiles de bases des compositions lubrifiantes selon la présente invention peuvent également être des huiles synthétiques, telles que les polyalphaoléfines (PAO) ou certains esters d'acides carboxyliques et d'alcools, notamment des esters de polyols.
  • Les polyalphaoléfines utilisées comme huiles de base, sont par exemple obtenues à partir de monomères ayant de 4 à 32 atomes de carbone (par exemple octène, decène), et ont une viscosité à 100°C comprise entre 1,5 et 15 cSt mesurée selon la norme ASTM D445. Des mélanges d'huiles synthétiques et minérales peuvent également être employés.
  • Il n'existe aucune limitation quant à l'emploi de telle ou telle base lubrifiante pour réaliser les compositions lubrifiantes selon l'invention, si ce n'est qu'elles doivent avoir des propriétés, notamment de viscosité, indice de viscosité, teneur en soufre, résistance à l'oxydation, adaptées à une utilisation dans une boite de vitesses, en particulier dans une boite de vitesses de véhicules automobile, en particulier dans une boite de vitesses manuelle.
  • Avantageusement, l'huile de base a un point éclair supérieur ou égal à 150 °C, de préférence supérieur ou égal à 170°C, encore plus préférentiellement supérieur ou égal à 190°C.
  • Avantageusement, l'huile de base est choisie parmi le groupe formé par les bases de groupe I, les bases de groupe II, les bases de groupe III, les bases de groupe IV, les bases de groupe V de la classification API (ou leurs équivalents selon la classification ATIEL) et leurs mélanges. En outre, l'huile de base peut être choisie parmi les bases du groupe VI de la classification ATIEL.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention l'huile de base est choisie parmi le groupe formé par les base de groupe III, les bases de groupe IV, les bases de groupe V de la classification API et leurs mélanges.
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'huile de base est un mélange de bases du groupe IV et du groupe V de la classification API.
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'huile de base est choisie parmi les polyalphaoléfines (PAO) et les esters, de préférence les esters de polyols ou leurs mélanges.
  • Dans un mode de réalisation plus préféré de l'invention, l'huile de base est un mélange d'au moins une polyalphaoléfine et d'au moins un ester, de préférence un ester de polyols.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, l'huile de base ou les huiles de base peu(ven)t représenter au moins 50% en masse, par rapport à la masse totale de la composition lubrifiante, préférentiellement au moins 60%, ou encore au moins 70%. Typiquement, elle(s) représente(nt) entre 75 et 99,89% en poids, par rapport au poids total des compositions lubrifiantes selon l'invention.
  • Préférentiellement, les compositions lubrifiantes selon l'invention ont une viscosité cinématique à 100°C mesurée selon la norme ASTM D445 comprise entre 4 et 41 cSt, selon la classification SAE J 306, de préférence entre 4,1 et 32,5 cSt.
  • Les grades préférés sont tous les grades compris entre les grades SAE 75W et SAE 140, notamment les grades SAE 75W, SAE 75W-80 et SAE 75W-90.
  • Préférentiellement, les compositions lubrifiantes selon l'invention ont un indice de viscosité (VI) supérieur à 95 (mesuré selon la norme ASTM 2270).
  • Dans un mode de réalisation préféré, l'invention a pour objet une huile transmission comprenant une composition lubrifiante selon l'invention.
  • L'ensemble des caractéristiques et préférences présentées pour la composition lubrifiante s'applique également à l'huile transmission selon l'invention.
    • Additifs supplémentaires
  • Les compositions lubrifiantes selon l'invention peuvent également contenir tout type d'additifs adaptés pour leur utilisation dans les formulations d'huiles pour transmissions, par exemple un ou plusieurs additifs choisis parmi les dispersants supplémentaires, les polymères améliorant l'indice de viscosité, les antioxydants, les inhibiteurs de corrosion, les modificateurs de frottement ou les anti-mousse, pris seuls ou en mélanges, présents aux teneurs usuelles requises pour l'application.
  • Les dispersants supplémentaires sont choisis parmi les dispersants différents des dispersants ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons.
  • Ces dispersants supplémentaires peuvent notamment assurer le maintien en suspension et l'évacuation des contaminants solides insolubles constitués par les produits secondaires d'oxydation et des imbrûlés de combustion (suies) qui se forment lorsqu'une composition lubrifiante est en service.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, les dispersants supplémentaires peuvent être choisis dans les groupes formés par les succinimides différents des composés de formule (I) ou (II) ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons ou les bases de Mannich.
  • Dans un mode de réalisation, la composition lubrifiante selon l'invention peut comprendre en outre au moins un additif supplémentaire choisi parmi les polymères améliorant l'indice de viscosité, les antioxydants et leurs mélanges.
  • Les polymères améliorant l'indice de viscosité peuvent être choisis parmi les polymères autres que le dispersant selon l'invention.
  • Les polymères améliorant l'indice de viscosité peuvent être choisis dans le groupe des polymères stables au cisaillement, de préférence dans le groupe constitué par les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfine, notamment les copolymères ethylène/propylène.
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'additif supplémentaire est un polymère améliorant l'indice de viscosité choisi parmi les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfine.
  • Les antioxydants peuvent être choisis parmi les antioxydants aminés, de préférence les diphénylamines, en particulier des dialkylphénylamines, telles que les octadiphénylamines, les phényl-alpha-naphtyl aminés, les antioxydants phénoliques (dibutylhydroxytoluène BHT et dérivés) ou des antioxydants soufrés (phénates sulfurisés).
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'additif supplémentaire est un antioxydant choisi parmi les dialkyphénylamines, les antioxydants phénoliques, pris seuls et leurs mélanges.
  • Les modificateurs de frottement peuvent être des composés apportant des éléments métalliques différents des nanoparticules métalliques selon l'invention ou bien un composé sans cendres. Parmi les composés apportant des éléments métalliques, on peut citer les complexes de métaux de transition tels que Mo, Sb, Sn, Fe, Cu, Zn, dont les ligands peuvent être des composés hydrocarbonés contenant des atomes d'oxygène, azote, soufre ou phosphore, tels que les dithiocarbamates ou dithiophosphates de molybdène. Les modificateurs de frottement sans cendres sont d'origine organique et peuvent être choisis parmi les monoesters d'acides gras et de polyols, les amines alcoxylées, les amines alcoxylées grasses, les phosphates d'amine, les alcools gras, les époxydes gras, les époxydes gras de borate, les amines grasses ou les esters de glycérol d'acide gras. Par « gras » ou « grasse(s) » on entend au sens de la présente invention un groupement hydrocarboné comprenant de 8 à 24 atomes de carbone.
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'additif supplémentaire est un modificateur de frottement choisi parmi les dithiocarbamates de molybdène, les phosphates d'amines et les alcools gras, pris seuls ou en mélange.
  • Les additifs anti-corrosion peuvent être choisis parmi les dérivés phénoliques, en particulier des dérivés phénoliques éthoxylés et substitués par des groupements alkyles en position ortho. Les inhibiteurs de corrosion pourront être des dérivés du dimercaptothiadiazole.
  • Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, l'additif supplémentaire comprend un mélange d'un anti-oxydant et d'un polymère améliorant l'indice de viscosité choisi parmi le groupe formé par les copolymères d'éthylène d'alpha-oléfines, notamment les copolymères éthylène/propylène.
  • Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, l'additif supplémentaire comprend un mélange d'un antioxydant aminé, d'un antioxydant phénolique et d'un polymère améliorant l'indice de viscosité choisi parmi les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfine.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, le ratio massique (nanoparticules métalliques :dispersant) va de 1/50 à 10/1, de préférence de 1/50 à 5/1, plus préférentiellement de 1/30 à 5/1, avantageusement de 1/10 à 5/1.
  • L'invention a également pour objet une composition lubrifiante comprenant :
    • de 50 à 99,89% d'au moins une huile de base,
    • de 0,01 à 2% de nanoparticules métalliques,
    • de 0,1 à 10% d'au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons.
  • L'ensemble des caractéristiques et préférences présentées ci-avant pour l'huile de base, pour les nanoparticules métalliques et pour le dispersant s'applique également à la composition lubrifiante ci-dessus.
  • Dans un mode de réalisation, l'invention a également pour objet une composition lubrifiante comprenant :
    • de 50 à 99,79% d'au moins une huile de base,
    • de 0,01 à 2% de nanoparticules métalliques,
    • de 0,1 à 10% d'au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons,
    • de 0,1 à 10% d'au moins un additif supplémentaire, préférentiellement de 2 à 5%, spécifiquement 3,5%.
  • L'ensemble des caractéristiques et préférences présentées ci-avant pour l'huile de base, pour les nanoparticules métalliques, pour le dispersant et pour l'additif supplémentaire s'applique également à la composition lubrifiante ci-dessus.
  • L'invention a également pour objet une composition lubrifiante consistant essentiellement en :
    • 50 à 99,9% d'au moins une huile de base,
    • 0,01 à 2% de nanoparticules métalliques,
    • 0,1 à 10% d'au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons.
  • L'ensemble des caractéristiques et préférences présentées ci-avant pour l'huile de base, pour les nanoparticules métalliques et pour le dispersant s'applique également à la composition lubrifiante ci-dessus.
  • Dans un mode de réalisation, l'invention a également pour objet une composition lubrifiante consistant essentiellement en :
    • 50 à 99,79% d'au moins une huile de base,
    • 0,01 à 2% de nanoparticules métalliques,
    • 0,1 à 10% d'au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons,
    • 0,1 à 10% d'au moins un additif supplémentaire, préférentiellement de 2 à 5%, spécifiquement 3,5%.
  • L'ensemble des caractéristiques et préférences présentées ci-avant pour l'huile de base, pour les nanoparticules métalliques, pour le dispersant et pour l'additif supplémentaire s'applique également à la composition lubrifiante ci-dessus.
  • L'invention a également pour objet une composition de type concentré d'additifs comprenant :
    • de 1 à 15% de nanoparticules de bisulfure de tungstène,
    • de 5 à 99 % d'au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons.
  • L'ensemble des caractéristiques et préférences présentées ci-avant pour les nanoparticules de bisulfure de tungstène et pour le dispersant s'applique également à la composition ci-dessus. Avantageusement, les nanoparticules de bisulfure de tungstène ont une structure de type fullerène.
  • Dans un mode de réalisation, l'invention concerne une composition de type concentré d'additifs comprenant :
    • de 1 à 15% de nanoparticules de bisulfure de tungstène,
    • de 15 à 89 % d'au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons,
    • de 10 à 59 % d'au moins un additif supplémentaire.
  • L'ensemble des caractéristiques et préférences présentées ci-avant pour les nanoparticules de bisulfure de tungstène, pour le dispersant et pour l'additif supplémentaire s'applique également à la composition ci-dessus. Avantageusement, les nanoparticules de bisulfure de tungstène ont une structure de type fullerène.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, à la composition de type concentré d'additifs selon l'invention peut être ajoutée au moins une huile base pour obtenir une composition lubrifiante selon l'invention. Avantageusement, l'huile de base est de base est choisie parmi le groupe formé par les base de groupe III, les bases de groupe IV, les bases de groupe V de la classification API et leurs mélanges.
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'huile de base est un mélange de bases du groupe IV et du groupe V de la classification API, de préférence l'huile de base est choisie parmi les polyalphaoléfines (PAO) et les esters et leur mélange. Dans un mode de réalisation plus préféré de l'invention, l'huile de base est un mélange d'au moins une polyalphaoléfine et d'au moins un ester, de préférence un ester de polyols.
    • Les pièces
  • La composition lubrifiante selon l'invention peut lubrifier au moins une pièce mécanique ou un organe mécanique, notamment des roulements, des engrenages, des joints de cardan, des transmissions, le système pistons/segments/chemises, les arbres à came, l'embrayage, les boîtes de vitesses manuelles ou automatiques, les ponts, les culbuteurs, les carters etc.
  • Dans un mode de réalisation préféré, la composition lubrifiante selon l'invention peut lubrifier une pièce mécanique ou un organe métallique des transmissions, de l'embrayage, des boîtes de vitesses manuelles ou automatiques, de préférence manuelles.
  • L'invention a également pour objet un procédé de réduction de l'écaillage d'une pièce mécanique, préférentiellement d'un organe de transmission, avantageusement d'une boîte de vitesses ou d'un pont, comprenant au moins la mise en contact de la pièce mécanique avec une composition lubrifiante telle que définie ci-dessus ou obtenue à partir de la composition de type concentré d'additifs telle que définie ci-dessus.
  • L'ensemble des caractéristiques et préférences présentées pour la composition lubrifiante s'applique également au procédé de réduction de l'écaillage d'une pièce mécanique selon l'invention.
  • L'invention a également pour objet l'utilisation d'une composition lubrifiante selon l'invention pour la lubrification des boîtes de vitesses ou de ponts, préférentiellement des boîtes de vitesses de véhicules automobiles.
  • Dans un mode de réalisation préféré, l'invention concerne l'utilisation d'une composition lubrifiante selon l'invention pour la lubrification des boîtes de vitesses manuelles de véhicules automobiles.
  • L'ensemble des caractéristiques et préférences présentées pour la composition lubrifiante s'applique également à l'utilisation pour la lubrification des boîtes de vitesses selon l'invention.
  • L'invention a également pour objet l'utilisation d'une composition lubrifiante selon l'invention pour la réduction de l'écaillage d'une pièce mécanique, préférentiellement d'un organe de transmission, plus préférentiellement d'une boîte de vitesses ou d'un pont.
  • Dans un mode de réalisation préféré, l'invention concerne l'utilisation d'une composition lubrifiante selon l'invention pour la réduction de l'écaillage d'une boîte de vitesses manuelles.
  • L'ensemble des caractéristiques et préférences présentées pour la composition lubrifiante s'applique également à l'utilisation pour la réduction de l'écaillage selon l'invention.
  • Les différents objets de la présente invention et leurs mises en oeuvre seront mieux compris à la lecture des exemples qui suivent. Ces exemples sont donnés à titre indicatif, sans caractère limitatif.
    • Figures:
  • La figure 1 montre un banc à recirculation de puissance comprenant une fausse boîte de vitesses (111), un moteur électrique (112), un couple mètre (113), un dispositif de mise sous couple (114), une boîte de vitesses comportant le couple à tester (115), un différentiel (116), un arbre secondaire (117), un arbre primaire (118), un système de détection de l'apparition d'écailles (119), la cinquième vitesse (120), la marche arrière (121), la quatrième vitesse (122), la troisième vitesse (123), la seconde vitesse (124), la première vitesse (125) et une courroie d'entraînement (126).
  • La figure 2 est une photographie d'un carter de boîte de vitesses après 600h d'essai sur banc à recirculation de puissance avec une composition selon l'invention.
  • La figure 3 est une photographie d'un carter de boîte de vitesses après 400h d'essai sur banc à recirculation de puissance avec une composition hors invention.
    • Exemples: Exemple 1 : évaluation de la stabilité de compositions lubrifiantes selon l'invention
  • Il s'agit d'évaluer la stabilité de compositions lubrifiantes selon l'invention par le suivi au cours du temps de la concentration en nanoparticules de bisulfure de tungstène dans la phase surnageante de la composition.
  • Pour cela, différentes compositions lubrifiantes ont été préparées à partir des composés suivants:
    • une huile de base de groupe III,
    • un mélange de nanoparticules de bisulfure de tungstène à 20% en matière active dans une huile (NanoLub Gear Oil Concentrate commercialisé par la société Nanomaterials),
    • dispersant 1 : dispersant de type PIB succinimide avec une masse moléculaire moyenne en poids mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 1921 Da et une masse moléculaire en nombre mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 1755 Da,
    • dispersant 2 : dispersant de type PIB succinimide avec une masse moléculaire moyenne en poids mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 1514 Da et une masse moléculaire en nombre mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 1328 Da,
    • dispersant 3 : dispersant de type ester succinimide avec une masse moléculaire moyenne en poids mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 1132 Da et une masse moléculaire en nombre mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 1046 Da,
    • dispersant 4 : dispersant selon l'invention de type PIB succinimide avec une masse moléculaire moyenne en poids mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 6370 Da et une masse moléculaire en nombre mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 2850 Da (OLOA 13000 de la société Oronite),
    • dispersant 5 : dispersant selon l'invention de type type PIB succinimide avec une masse moléculaire moyenne en poids mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 3085 Da et une masse moléculaire en nombre mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 1805 Da.
  • Les différentes compositions L1 à L5 sont décrites dans le tableau I ; les pourcentages indiqués correspondent à des pourcentages massiques. Tableau I
    Compositions L1 (comparatif) L2 (comparatif) L3 (comparatif) L4 (invention) L5 (invention)
    Huile de base de groupe III 89 89 89 89 89
    Nanoparticule s de bisulfure de tungstène (NanoLub Gear Oil Concentrate) 1 1 1 1 1
    Dispersant 1 10
    Dispersant 2 10
    Dispersant 3 10
    Dispersant 4 10
    Dispersant 5 10
  • Chacune des compositions L1 à L5 a été préparée selon le mode opératoire ci-dessous :
    • ajout du dispersant,
    • ajout de la dispersion de nanoparticules de bisulfure de tungstène,
    • agitation magnétique pendant 1h,
    • ajout de l'huile de base,
    • agitation avec chauffage à 60-70°C pendant 1h,
    • agitation sans chauffage pendant une nuit (environ 16h),
    • bain à ultrasons pendant 15min.
  • Le protocole pour effectuer le suivi au cours du temps de la concentration en nanoparticules de bisulfure de tungstène dans la phase surnageante pour chacune des compositions L1 à L5 est défini comme suit :
    1. i) Courbe d'étalonnage à t = 0h, donnant l'absorbance en fonction de la teneur en nanoparticules de bisulfure de tungstène,
    2. ii) 3 à 4 prélèvements de masses différentes de la composition après agitation au bain d'ultrasons pendant 15min,
    3. iii) Ajout de 20ml de cyclohexane,
    4. iv) Mesure de l'absorbance (longueur l'onde fixée à 490nm),
    5. v) Tracé de la courbe absorbance en fonction de la concentration en nanoparticules de bisulfure de tungstène (calculée à partir de la masse prélevée, de la concentration initiale en nanoparticules dans la composition, du volume de cyclohexane ajouté et de la densité du cyclohexane) ; la courbe ainsi formée est une droite représentant la droite étalon caractéristique de la composition testée,
    6. vi) Mise en éprouvette de 100ml de composition et stockage à température ambiante,
    7. vii) Prélèvement d'une masse à peser et ajout de 20ml de cyclohexane,
    8. viii) Mesure de l'absorbance (longueur l'onde fixée à 490nm),
    9. ix) Calcul de la concentration en nanoparticules dans la phase surnageante à partir de la droite étalon,
    10. x) Répétition des étapes vi) à ix) à intervalle régulier dans le temps permettant ainsi de déterminer la concentration en nanoparticules de bisulfure de tungstène dans la phase surnageante en fonction du temps.
  • Les résultats sont regroupés dans le tableau II et correspondent à la concentration massique en nanoparticules de bisulfure de tungstène dans la phase surnageante ; ils sont exprimés en pourcentage massique.
  • Plus le pourcentage est élevé et proche de 1, meilleure est la dispersion des nanoparticules de bisulfure de tungstène dans la composition lubrifiante et donc meilleure est la stabilité de la composition lubrifiante. Tableau II
    9 à 15 j 29 à 35 j 49 à 55 j Plus de 100 j
    L1 0,01 0,01 0 0
    L2 0,06 0,03 0,01 0,01
    L3 0,14 0,01 0,02 0,01
    L4 0,77 0,75 0,61 0,34
    L5 0,96 0,69 0,79 0,28
    j=jour
  • Les résultats montrent que les compositions lubrifiantes selon l'invention L4 et L5, comprenant 0,2% en poids de nanoparticules de bisulfure de tungstène et un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons, présentent une stabilité améliorée par rapport à des compositions lubrifiantes comprenant 0,2% en poids de nanoparticules de bisulfure de tungstène et un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids inférieure à 2000 Daltons.
  • Il est à noter que cette stabilité perdure dans le temps pour les compositions lubrifiantes selon l'invention L4 et L5, ce qui n'est pas du tout le cas pour les autres compositions L1, L2 et L3.
    • Exemple 2 : évaluation des propriétés de friction des compositions lubrifiantes selon l'invention
  • Il s'agit ici d'évaluer l'impact de la combinaison de nanoparticules de bisulfure de tungstène et d'un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons sur les propriétés de frottement d'une composition lubrifiante par un essai laboratoire Cameron Plint Frottement à l'aide d'un tribomètre alternatif de type Cameron-Plint TE-77.
  • Pour cela, deux compositions lubrifiantes ont été préparées à partir des composés suivants:
    • huile de base 1 : huile de base de type polyalphaoléfine PAO 8 de viscosité cinématique mesurée à 100°C de 8 mm2/s,
    • huile de base 2 : ester de polyol (Priolube 3970 de la société Croda),
    • polymère 1 : copolymère éthylène/propylène (Lucant HC600 de la société Mitsui Chemicals),
    • polymère 2 : Poly Alpha Oléfine (Spectrasyn 1000 de la société Exxon),
    • Antimousse siliconé,
    • un mélange de nanoparticules de bisulfure de tungstène à 20% en matière active dans une huile (NanoLub Gear Oil Concentrate commercialisé par la société Nanomaterials),
    • dispersant : dispersant selon l'invention de type PIB succinimide ayant une masse moléculaire moyenne en poids mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 6370 Da et une masse moléculaire en nombre mesurée selon la norme ASTM D5296 égale à 2850 Da (OLOA 13000 de la société Oronite),
    • Modificateur de frottement : dithiocarbamate de molybdène (Molyvan 855 de la société Vanderbilt),
    • Paquet d'additifs 1 (Anglamol 2198 de la société Lubrizol) contenant en outre un mélange d'un anti-oxydant aminé et d'un anti-oxydant phénolique.
  • Les différentes compositions lubrifiantes L6 à L7 sont décrites dans le tableau III ; les pourcentages indiqués correspondent à des pourcentages massiques. Tableau III
    Compositions L6 (comparatif) L7 (invention)
    Huile de base 1 62,95 61,95
    Huile de base 2 15 15
    Polymère 1 10 10
    Polymère 2 5 5
    Antimousse 0,05 0,05
    Nanoparticules de bisulfure de tungstène (NanoLub Gear Oil Concentrate commercialisé par la société Nanomaterials) 2
    Dispersant 2
    Modificateur de frottement 0,5 0,5
    Paquet d'additifs 1 6,5 3,5
    Viscosité cinématique à 100°C mesurée selon la norme ASTM D445 (mm2/s) 14,5 14,5
  • La composition L6 est une composition lubrifiante classiquement utilisée pour lubrifier les transmissions, et notamment les boîtes de vitesses des véhicules automobiles.
  • La viscosité cinématique à 100°C des compositions L6 et L7 a été ajustée pour être identique, notamment par la teneur en huiles de base 1, de sorte à pouvoir comparer ces deux compositions.
  • Le coefficient de frottement de chaque composition a été évalué par un essai laboratoire Cameron Plint Frottement à l'aide d'un tribomètre alternatif de type Cameron-Plint TE-77. Le banc d'essai est constitué d'un tribomètre cylindre/plan immergé dans la composition lubrifiante à tester. Le coefficient de frottement est suivi au cours de l'essai par la mesure de l'effort tangentiel sur l'effort normal. Un cylindre (SKF 100C6) de longueur 10mm et de diamètre 7mm est appliqué sur le plan en acier en immersion dans la composition lubrifiante à tester, la température de la composition lubrifiante est fixée à chaque essai. On applique un mouvement alternatif sinusoïdal avec une fréquence définie. Chaque mesure est réalisée sur une durée de 100 secondes au cours de l'essai.
  • Les valeurs du coefficient de frottement moyen prises à différentes températures, charges et vitesses et pour chacune des compositions L6 et L7 sont indiquées dans le tableau IV. Tableau IV
    L6 (comparatif) L7 (invention)
    Coefficient de frottement moyen à 60°C 0,087 0,082
    Coefficient de frottement moyen à 100°C 0,089 0,104
    Coefficient de frottement moyen sous une charge de 650MPa 0,072 0,078
  • Le coefficient de frottement moyen à 60°C a été mesuré sous différentes charges allant de 300 MPa à 650 MPa et à différentes vitesses allant de 70 mm/s à 550 mm/s.
  • Les coefficient de frottement moyen à 100°C a été mesuré sous différentes charges allant de 300 MPa à 650 MPa et à différentes vitesses allant de 70 mm/s à 550 mm/s.
  • Le coefficient de frottement moyen sous une charge de 640 MPa a été mesuré à différentes températures allant de 60°C à 140°C et à différentes vitesses allant de 70 mm/s à 550 mm/s.
  • Les résultats montrent que la présence de la combinaison de nanoparticules de bisulfure de tungstène et d'un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons selon l'invention dans une composition lubrifiante n'altèrent pas ou très peu les propriétés de friction de cette composition.
    • Exemple 3 : évaluation des propriétés anti-écaillage des compositions lubrifiantes selon l'invention
  • Il s'agit ici d'évaluer les propriétés anti-écaillage d'une composition lubrifiante selon l'invention par la mise en oeuvre d'un essai sur banc à recirculation de puissance.
  • Pour cela, la composition lubrifiante selon l'invention L8 et la composition L9 hors invention dont les compositions sont décrites dans le tableau V ont été préparées ; les pourcentages indiqués correspondent à des pourcentages massiques. Tableau V
    Compositions L8 (invention) L9 (comparatif)
    Huile de base 1 62,45 62,45
    Huile de base 2 15 15
    Polymère 1 10 10
    Polymère 2 5 5
    Antimousse 0,05 0,05
    Nanoparticules de bisulfure de tungstène (NanoLub Gear Oil Concentrate commercialisé par la société Nanomaterials) 2
    Dispersant 2
    Paquet d'additifs 1 3,5 3,5
    Paquet d'additifs 2 4
  • Les huiles de base 1 et 2, les polymères 1 et 2, l'agent antimousse, le dispersant et le paquet d'additifs 1 sont identiques à ceux décrits dans l'exemple 2. Le paquet d'additifs 2 (Anglamol 2190 de la société Lubrizol) comprend un dithiophosphate de zinc en tant que modificateur de frottements.
  • Le banc à recirculation de puissance est représenté à la figure 1.
  • Une boîte de vitesses Renault JR5 est installée dans une boucle de recirculation de puissance et mise en charge par un système de torsion, la boîte étant engagée sur le rapport de 3ème.
  • La machine est mise en fonctionnement à l'aide d'un moteur électrique pour obtenir une vitesse de rotation de 3000 tours/mn sous un couple de 148 N.m à l'entrée de la boîte de vitesses.
  • Le critère d'évaluation, et donc la pièce critique à évaluer (en raison de la charge supportée), est le pignon d'attaque de l'arbre secondaire.
  • La boîte de vitesses est inspectée à intervalles réguliers d'environ 150h après démontage et cotation visuelle. La cotation visuelle est effectuée sur la cotation "Chrysler" pour déceler la présence d'écailles sur la denture du pignon d'attaque, avec en outre un suivi vibratoire permanent pour détecter l'apparition d'écaillage dans la boîte de vitesses en fonctionnement.
  • La cotation "Chrysler" consiste à noter l'état de la denture du pignon d'attaque après essai. Chaque dent du pignon est ainsi examinée afin de déceler une présence éventuelle d'un écaillage ou d'écaillages et on attribue un mérite à chaque écaillage.
  • La cotation est définie comme suit :
    - Cotation = 0 si la Surface de l'Ecaillage (SE) sur une dent vaut 0 mm2
    - Cotation = 0,4 si SE ≤ 1 mm2
    - Cotation = 1,3 si 1 < SE ≤ 3 mm2
    - Cotation = 4 si 3 < SE ≤ 7 mm2
    - Cotation = 12 si 7 < SE ≤ 16 mm2
    - Cotation = 36 si 16 < SE < 36 mm2
    - Cotation = 108 si SE ≥ 36 mm2
  • La cotation totale est basée sur la formule suivante : 0,4 x A + 1,3 x B + 4 x C + 12 x D + 36 x E + 108 x F dans laquelle A, B, C, D, E et F représentent le nombre de dents au même niveau de dégradation, sur un même pignon.
  • Le suivi vibratoire consiste à placer un accéléromètre à proximité de la pièce en essai et de noter l'intensité des vibrations en fonctionnement. En cas de dégradation d'une pièce, l'intensité vibratoire augmente. Il suffit de fixer un seuil pour arrêter l'appareil et vérifier l'apparition d'écailles sur la denture.
  • Afin d'éviter une dégradation intempestive du pignon qui ne serait pas liée au lubrifiant (mais aux débris métalliques causés par la dégradation des autres pièces), les roulements d'arbre et le pignon de 3ème sont normalement remplacés tous les 150h.
  • L'essai est arrêté lorsqu'une écaille de 12mm2 maximum est observée et/ou lorsque 80mm2 de surface écaillée au total est observée et/ou à 312h lorsqu'aucun écaillage n'est apparu à cette durée.
  • Les résultats de l'essai obtenus avec la composition lubrifiante L8 sont les suivants :
    • l'essai a tourné pendant 600h sans aucun remplacement de pièce dans la boîte et sans observer le moindre écaillage ni sur le pignon d'attaque ni sur le pignon de 3ème vitesse,
    • aucun dépôt excessif de nanoparticules de bisulfure de tungstène n'a été observé dans le carter.
  • Quant à la composition lubrifiante L9, l'essai a dû être arrêté au bout de 125h, plusieurs écailles ayant été observées.
    • Exemple 4 : évaluation des propriétés de stabilité après utilisation des compositions lubrifiantes selon l'invention
  • Il s'agit ici d'évaluer le risque de dépôt de nanoparticules contenues d'une composition selon l'invention après la mise en oeuvre d'un essai sur banc à recirculation de puissance.
  • Pour cela, la composition lubrifiante selon l'invention L10 et la composition L11 hors invention dont les compositions sont décrites dans le tableau VI ont été préparées ; les pourcentages indiqués correspondent à des pourcentages massiques. Tableau VI
    Compositions L10 (invention) L11 (comparatif)
    Huile de base 1 60,45 62,45
    Huile de base 2 15 15
    Polymère 1 10 10
    Polymère 2 5 5
    Antimousse 0,05 0,05
    Nanoparticules de bisulfure de tungstène (NanoLub Gear Oil Concentrate commercialisé par la société Nanomaterials) 4 4
    Dispersant 2
    Paquet d'additifs 1 3,5 3,5
  • Les huiles de base 1 et 2, les polymères 1 et 2, l'agent antimousse, le dispersant et le paquet d'additifs 1 sont identiques à ceux décrits dans l'exemple 2.
  • Les conditions de l'essai sont identiques à celles décrites dans l'exemple 3.
  • La figure 2 montre qu'aucun dépôt excessif (200) de nanoparticules de bisulfure de tungstène n'a été observé dans le carter après essai avec la composition selon l'invention L10.
  • Quant à la composition L11, la figure 3 montre un dépôt excessif (300) de nanoparticules de bisulfure de tungstène dans le carter après essai avec la composition L11, pouvant ainsi provoquer un risque d'obstruer les orifices de lubrification des paliers ou encore des synchroniseurs.
  • Ainsi, les exemples ci-dessus montrent que les compositions lubrifiantes selon l'invention présentent à la fois une bonne stabilité dans le temps et de bonnes propriétés anti-écaillage, tout en conservant des propriétés de réduction des frottements satisfaisantes.

Claims (15)

  1. Composition lubrifiante comprenant au moins une huile de base, au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons en une teneur en poids allant de 0,1 à 10% par rapport au poids total de la composition lubrifiante, le dispersant étant choisi parmi les composés comprenant au moins un groupement succinimide , et des nanoparticules métalliques en une teneur en poids allant de 0,01 à 2% par rapport au poids total de la composition lubrifiante, les nanoparticules métalliques étant des polyèdres concentriques avec une structure multicouche ou en feuillets, lesdites nanoparticules métalliques solides ont une structure de type fullerène et sont représentées par la formule MXn dans laquelle M représente un métal de transition, X un chalcogène, avec n=2 ou n=3 en fonction de l'état d'oxydation du métal de transition M .
  2. Composition lubrifiante selon la revendication 1 dans laquelle le métal dont est constitué la nanoparticule métallique est choisi parmi le groupe formé par le tungstène, le molybdène, le zirconium, l'hafnium, le platine, le rhénium, le titane, le tantale, le niobium, le zinc, le cérium, l'aluminium, l'indium et l'étain.
  3. Composition lubrifiante selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle les nanoparticules métalliques sont choisies dans le groupe formé par MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, PtS2, ReS2, ReSe2, TiS3, ZrS3, ZrSe3, HfS3, HfSe3, TiS2, TaS2, TaSe2, NbS2, NbSe2 et NbTe2, préférentiellement parmi MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, avantageusement WS2.
  4. Composition lubrifiante selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la teneur en poids de nanoparticules métalliques va de 0,05 à 2%, de préférence de 0,1 à 1%, avantageusement de 0,1 à 0,5% par rapport au poids total de la composition lubrifiante.
  5. Composition lubrifiante selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la taille moyenne des nanoparticules métalliques va de 5 à 600 nm, de préférence de 20 à 400 nm, avantageusement de 50 à 200 nm, la taille moyenne des nanoparticules métalliques étant déterminée à l'aide d'images obtenues par micrographie électronique à transmission ou par microscopie électronique à transmission à haute résolution, la taille moyenne étant la valeur médiane de l'histogramme de distribution des tailles mesurées des particules solides.
  6. Composition lubrifiante selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le dispersant est choisi parmi les composés comprenant au moins un groupement succinimide substitué ou les composés comprenant au moins deux groupements succinimide substitués, les groupements succinimides étant reliés au niveau de leur sommet carboné portant un atome d'azote par un groupement polyamine.
  7. Composition lubrifiante selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le dispersant a une masse moléculaire moyenne en poids allant de 2000 à 15000 Daltons, de préférence allant de 2500 à 10000 Daltons, avantageusement de 3000 à 7000 Daltons.
  8. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le dispersant a, en outre, une masse moléculaire moyenne en nombre supérieure ou égale à 1000 Daltons, de préférence allant de 1000 à 5000 Daltons, plus préférentiellement de 1800 à 3500 Daltons, avantageusement de 1800 à 3000 Daltons.
  9. Composition lubrifiante selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la teneur en poids de dispersant va de 0,1 à 5%, avantageusement de 0,1 à 3% par rapport au poids total de la composition lubrifiante.
  10. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l'huile de base est choisie parmi les polyalphaoléfines ou les esters, de préférence les esters de polyols ou leurs mélanges.
  11. Composition lubrifiante selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre au moins un additif supplémentaire choisi parmi les polymères améliorant l'indice de viscosité et les antioxydants ou leurs mélanges, les polymères améliorant l'indice de viscosité étant choisis parmi les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfines, notamment les copolymères d'éthylène et de propylène, de préférence l'additif supplémentaire est un antioxydant choisi parmi les dialkylphénylamines, les antioxydants phénoliques ou leurs mélanges.
  12. Utilisation d'une composition lubrifiante selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans une huile de transmission.
  13. Utilisation d'une composition lubrifiante selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour la lubrification des boîtes de vitesses ou des ponts, préférentiellement des boîtes de vitesses de véhicules automobiles, les boîtes de vitesses étant de préférence des boîtes de vitesses manuelle.
  14. Utilisation d'une composition lubrifiante selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour la réduction de l'écaillage d'une pièce mécanique, préférentiellement d'un organe de transmission, plus préférentiellement d'une boîte de vitesses ou d'un pont, avantageusement d'une boîte de vitesses manuelle.
  15. Composition de type concentré d'additifs comprenant des nanoparticules de bisulfure de tungstène en une teneur en poids allant de 1 à 15% par rapport au poids total de la composition et au moins un dispersant ayant une masse moléculaire moyenne en poids supérieure ou égale à 2000 Daltons en une teneur en poids allant de 5 à 99% par rapport au poids total de la composition, le dispersant étant choisi parmi les composés comprenant au moins un groupement succinimide .
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