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Os lubrificantes a base de óleo vegetal surgem como uma alternativa ao uso de lubrificantes minerais, em virtude da crescente busca pela preservação do meio ambiente. O presente trabalho avaliou o desempenho tribológico de óleos vegetais misturados a Polialquilenoglicóis (PAG) e os comparou com óleos minerais, sendo ambos, as misturas e os óleos minerais, classificados nos graus ISO 150 e 220. Foram testadas formulações de óleo de mamona + PAG (ISO 68), óleo de mamona + PAG (ISO 150), óleo de soja + PAG (ISO 680) e óleo de soja + PAG (ISO 680), nas proporções 65/32, 80/17, 50/47, 38/59, respectivamente, aditivadas com 3% de ZDDP, aditivo Extrema Pressão. Tais formulações foram previamente determinadas com base na viscosidade das misturas a 40°C. Foi traçado o perfil de viscosidade de todas as misturas e foram feitas análises de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) e Calorimetria Diferencial Exploratória (DSC), para caracterização das mesmas. Além destas formulações, para efeito de comparação, foram testados óleos minerais ISO 150 e ISO 220, óleo de mamona puro e óleo de soja puro. O desempenho das formulações em relação ao atrito e ao desgaste foi avaliado por meio de ensaios de HFRR (High Frequency Reciprocating Rig), com carga de 10 N, frequência de 20 Hz e 60 minutos de duração, todos em duplicata. A temperatura do banho de óleo foi mantida em 50 ± 5°C. Os corpos-de-prova, de aço AISI 52100, foram analisados em Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) após cada ensaio. A formulação de óleo de mamona + PAG (150) + ZDDP apresentou os melhores desempenhos em termos de atrito e desgaste quando comparadas com o óleo mineral 220. / The biobased lubricants from vegetable oils arise as an alternative to the petroleum-based ones because of increasing search for the environment preservation. In this work, the tribological performance of vegetable oils with polyalkyleneglycols (PAG) was evaluated and compared with mineral oils. The vegetable oil and petroleum-based formulation are classified as ISO grades 150 and 220. Formulations were tested of castor oil + PAG (ISO 68), castor oil + PAG (ISO 150), soybean oils + PAG (ISO 680) and soybean oils + PAG (ISO 680), in the proportions 65/32/3, 80/17/3, 50 / 47/3, 38/59/3, respectively, and with 3% of ZDDP, an additive of extreme pressure. Such formulations were previously defined on the viscosity of the mixtures at 40° C. It was obtained the viscosity profile of the formulations and analysis were performed using 1H Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (1H NMR) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Besides these formulations, petroleum-based formulations, ISO 150 and ISO 220, castor and soybean oil without any additive were analyzed to be compared with the biobased formulations. The performance of the formulations related to the friction and wear was evaluated through HFRR (High Frequency Reciprocating Rig) tests, with load of 10 N, frequency of 20 Hz and 60 minutes duration. Every test was made in duplicate. The oil bath temperature was maintained at 50 ± 5°C. The AISI 52100 steel specimens were analyzed by Scanning Electron Microscopy (SEM) after every test. The formulation of castor oil and PAG (150) + ZDDP showed the best performances in terms of friction and wear properties, when compared with the mineral oil ISO 220.

For decades, global regulations and government mandates have driven technological developments to improve vehicle fuel economy. Tribological components found in all automotive engines contain metal-on-metal contact zones that may result in increased friction and wear, reducing overall engine efficiency. Lubricant additives such as antiwear and friction modifying components are added to motor oils to prevent some of the damages that may occur at contact zones and improve friction. The effects of other additive components, such as dispersants, that are prevalent in a lubricant additive package on the anti-wear layer remain relatively unknown. Polyisobutenyl Succinimide (PIBSI) dispersants were evaluated for their interactions with the ZDDP antiwear component. The physical and chemical properties and friction of the tribofilms formed in presence of dispersants were defined revealing a previously unknown structure-activity relationship. Further analysis of ZDDP and dispersants revealed surface and bulk fluid interactions.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第24605号 / 工博第5111号 / 新制||工||1978(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 / (主査)教授 平山 朋子, 教授 松原 厚, 教授 小森 雅晴 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Grâce à ses propriétés d’antioxydant, d’anti-usure et éventuellement d’extrême pression le dithiophosphate de zinc (ZDDP) fait partie des additifs les plus utilisés dans les lubrifiants pour moteurs thermiques. De nos jours, dans un souci de respect de l’environnement, de nouveaux lubrifiants possédant de bonnes performances en lubrification (frottement faible et usure limitée) sont développés en prenant compte des limitations d’utilisations actuelles du ZDDP. L’idée étant de réduire dans ceux-ci les teneurs en phosphore et soufre (Normes euros VI), éléments essentiels du ZDDP qui endommagent les pots catalytiques. L’objectif de cette thèse est l’étude du comportement tribologique du phosphate de zinc di alkyl (ZP) en comparaison avec le ZDDP. La méthodologie expérimentale étudiée pour comprendre le mécanisme d’action de ces additifs, associe des essais de frottement à descaractérisations physico-chimiques des surfaces frottantes après essais.Cette comparaison a été effectuée en fonction de la température (25°C et 100°C), la vitesse de glissement (25, 50 et 100 mm/s) et la concentration en additif (200 et 600 ppm dephosphore). Les meilleures actions anti-usure sont obtenues avec le ZDDP pour une température de 100°C et une vitesse de glissement de 100 mm/s et le ZP pour une température de 25°C et une vitesse de glissement de 25 mm/s. Les analyses de surface XPS, AES, XANES et MET-EDX ont permis de mettre en évidence la présence d’un film protecteur constitué principalement de phosphate de zinc, ceci pour les deux additifs.Une synergie de comportement tribologique a été mise en évidence avec un lubrifiantconstitué de ZP (usure faible) et d’oléate d’urée (frottement faible). Des essais complémentaires sur un tribomètre dynamique ont permis d’étudier le niveau de frottement du tribofilm formé à partir du ZDDP. Le caractère visqueux du tribofilm de ZDDP a été mis en évidence. / Thanks to its antioxidant, anti-wear and extreme pressure properties, zinc dialkyldithiophosphate (ZDDP) is nowadays the most used anti-wear additives in engine oil. Due to environmental protection concerns, new lubricants with good tribological performances (low friction and low wear) are developed. This research aims to evaluate the current limitations of ZDDP and to find alternative environmentally friendly solutions. Thus, the target is to reduce the quantity of phosphorus and sulphur in lubricants, two essential elements of ZDDP molecule that damage catalytic. The objective of this thesis is to study tribological behavior of zinc phosphate di alkyl (ZP) in comparison to ZDDP. The experimental method performed is the coupling of friction test with surface physico-chemical characterisation of rubbing surface after tests.This comparison carried out according to the temperature (25°C and 100°C), the sliding speed (25, 50, 100 mm/s) and additives concentrations (200 and 600 ppm). The best anti-wear efficiency is obtained with the ZDDP additive at 100°C - 100 mm/s and with the ZP at 25°C - 25 mm/s. For both additives and under these conditions, tribofilms are mainly made of zinc phosphate.A tribological synergy are obtained with a lubricant contained ZP (low wear) and oleyl urea (low friction). Complementary tests were made on a original dynamic tribometer for a better understanding of ZDDP tribofilm friction behavior. The viscous character of ZDDP tribofilm was obtained.

Le dialkyldithiophosphate de zinc ( ZDDP ) est un additif anti-usure habituellement utilisé dans les lubrifiants moteurs. Dans des conditions sévères de frottement, les molécules de ZDDP forment sur les surfaces métalliques un film, appelé tribofilm, qui protège ces surfaces de l'adhésion et de l'abrasion. Les tribofilms sont principalement composés de polyphosphates de zinc dont la longueur des chaînes varie progressivement sur la hauteur du film. On trouve les chaînes de phosphate les plus courtes à la surface du métal et les chaînes de phosphate les plus longues au sommet du film. Plusieurs études ont été menées afin de comprendre le mécanisme par lequel l'additif peut conduire à la formation de ce gradient de phosphate. Pour améliorer la compréhension de ce mécanisme, nous nous concentrons dans cette étude sur l'influence de la pression, du cisaillement, de la nature des surfaces et de la température sur des composés de type orthophosphate de zinc et métaphosphate de zinc, utilisés pour modéliser le tribofilm de ZDDP. Des tests tribologiques ont été réalisés en régime de lubrification limite à partir de dispersions de ces polyphosphates de zinc dans de l'huile de base. L'effet de la pression seule a été étudié à l'aide d'une cellule à enclumes de diamant (CED) afin de découpler son effet de celui du cisaillement. La spectroscopie Raman a été utilisée pour suivre in-situ ou ex-situ, les changements de structures des poudres de polyphosphate de zinc. Ces expériences ont été réalisées sur ces composés afin d'identifier précisément la contrainte qui conduit à ce gradient de phosphate au sein d'un tribofilm. La pression seule, à induit uniquement des désordres structurels au sein des polyphosphates de zinc. Une dimérisation mineure a été observée pour l'orthophosphate de zinc mais, est peu significative pour expliquer les changements structurels observés dans un tribofilm. Lors des tests tribologiques, les phosphates ont montré une capacité à former des tribofilms. Une dépolymérisation du métaphosphate de zinc à été observée a l'issue de ces tests. Les grandes contraintes et conditions de déformation des essais tribologiques sont nécessaires pour induire une réaction tribochimique entre le métaphosphate de zinc et l'oxyde de fer conduisant à une dépolymérisation du phosphate dans le tribofilm. La réaction anti-usure et la formation de tribofilm est favorisée par les hautes températures (120 • C), et par certaines formes d'oxydes de fer. / Zinc dialkyldithiophosphate (ZDDP) is an anti-wear additive, commonly used in engine lubricants. Under severe conditions of friction, it forms a tribofilm on steel surfaces. ZDDP tribofilm is mainly composed of zinc polyphosphates and its structure varies gradually over the height of the film: short phosphate chains at the metal surface and longer phosphate chains at the top of the film. Several studies have been conducted to understand the mechanism by which the additive may lead to the formation of this gradient of the phosphate chain length. The influence of pressure, shear stress, nature surfaces and temperature on the structure of zinc orthophosphate and zinc metaphosphate were investigated, to improve the understanding of their action mechanism. Friction tests were carried out in boundary lubrication regime from dispersions of zinc polyphosphates in base oil. The effect of pressure alone was investigated using a Diamond Anvil Cell (DAC) in order to dissociate from the shear contribution. Raman spectroscopy was used to follow in situ or ex situ structural changes of the zinc polyphosphate powders. The experiments were carried out on these compounds to identify precisely the impact of stresses on them. Pressure alone induces only disordering in the structure of zinc polyphosphates, with only minor dimerization of the chain length in phosphates, and does not contribute significantly to the observed structural changes in tribofilms. Tribofilms obtained with both polyphosphates display a depolymerization of the zinc metaphosphate. The severe stress and strain conditions of the tribological tests are necessary to induce a tribochemical reaction between zinc metaphosphate and iron oxide, leading to a depolymerization of the phosphate in the tribofilm. The tribochemical reaction and anti-wear tribofilm formation are significantly enhanced by the modest temperature increase from ambient to 120°C, and by some kinds of iron oxides.

Le dialkyldithiophosphate de zinc ( ZDDP ) est un additif anti-usure habituellement utilisé dans les lubrifiants moteurs. Dans des conditions sévères de frottement, les molécules de ZDDP forment sur les surfaces métalliques un film, appelé tribofilm, qui protège ces surfaces de l'adhésion et de l'abrasion. Les tribofilms sont principalement composés de polyphosphates de zinc dont la longueur des chaînes varie progressivement sur la hauteur du film. On trouve les chaînes de phosphate les plus courtes à la surface du métal et les chaînes de phosphate les plus longues au sommet du film. Plusieurs études ont été menées afin de comprendre le mécanisme par lequel l'additif peut conduire à la formation de ce gradient de phosphate. Pour améliorer la compréhension de ce mécanisme, nous nous concentrons dans cette étude sur l'influence de la pression, du cisaillement, de la nature des surfaces et de la température sur des composés de type orthophosphate de zinc et métaphosphate de zinc, utilisés pour modéliser le tribofilm de ZDDP. Des tests tribologiques ont été réalisés en régime de lubrification limite à partir de dispersions de ces polyphosphates de zinc dans de l'huile de base. L'effet de la pression seule a été étudié à l'aide d'une cellule à enclumes de diamant (CED) afin de découpler son effet de celui du cisaillement. La spectroscopie Raman a été utilisée pour suivre in-situ ou ex-situ, les changements de structures des poudres de polyphosphate de zinc. Ces expériences ont été réalisées sur ces composés afin d'identifier précisément la contrainte qui conduit à ce gradient de phosphate au sein d'un tribofilm. La pression seule, à induit uniquement des désordres structurels au sein des polyphosphates de zinc. Une dimérisation mineure a été observée pour l'orthophosphate de zinc mais, est peu significative pour expliquer les changements structurels observés dans un tribofilm. Lors des tests tribologiques, les phosphates ont montré une capacité à former des tribofilms. Une dépolymérisation du métaphosphate de zinc à été observée a l'issue de ces tests. Les grandes contraintes et conditions de déformation des essais tribologiques sont nécessaires pour induire une réaction tribochimique entre le métaphosphate de zinc et l'oxyde de fer conduisant à une dépolymérisation du phosphate dans le tribofilm. La réaction anti-usure et la formation de tribofilm est favorisée par les hautes températures (120 * C), et par certaines formes d'oxydes de fer.

Grâce à ses propriétés d'antioxydant, d'anti-usure et éventuellement d'extrême pression le dithiophosphate de zinc (ZDDP) fait partie des additifs les plus utilisés dans les lubrifiants pour moteurs thermiques. De nos jours, dans un souci de respect de l'environnement, de nouveaux lubrifiants possédant de bonnes performances en lubrification (frottement faible et usure limitée) sont développés en prenant compte des limitations d'utilisations actuelles du ZDDP. L'idée étant de réduire dans ceux-ci les teneurs en phosphore et soufre (Normes euros VI), éléments essentiels du ZDDP qui endommagent les pots catalytiques. L'objectif de cette thèse est l'étude du comportement tribologique du phosphate de zinc di alkyl (ZP) en comparaison avec le ZDDP. La méthodologie expérimentale étudiée pour comprendre le mécanisme d'action de ces additifs, associe des essais de frottement à descaractérisations physico-chimiques des surfaces frottantes après essais.Cette comparaison a été effectuée en fonction de la température (25°C et 100°C), la vitesse de glissement (25, 50 et 100 mm/s) et la concentration en additif (200 et 600 ppm dephosphore). Les meilleures actions anti-usure sont obtenues avec le ZDDP pour une température de 100°C et une vitesse de glissement de 100 mm/s et le ZP pour une température de 25°C et une vitesse de glissement de 25 mm/s. Les analyses de surface XPS, AES, XANES et MET-EDX ont permis de mettre en évidence la présence d'un film protecteur constitué principalement de phosphate de zinc, ceci pour les deux additifs.Une synergie de comportement tribologique a été mise en évidence avec un lubrifiantconstitué de ZP (usure faible) et d'oléate d'urée (frottement faible). Des essais complémentaires sur un tribomètre dynamique ont permis d'étudier le niveau de frottement du tribofilm formé à partir du ZDDP. Le caractère visqueux du tribofilm de ZDDP a été mis en évidence.