Synthèse et étude de polymères thermo-associatifs pour le domaine des lubrifiants

Synthesis and study of thermo-associative polymers for lubricants

• Auteur / Autrice : Thibault Derouineau
• Direction : Renaud Nicolaÿ
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2017
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MMC - Matière molle et chimie - Laboratoire Matière Molle et Chimie
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris. Bibliothèque
• Jury : Président / Présidente : Christophe Tribet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Nicolaÿ, Elise Deniau, Laurent Corté
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Erwan Nicol, Sophie Monge

Mots clés

Mots clés libres

Synthèse

Polymères

Thermo-Associatifs

Ester boronique

Chimie covalente dynamique

Rhéologie

Synthesis

Polymers

Thermo-Associative

Boronic ester

Dynamic covalent chemistry

Rheology

Résumé

Le contrôle de la viscosité des lubrifiants moteur est un enjeu clé dans la réduction de la consommation en carburant des moteurs thermiques. Une nouvelle approche basée sur l’utilisation de polymères thermo-associatifs a été développée pour diminuer la perte de viscosité naturelle des lubrifiants avec la température. Pour ce faire, des polymères complémentaires de faibles masses molaires (pour l’application moteur visée) qui peuvent s’associer réversiblement via la réaction d’échange diol-ester boronique lorsque la température augmente ont été conçus et synthétisés. Les faibles masses molaires des polymères et le caractère dynamique de la liaison ester boronique permettent de diminuer la sensibilité de ces systèmes aux forts cisaillements présents dans le moteur, en limitant notamment la rhéofluidification de ces lubrifiants. L’association des polymères est provoquée par l’augmentation d’accessibilité des fonctions portées par les polymères avec la température. L’association réversible des polymères thermo-associatifs a été mise en évidence dans les huiles apolaires par l’augmentation de la viscosité relative des solutions avec la température sur plusieurs cycles de chauffage-refroidissement. Une partie de l’étude a été consacrée à l’amélioration de la stabilité thermique des polymères dans le but de maintenir les bonnes propriétés lubrifiantes des formulations jusqu’à 150°C. Un grand nombre de polymères de natures, de tailles et d’architectures différentes ont été synthétisés. L’étude rhéologique en écoulement de ces polymères seuls et en formulations thermo-associatives a permis de mettre en évidence l’importance de ces différents leviers pour faire varier et contrôler les propriétés des solutions en fonction de la température.

Controlling the viscosity of engine lubricants is a key issue to reduce the fuel consumption of engines. A new approach based on the use of thermo-associative polymers has been developed in order to compensate the natural loss of viscosity of lubricants when the temperature increases. To this aim, complementary low molecular weight polymers (for engine targeted application) that can reversibly associate with temperature through the diol-boronic ester exchange reaction have been designed and synthesized. The low molecular weights of the polymers and the dynamic behavior of the boronic ester bond decrease the high shear sensitivity of the system and so limits the shear-thinning behavior of the lubricant. The increase of polymeric function availability as the temperature rises induces polymer association. The reversibility of the thermo-associative association of polymers in non polar oil is seen over several cycles of warming-cooling with the increase of the relative viscosity of the solutions with increasing temperature. Part of the study was also dedicated to the improvement of polymers’ thermal stability in order to maintain the good lubricant properties of the thermo-associative formulations up to 150°C. Many polymers of different natures, sizes and topologies have been synthesized. The flow behavior of these polymers in both individual state in solution or in thermo-associative formulations was studied by rheology, thus enabling to determine the impact of these levers on the solutions properties as a function of temperature.