Formation de film lubrifiant et friction de solutions aqueuses de copolymères à blocs de polyoxyéthylène et polyoxypropylène

Lubricant film formation and friction of aqueous solutions of polyoxyethylene polyoxypropylene block copolymers

• Auteur / Autrice : Keiji Asada
• Direction : Denis Mazuyer, Juliette Cayer-Barrioz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides des matériaux des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 20/05/2025
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Mondain-Monval
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Mazuyer, Juliette Cayer-Barrioz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roland Larsson, Tony Da Silva Botelho
• DOI : 10.70675/7364a92fz53d7z4595z8730zf731f614e054

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lubrification

Mots clés libres

Lubrification

Ehl

Solutions aqueuses

Pag

Eau

Lubrication

Ehl

Aqueous solution

Pag

Water

Résumé

Ce travail de thèse vise à approfondir la compréhension de la formation du film lubrifiant et des mécanismes de frottement des lubrifiants aqueux, en particulier des solutions aqueuses de polyalkylène glycol (PAG), dans le régime de lubrification élastohydrodynamique (EHL). L'analyse se concentre sur les relations entre rhéologie, capacité de formation d'un film et le frottement de ces solutions, dans le but de fournir des clés de formulation des lubrifiants aqueux.La stratégie expérimentale focalise sur sept systèmes PAG/eau à teneur variable en PAG. Les PAG utilisés ici sont des copolymères triblocs d'oxyde de polyéthylène (PEO) et d'oxyde de polypropylène (PPO), référencés sous le nom de « Pluronic », avec des poids moléculaires et des conformations moléculaires variés. Ce travail combine des mesures rhéologiques, des mesures de distribution de l'épaisseur du film dans des conditions de roulement pur et des mesures simultanées du frottement et de l'épaisseur du film, couvrant une large gamme de taux de cisaillement et de pressions de contact.La viscosité de ces fluides modèles a été mesurée pour des taux de cisaillement allant de 10-2 à 103 s-1 pour des températures allant jusqu'à 60℃. Les diagrammes de phase issus de la littérature ont permis de corréler l'évolution de la viscosité en fonction du cisaillement et de la température à la microstructure des fluides. Les épaisseurs des films EHL, mesurées par interférométrie optique, montrent un comportement piézovisqueux pour des concentrations élevées de PAG et isovisqueux pour des concentrations plus faibles, comme illustré par les cartographies de formation de film. Si le comportement piézovisqueux est décrit classiquement par la théorie EHL, les facteurs contribuant au comportement isovisqueux sont divers dans la zone du convergent : transition sol/gel, accumulation de PAG (composants insolubles dans l'eau), couche adsorbée et changement de microstructure induit par le cisaillement. Des essais de traction en film complet avec des systèmes PAG/eau, analysés à l'aide du modèle de Cross, ont montré que l'eau réduisait de manière significative le coefficient de friction. Le modèle de Cross a également mis en évidence une courbe maîtresse adimensionnée de la viscosité et du taux de cisaillement, influencée par la structure du PAG et la teneur en eau. Le premier plateau newtonien de viscosité obtenu en ajustant les données expérimentales au modèle de Cross augmente avec le poids moléculaire du PPO avec une sensibilité moindre à la concentration en eau.Ces travaux de recherche fournissent des éclairages précieux sur la formulation des lubrifiants aqueux, soulignant le rôle clé de la structure moléculaire des polymères, de la teneur en eau et du comportement rhéologique souhaité (piézovisqueux ou isovisqueux) pour des applications spécifiques. Le cadre établi ouvre désormais la voie à la compréhension des performances lubrifiantes de nouveaux systèmes aqueux, en étendant ces résultats à d'autres systèmes aqueux de polymères.En conclusion, cette thèse contribue à la compréhension des mécanismes de formation de film et de friction des solutions aqueuses de PAG en régime EHL, démontrant l'importance des propriétés rhéologiques et du comportement des phases dans l'optimisation des formulations de lubrifiants aqueux.

This work aims to deepen the understanding of film formation and friction behavior of aqueous lubricants, specifically water-based Polyalkylene Glycol (PAG) solutions, in the elastohydrodynamic lubrication (EHL) regime. The investigation focuses on the relationships between the rheology, film-forming capability, and friction of these solutions, with the goal of providing insight into the optimization of aqueous lubricant formulations.The experimental strategy involved seven PAG/water systems with varying PAG content. The PAGs used here were triblock copolymers of polyethylene oxide (PEO) and polypropylene oxide (PPO), known commercially as ''Pluronic,'' with diverse molecular weights and configurations. The study combined rheological measurements, film thickness distribution measurements under pure rolling conditions, and simultaneous friction and film thickness measurements, covering a wide range of shear rates and contact pressures.The viscosity of model fluids was measured with a cone-plate rheometer across shear rates from 10-2 to 103 s-1 and temperatures up to 60℃. The phase diagrams from the literature allowed the characterization of the shear- and temperature-dependent trends of viscosity. EHL film thicknesses were measured using optical interferometry, showing piezoviscous behavior for high PAG concentrations and isoviscous for lower concentrations, as illustrated by the film formation map. Although the piezoviscous behavior can be described by classical EHL theory, the factors in the convergence zone contributing to the isoviscous behavior were diverse: sol/gel transition, PAG (water-insoluble components) accumulation, adsorbed layer, and shear-induced change in microstructure. Full-film traction tests with PAG/water systems, analyzed using the Cross model, showed water significantly reduced friction coefficient. The Cross model demonstrated a master curve of dimensionless viscosity and shear rate, influenced by PAG structure and water content. The first Newtonian viscosity obtained by fitting experimental data to the Cross model increased with PPO molecular weight but is less dependent with more water content.This research provides valuable insights into the formulation of aqueous lubricants, suggesting that lubricant formulators should consider the molecular structure of polymers, water content, and the desired rheological behavior (piezoviscous or isoviscous) for specific applications. The established framework paves the way for understanding the lubricating performance of new aqueous systems, potentially extending these findings to various aqueous polymer systems.In conclusion, this study advances the understanding of film formation and friction behavior of water-based PAG solutions in the EHL regime, highlighting the importance of rheological properties and phase behavior in optimizing aqueous lubricant formulations.