Anti-wear properties and mechanisms of dialkyl phosphonates in ester base oils - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Anti-wear properties and mechanisms of dialkyl phosphonates in ester base oils

Propriétés anti-usures et mécanismes d’action des phosphonates dialkyl dans les huiles de bases ester

Abstract

In recent years, demands for Environmentally Acceptable Lubricants (EALs) have been increasing especially for applications such as excavators, marine vessels and wind turbines. This has created a market for ester base oils, as they have better biodegradability than other synthetic or mineral base oils. Ester-based lubricants generally use synthetic ester base oils, and they are manufactured by blending lubricant additives into base oils. Antiwear (AW) additives are of prime importance and phosphorous compounds are the most common AW additives. In general, AW additives are designed for mineral base oils, but they are not always effective for ester base oils. Several studies have been carried out to develop suitable AW additives for ester base oils, however, most AW additives selected for ester base oils are normally highly reactive, leading to generation of metal corrosions. Consequently, research of suitable AW additives for ester base oils are necessary. In this work, phosphonate molecules were studied as AW additives for ester base oils. Phosphonate has been believed to be unsuitable AW additives, because of the high stability of the P-C bonds. However, the carbon atom of P-C bond in phosphonate can be modified in order to introduce any functional groups. Phosphonates with appropriate functional groups could have the potential for additives with excellent AW performance and stabilities. During the evaluation of AW properties of phosphonates with various functional groups, phosphonate with carboxylic acid (dialkyl phosphonoacetic acid, DAPA) was found to show better AW performance in ester base oils than conventional phosphorus AW additives. Furthermore, DAPA have showed better AW capabilities in TMO (Trimethylolpropane trioleate) ester base oils than in PAO, even though the conventional phosphorus additives have showed the opposite tendency. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), Transmission Electron Microscopy with Focused Ion Beam (TEM-FIB) and Polarization Modulation Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy (PM-IRRAS) were used to study the chemical compositions of steel surfaces after friction and to better understand the antiwear mechanism of DAPA in the base oils. It was found that DAPA in PAO and DAPA in TMO formed the same adsorption species and tribofilms on steel surfaces but in different proportions. The better AW performance of DAPA in the polar solvent is attributed to a competitive adsorption effect between the TMO and the DAPA additive. This phenomenon delayed the formation of the DAPA tribofilm, allowing its antiwear action to persist. The intrinsic AW capabilities of the TMO polar solvent, compared with those of PAO, also contributed to the better AW capabilities of DAPA in TMO, particularly at low loads. The AW properties of DAPA have been also evaluated in various ester base oils, and it has been found that the efficacy of DAPA decreases with ester base oil polarities. The relationship between the alkyl chain length of DAPA and AW performance have been researched, and it has been revealed that DAPA increases with its alkyl chain length. Dialkyl phosphonates with OH and CO-NH2 had shown excellent AW performance in ester base oils. Several effective AW additives for ester base oils have been discovered in this study. These studies could provide useful information for future additive design for ester base oils.
Ces dernières années, les demandes de lubrifiants écologiquement acceptables (LEA) ont augmenté, en particulier pour des applications telles que les excavatrices, les navires et les éoliennes. Cela a créé un marché pour les huiles de base de type ester dans la mesure où elles présentent une meilleure biodégradabilité que les autres huiles de base synthétiques ou minérales. Les lubrifiants à base d'esters utilisent généralement des huiles de base synthétiques auxquelles sont ajoutés des additifs de lubrification. Les additifs anti-usure sont en effet d'une importance capitale et les composés phosphorés sont généralement les additifs les plus couramment utilisés. Toutefois, ces additifs anti-usure sont conçus pour les huiles de base minérales et ne sont pas toujours efficaces pour les bases ester. Plusieurs études ont été menées pour développer des additifs anti-usure appropriés pour ce type de base. Cependant, la plupart des additifs sélectionnés sont souvent très réactifs, conduisant à des phénomènes de corrosion métallique. Par conséquent, la recherche d'additifs anti-usure appropriés pour les bases ester apparait comme étant une nécessité. Dans ce travail, les molécules de phosphonate ont été étudiées en tant qu'additifs anti-usure pour les bases ester. Ces additifs ont été considérés pendant longtemps comme étant des additifs anti-usure peu adaptés, en raison de la grande stabilité des liaisons P-C. Cependant, l'atome de carbone de la liaison P-C du phosphonate peut être remplacé par des groupes fonctionnels de nature différente. En choisissant de manière pertinente ces groupes, les phosphonates pourraient potentiellement présenter d’excellentes performances tribologiques ainsi qu’une très bonne stabilité dans les bases ester. Divers groupes fonctionnels ont été évalués durant ce travail de thèse et il a été montré que les meilleures performances anti-usure (dans la base ester) étaient obtenues avec l’acide carboxylique comme groupe fonctionnel du phosphonate (Acide dialkyl phosphonoacétique ou DiAlkyl Phosphonoacetic Acid en anglais, acronyme DAPA) en comparaison des additifs anti-usure phosphorés conventionnels. De plus, cette molécule a montré de meilleures propriétés anti-usure dans la base ester TMO (trioléate de triméthylolpropane) en comparaison de la base PAO, les additifs phosphorés conventionnels montrant une tendance opposée. La spectroscopie des photoélectrons XPS, la spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS), la Microscopie Electronique à Transmission (MET) et la spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption à modulation de polarisation (PM-IRRAS) ont été utilisées pour étudier les compositions chimiques des surfaces en acier après frottement et ainsi mieux comprendre le mécanisme anti-usure du DAPA dans les huiles de base (TMO et PAO). Il a été observé que le DAPA formait dans les deux bases les mêmes espèces adsorbés et les mêmes tribofilms sur les surfaces en acier mais dans des proportions différentes. La meilleure performance anti-usure du DAPA dans le solvant polaire (TMO) est attribuée à un effet d'adsorption compétitif entre la base ester et l'additif DAPA. Ce phénomène tend à retarder la formation du tribofilm de DAPA, permettant à son action anti-usure de persister dans le temps. Les capacités anti-usure intrinsèques du solvant polaire, comparées à celles de la base PAO, contribuent également aux meilleures propriétés anti-usure du DAPA dans la base ester, en particulier à faible charge. Les propriétés anti-usure du DAPA ont également été évaluées dans diverses huiles de base ester et il a été constaté que l'efficacité du DAPA diminuait avec la polarité de l'huile de base. La relation entre la longueur de la chaîne alkyle du DAPA et sa performance anti-usure a également été étudiée et il a été montré que celle-ci augmente avec la longueur de chaîne alkyle. . [...]
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Dates and versions

tel-04306671 , version 1 (25-11-2023)

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  • HAL Id : tel-04306671 , version 1

Cite

Tadashi Oshio. Anti-wear properties and mechanisms of dialkyl phosphonates in ester base oils. Other. Ecole Centrale de Lyon, 2023. English. ⟨NNT : 2023ECDL0029⟩. ⟨tel-04306671⟩
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