Comment le carbonate de calcium est-il utilisé comme additif dans les graisses lubrifiantes ?

Avec le développement de la société, la demande en graisses lubrifiantes ne cesse d'augmenter. Par conséquent, leur production doit impérativement prendre en compte non seulement leurs performances, mais aussi des facteurs tels que la rentabilité, la protection de l'environnement et le développement durable. Face à la sensibilisation croissante du public aux enjeux environnementaux, la mise au point de graisses lubrifiantes performantes et respectueuses de l'environnement représente l'avenir de l'industrie.

Le carbonate de calcium, de formule chimique CaCO₃, est un solide blanc inodore et un composé inorganique important présent dans la nature. On le trouve principalement dans des ressources minérales telles que le calcaire, la calcite, le marbre et la dolomie, le calcaire étant la source la plus abondante. Selon le procédé de fabrication, on distingue le carbonate de calcium lourd et le carbonate de calcium léger.

Carbonate de calcium broyé

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Le carbonate de calcium broyé est désigné par l'abréviation GCC. La poudre de GCC est produite directement par concassage et broyage (y compris pulvérisation fine et ultrafine) de matières premières de haute qualité telles que le calcaire, la calcite, le marbre et la craie. La poudre de GCC se caractérise par des particules de formes irrégulières, une large distribution granulométrique et des particules relativement grandes. La blancheur et la morphologie cristalline du GCC varient selon les matières premières utilisées, tandis que sa granulométrie est déterminée par l'équipement de traitement employé ; les particules les plus fines peuvent atteindre une taille aussi petite que 0,1 µm.

Carbonate de calcium précipité

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Le carbonate de calcium précipité, communément appelé « carbonate de calcium léger », est également connu sous le nom de carbonate de calcium précipité (CCP). C'est un produit à base de carbonate de calcium, fabriqué à partir de calcaire par un procédé comprenant la calcination, l'hydratation (extinction) et la carbonatation. Il se caractérise par une granulométrie fine (la taille moyenne des particules primaires atteignant 0,07 µm), une blancheur élevée et une morphologie cristalline ajustable. Le carbonate de calcium léger se divise en trois grandes catégories : le carbonate de calcium léger ordinaire, le carbonate de calcium léger activé et le nano-carbonate de calcium. Il présente une grande variété de morphologies cristallines – plusieurs dizaines de formes distinctes – dont sept sont particulièrement fréquentes : fusiformes, cubiques, aciculaires, en chaînes, sphériques, lamellaires et amorphes.

Le carbonate de calcium nanométrique est une forme précipitée de carbonate de calcium. Plus précisément, il s'agit d'un agrégat polymérique de particules de carbonate de calcium dont la dimension d'au moins un axe est comprise entre 1 et 100 nanomètres. L'échelle de ces particules se situe dans une zone de transition entre les agrégats moléculaires et les objets macroscopiques. Les particules primaires individuelles de carbonate de calcium nanométrique (également appelées particules primaires) sont invisibles à l'œil nu, et même aux microscopes optiques classiques. L'observation de leur structure et de leur morphologie nécessite l'utilisation de microscopes électroniques à haute résolution. Caractérisées par leur taille infime et leur grande surface spécifique, ces particules présentent des propriétés uniques, telles que des effets de surface, des effets de taille et des effets tunnel quantiques macroscopiques. Par conséquent, elles manifestent des propriétés physico-chimiques – notamment en termes de magnétisme, d'activité catalytique, de résistance optique et thermique, et de point de fusion – qui les distinguent du carbonate de calcium précipité ordinaire.

L'application du carbonate de calcium dans les graisses lubrifiantes

Les lubrifiants, dont la consistance varie de semi-fluide à solide, sont obtenus par épaississement d'une huile de base à l'aide d'un agent épaississant. Les épaississants, les huiles de base et les additifs constituent les trois principaux composants d'une graisse lubrifiante ; associés aux conditions de fabrication, ils sont les facteurs clés qui déterminent et influencent ses performances. La fabrication et la formulation modernes des graisses représentent une science spécialisée, et les graisses lubrifiantes sont classées comme des produits de haute technologie.

Partant du principe de son application comme additif pour graisses, le carbonate de calcium servant de charge pour augmenter le volume et le poids de la graisse, les points suivants doivent être pris en considération :

1) Modification de surface. Le carbonate de calcium est une substance inorganique polaire caractérisée par une surface hydrophile et oléophobe, une faible affinité pour l'huile et une tendance à l'agglomération. L'huile de base constituant le composant majoritaire en masse des graisses lubrifiantes, le carbonate de calcium doit subir une modification de surface avant d'être utilisé comme charge dans les graisses afin d'améliorer son affinité pour l'huile.

2) Taille ultrafine des particules. Les nanomatériaux possèdent des propriétés uniques et supérieures, et de nombreux chercheurs ont récemment commencé à étudier leur application dans les graisses lubrifiantes. Les nanoparticules constituent des additifs efficaces pour les graisses, offrant trois avantages principaux : premièrement, elles présentent de fortes capacités de diffusion et d’autodiffusion, leur permettant de former des couches de pénétration ou de diffusion supérieures sur les surfaces de frottement métalliques, assurant ainsi un effet anti-usure ; deuxièmement, de par leur taille infime, ces particules adoptent une forme quasi sphérique ; sur les surfaces de frottement, elles agissent comme des roulements, modifiant le mécanisme de lubrification du couple de frottement et réduisant efficacement le coefficient de frottement ; troisièmement, elles peuvent polir et renforcer les surfaces de frottement, supporter des charges externes et améliorer la capacité portante de la graisse lubrifiante.

3) Morphologie cristalline du carbonate de calcium. La forme cristalline du carbonate de calcium est un paramètre technique essentiel qui détermine ses applications spécifiques. Lorsqu'il est utilisé comme charge dans les graisses, il est primordial de choisir la forme cristalline appropriée. Actuellement, dans le domaine de la lubrification, les principales morphologies de carbonate de calcium utilisées sont les formes cubique, sphérique et amorphe.

Utilisé comme charge dans les graisses, le carbonate de calcium présente l'avantage d'être écologique et économique. À condition que les performances de la graisse restent inchangées, son incorporation pour augmenter son volume et son poids permet de réduire la consommation de matières premières, contribuant ainsi à la protection de l'environnement et à la réduction des coûts de production.