Production et utilisations d’antigel

antifreeze

L’antigel est une substance utilisée pour abaisser le point de congélation de l’eau ou des liquides à base d’eau. Il est le plus souvent utilisé pour protéger les moteurs à combustion interne du gel, mais il a également d’autres applications dans la réfrigération, les systèmes de transfert de chaleur, les chauffe-eau, etc.

Le type d’antigel le plus courant est l’éthylène glycol, qui est un liquide incolore et inodore. L’éthylène glycol est produit aux États-Unis et en Europe et est utilisé dans les antigels pour voitures, camions et autres véhicules.

Table des matières

1. Matières premières D’antigel

Les premiers moteurs à combustion interne utilisaient de l’eau comme liquide de refroidissement parce qu’elle était bon marché, abondante et efficace pour transférer la chaleur. Cependant, l’eau présentait plusieurs inconvénients :

  1. Cela peut corroder les pièces métalliques du système de refroidissement.
  2. Son point de congélation est élevé.
  3. Lorsqu’il gèle, il se dilate d’environ 9 à 10 %. Cela peut endommager le bloc moteur, la pompe à eau et le radiateur.

Des agents antigel et des inhibiteurs de corrosion ont été ajoutés pour résoudre ces problèmes. L’eau a un point d’ébullition relativement bas (100°C), c’est pourquoi des bouchons à pression sont utilisés pour augmenter le point d’ébullition du liquide de refroidissement.

Cependant, la pression maximale est limitée par les matériaux utilisés pour fabriquer le système de refroidissement, notamment le radiateur et les joints de soudure. L’ajout d’éthylène glycol au liquide de refroidissement augmente son point d’ébullition, de sorte que des pressions plus basses peuvent être utilisées pour atteindre des températures plus élevées du liquide de refroidissement.

Dans les années 1920, alors que le nombre de voitures aux États-Unis passait de 7,5 millions à 26,5 millions, la demande d’antigel augmentait également. L’éthanol dénaturé est devenu populaire parce qu’il était bon marché, abondant et efficace pour abaisser le point de congélation de l’eau.

Le glycérol était également parfois utilisé comme antigel, mais il n’était pas toujours disponible. Le chlorure de calcium et d’autres solutions salines ont été essayés comme liquides de refroidissement des moteurs dans certaines régions des États-Unis, mais ils se sont révélés trop corrosifs.

Le miel, les solutions sucrées et même le kérosène et d’autres huiles d’hydrocarbures ont également été essayés, mais aucun d’entre eux n’a été largement utilisé. L’éthanediol est apparu comme un bon agent antigel dans les années 1920, mais il n’a pas été largement utilisé au début car il n’était pas toujours disponible.

Avant la Seconde Guerre mondiale (1940), les principaux antigels disponibles étaient l’éthanol, le méthanol synthétique et l’éthylène glycol. Ces trois agents représentaient 90 % de la consommation d’antigel aux États-Unis.

Les 10 % restants étaient constitués de méthanol, de glycérol et de 2-propanol, sous-produits du bois. Le choix de l’agent antigel était basé sur la disponibilité plutôt que sur le coût ou les performances.

Après la Seconde Guerre mondiale (1945), le nombre de voitures aux États-Unis et en Europe occidentale a augmenté, tout comme la demande d’antigel. Les liquides de refroidissement à base de méthanol et d’éthanediol dominaient le marché à cette époque.

Les liquides de refroidissement à base de méthanol ont atteint leur apogée au début des années 1950. Les constructeurs automobiles ont commencé à utiliser de l’éthanediol dans leurs voitures neuves et, au début des années 1970, c’était le seul agent antigel utilisé dans les voitures neuves. L’ensemble du marché des liquides de refroidissement pour moteurs automobiles de remplacement est également passé à l’éthylène glycol.

En 1960, l’éthanediol détenait plus de 80 % des parts de marché. Les liquides de refroidissement à base de méthanol étaient encore utilisés dans certains moteurs stationnaires et véhicules plus anciens, mais ils devenaient de moins en moins populaires.

La principale raison pour laquelle les liquides de refroidissement à base de méthanol ont été remplacés par l’éthanediol dans les voitures était que l’éthanediol permettait des températures de fonctionnement du liquide de refroidissement plus élevées. Cela était important pour un chauffage efficace des locaux des véhicules par temps froid et a également entraîné des améliorations mineures de l’efficacité énergétique des véhicules.

Le 1,2-propanediol, communément appelé propylène glycol, est utilisé comme fluide caloporteur dans les systèmes où la toxicité de l’antigel est préoccupante. Les exemples incluent certains capteurs d’énergie solaire active, les systèmes de refroidissement pour les moteurs qui utilisent des sources d’eau potable et les systèmes de congélation et de réfrigération pour les produits alimentaires et laitiers.

Le 1,2-propanediol est également utilisé comme antigel automobile dans certains pays européens (par exemple en Suisse) car il est moins nocif pour les humains, en particulier les enfants, en cas d’ingestion accidentelle.

Le 1-méthoxy-2-propanol a également été utilisé comme agent antigel, principalement dans les systèmes de refroidissement par ébullition et les moteurs diesel lourds. Le 1-méthoxy-2-propanol et l’eau forment un azéotrope qui offre une protection contre le gel en phase vapeur dans les applications de refroidissement par ébullition.

Les antigels à base de 1-méthoxy-2-propanol sont utilisés dans les moteurs diesel lourds et autres moteurs industriels où les fuites de liquide de refroidissement dans le carter sont préoccupantes.

L’éthanediol ayant une faible volatilité, il a tendance à rester dans le carter, ce qui peut entraîner la formation de boues et de vernis et une usure accélérée des roulements. En revanche, le 1-méthoxy-2-propanol est plus volatil et est facilement expulsé, avec la vapeur d’eau, par le système de ventilation du carter.

Le 1-méthoxy-2-propanol maintient également des températures de métal plus basses que les liquides de refroidissement à base de glycol, ce qui était avantageux dans les moteurs rotatifs. Cependant, avec le déclin des moteurs rotatifs, cet avantage est devenu moins important sur le marché.

2. Propriétés physiques de l’antigel

Les mélanges antigel-eau gèlent et bouillent différemment de l’eau pure ou de l’antigel pur. Lorsque ces mélanges gèlent, l’eau cristallise en premier, ce qui rend le liquide restant plus concentré en antigel et abaisse son point de congélation. Il en résulte un mélange boueux qui peut résister à des températures plus froides que l’eau pure ou l’antigel pur.

Tableau 1 : Propriétés physiques de l'eau et de plusieurs composés antigel

Propriétés physiques de l'eau et de plusieurs composés antigel
Propriété Eau Méthanol 1,2-Éthanediol 1,2-propanediol 1-méthoxy-2-propanol
Masse molaire (g/mol) 18.02 32.04 62.07 76.09 90.1
Densité (g/cm3) 0,998 0,792 1.113 1.036 0,923
Point d'ébullition (0,1013 MPa), °C 100,0 64,7 197,5 187,4 120,1
Point de congélation, °C 0 -97,6 -12,6 -43,5 -96
Chaleur spécifique (20 °C), J g-1 K-1 4.17 2,495 2.357 2.481 2.426
Point d'éclair (coupelle ouverte), °C - 12 117 102 38
Viscosité (20 °C), mPa·s 1.0 0,57 20.1 56.2 1.81

Il est facile de calculer l’abaissement du point de congélation des mélanges antigel-eau qui ne sont pas très concentrés, mais il est plus difficile de calculer l’abaissement du point de congélation des mélanges antigel-eau qui le sont.

Pour estimer le point de congélation d’un mélange concentré d’antigel et d’eau, vous pouvez utiliser les données de mélanges d’eau et d’antigel qui ne contiennent pas d’inhibiteurs de corrosion. Cependant, pour obtenir le point de congélation le plus précis possible, vous devez effectuer une mesure pratique. La méthode de test standard ASTM D 1177 fournit une méthode pratique pour ce faire.

Les matériaux antigel affectent également le point d’ébullition de l’eau. Tous les antigels, à l’exception du méthanol, élèvent le point d’ébullition du mélange au-dessus du point d’ébullition de 100 °C de l’eau pure.

Le tableau 2 montre les points d’ébullition de plusieurs mélanges antigel-eau ne contenant pas d’inhibiteurs de corrosion.

Tableau 2. Points d'ébullition, °C, des mélanges d'eau et de divers antigels non inhibés (à 101,3 kPa)

Tableau 2 : Points d'ébullition, °C, des mélanges d'eau et de divers antigels non inhibés (à 101,3 kPa)

Antigel 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 %
Méthanol 91,7 86 82 79 76,5 74
Éthanediol 101 102 103 104,5 107 110
1,2-propanediol 101 101,5 102 102,5 104,5 107
1-méthoxy-2-propanol 100 100,5 101 102 102,5 103

Le méthanol est le seul antigel du tableau qui abaisse le point d’ébullition du mélange en dessous de celui de l’eau. Étant donné que les inhibiteurs de corrosion augmentent également le point d’ébullition de l’eau, vous devez utiliser la méthode d’essai standard ASTM D 1120 pour déterminer le point d’ébullition précis d’un mélange spécifique.

3. Inhibiteurs de corrosion dans les antigels

L’antigel est essentiel pour protéger les composants du moteur et les systèmes de refroidissement et de chauffage contre la corrosion. Cependant, les solutions antigel-eau peuvent être plus corrosives que l’eau seule. Par conséquent, des inhibiteurs de corrosion sont ajoutés aux formulations antigel. Ces inhibiteurs empêchent la corrosion et l’oxydation de l’éthylène glycol en dérivés corrosifs.

La corrosivité des solutions antigel-eau est influencée par le type de base antigel, les métaux utilisés dans le système, la nature des surfaces rejetant la chaleur, les températures de fonctionnement du système de refroidissement et la qualité de l’eau utilisée. Les anions provenant d’acides forts, tels que le chlorure ou le sulfate, peuvent augmenter la corrosivité de la solution.

Aux États-Unis, les formulations d’inhibiteurs de liquide de refroidissement sont généralement développées sans considération particulière pour la qualité de l’eau. Cela permet l’utilisation d’une large gamme de matériaux inorganiques, tels que l’orthophosphate, qui autrement ne pourraient pas être utilisés.

Les formulations à faible corrosivité sont obtenues en combinant l’éthanediol avec des inhibiteurs de divers groupes, notamment les phosphates, les benzoates, les sébacates, les borates, les nitrates, les nitrites, les silicates, les molybdates et les composés organiques comme les amines, les benzothiazoles, les benzotriazoles ou les imidazoles.

Les quantités spécifiques de ces inhibiteurs sont déterminées en fonction de l’expérience du formulateur pour garantir le niveau souhaité de protection contre la corrosion.

Par exemple, la spécification GM 6038-M de General Motors (dans le tableau 3) contient les inhibiteurs typiques que l’on trouve couramment dans la plupart des antigels produits aux États-Unis.

Tableau 3 : Spécifications de la composition de l'antigel, General Motors

Tableau 3 : Spécifications de la composition de l'antigel, General Motors
Composition GM 6038-M (pièces par poids) GM 6043-M (% en poids
Éthylène glycol 1115,5 95,5
NaNO3 2.5 0,1
Na2B4O7 · 5 H2O 11.5 0,4
Na2SiO3 · 5 H2O 1.9
Silicate de sodium liquide 0,3
Na2MoO4 · 2 H2O 0,2
Na3PO4 · 12 H2O 5.0
H3PO4 (solution à 85 % en poids) 0,15
NaOH 2.25 0,235
2-mercaptobenzothiazole de sodium (solution à 50 % en poids) 6.5 0,5
Tolyltriazole de sodium (solution à 50 % en poids) 0,2
Antimousse 0,5 0,05
Teint 0,05 0,005
Eau 2.3
Antigel de silicate 0,06

Tant en Europe qu’aux États-Unis, certains constructeurs automobiles limitent l’utilisation de matériaux susceptibles de réagir pour former des composés cancérigènes, tels que des combinaisons d’amines ou de nitrites.

En Europe, la compatibilité du liquide de refroidissement avec l’eau dure locale est une considération importante. Certains matériaux, comme l’orthophosphate et, dans certaines régions, le silicate, peuvent ne pas répondre à ce critère.

Comme alternative à l’orthophosphate, le benzoate est parfois utilisé. Les sels d’amine ne sont utilisés que dans des applications spécifiques où les spécifications n’ont pas été mises à jour pour incorporer des formulations améliorées.

Au Japon, les antigels inhibés sont similaires à ceux utilisés aux États-Unis, la triéthanolamine (tris(2-hydroxyéthyl)amine) étant fréquemment utilisée comme base neutralisante.

4. Production d’antigel

L’antigel est un mélange de fluides qui abaisse le point de congélation de l’eau. Le principal ingrédient de l’antigel est l’éthylène glycol, qui représente plus de 94 % du poids du produit. Les autres ingrédients comprennent des antioxydants, de l’eau et de petites quantités d’additifs pour empêcher la formation de mousse et donner de la couleur.

L’antigel est fabriqué selon un processus discontinu à l’aide d’un réservoir équipé d’un agitateur. Certains réservoirs sont également équipés de serpentins chauffants pour aider à dissoudre les additifs. Le réservoir est généralement en acier doux ou en résine renforcée de fibres de verre, car les réservoirs recouverts de caoutchouc ne sont pas compatibles avec l’éthanediol.

Les fabricants d’antigel peuvent ou non disposer de leurs propres installations de mélange. Dans de nombreux cas, les installations régionales proposent des services de mélange et de conditionnement sous contrat, ce qui est plus rentable pour la distribution.

5. Utilisations de l’antigel

L’antigel est principalement utilisé pour protéger les systèmes de refroidissement des véhicules contre le gel et la corrosion. Il est également utilisé dans les systèmes de refroidissement des moteurs stationnaires utilisés dans les pipelines de pétrole et de gaz naturel, ainsi que dans d’autres systèmes industriels qui nécessitent une protection contre le gel et la corrosion dans leurs systèmes de refroidissement et de chauffage.

L’antigel est utilisé car il abaisse le point de congélation de l’eau et augmente son point d’ébullition. Cela permet d’éviter que les équipements refroidis ou chauffés par liquide ne soient endommagés lorsqu’ils fonctionnent dans des environnements froids ou chauds.

Lors du choix d’un antigel, il est important de prendre en compte les facteurs suivants :

  1. Capacité calorifique du fluide
  2. Viscosité du fluide
  3. Matériaux utilisés dans la métallurgie du système
  4. Composants non métalliques dans le système
  5. Caractéristiques d’inflammabilité du fluide
  6. Profil de toxicité du fluide
  7. Autres considérations opérationnelles uniques

Voici quelques exemples précis de systèmes industriels utilisant de l’antigel :

  • Équipement de transformation des aliments
  • Équipement de fabrication pharmaceutique
  • Équipement de traitement chimique
  • Équipement de production d’énergie
  • Systèmes de réfrigération et de climatisation
  • Systèmes de chauffage
  • Systèmes d’énergie solaire
  • Éoliennes
  • Avion
  • Navires

6. Toxicité de l’antigel

La toxicité des antigels est préoccupante car ils sont largement utilisés dans de nombreuses applications différentes. La toxicité de l’antigel dépend de sa composition de base et des éventuels additifs ajoutés. Par exemple, les composés d’arsenic étaient autrefois utilisés comme anticorrosifs dans les antigels, ce qui les rendait très toxiques.

L’antigel à base d’éthylène glycol est le type d’antigel le plus courant. Il est relativement non toxique lorsqu’il est manipulé à l’extérieur, mais il peut être très toxique s’il est ingéré. La dose mortelle d’éthylène glycol pour les adultes est d’environ 100 ml.

L’inhalation de vapeurs d’éthylène glycol peut également être dangereuse, mais ce n’est pas un problème majeur à des températures ambiantes normales.

L’antigel à base de propylène glycol est beaucoup moins toxique que l’antigel à base d’éthylène glycol. La dose mortelle de propylène glycol pour les adultes est supérieure à 1 litre. Le propylène glycol n’est également pas irritant pour la peau et les yeux, et l’inhalation de ses vapeurs ne semble pas avoir d’effets toxiques.

Voici quelques conseils pour manipuler l’antigel en toute sécurité :

  • Portez des gants en caoutchouc lorsque vous manipulez de l’antigel ou des solutions antigel.
  • Portez des lunettes de sécurité, des écrans faciaux, des vêtements de protection et un équipement respiratoire à usage général lorsque vous travaillez avec de l’antigel.
  • Évitez d’ingérer de l’antigel. Si vous ingérez accidentellement de l’antigel, consultez immédiatement un médecin.
  • Évitez d’inhaler les brouillards ou les vapeurs d’éthylène glycol chaud.

Référence