New Insights in Polymer-Biofuels Interaction

Avancées dans la compréhension des interactions polymères-biocarburants

¹ Arts et Métiers ParisTech, CNRS, PIMM UMR 8006, 151 bd de l’Hôpital, 75013 Paris – France
² IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison – France
e-mail: emmanuel.richaud@ensam.eu

^* Corresponding author

Abstract

This paper deals with polymer-fuel interaction focusing on specific effects of biofuels on polyethylene (PE) in automotive applications. The practical objective is to develop a predictable approach for durability of polyethylene tanks in contact of ethanol based or biofuel based fuels. In the case of ethanol, the main consequence on PE durability is a reduction of the rate of stabilizer extraction; this latter phenomenon can be modeled by first order kinetics with a rate constant that obeys the Arrhenius equation. Concerning biodiesels, the study was focused on soy and rapeseed methyl ester which were compared to methyl oleate and methyl linoleate used as model compounds. Here, PE-fuel interactions can be described as well as physical interaction, linked to the oil penetration into the polymer, as chemical interaction linked to an eventual co-oxidation of PE and oil. Both aspects were investigated. Concerning biofuel transport in PE, it appeared that the oil diffusivity depends only of temperature and oil molar mass. Some aspects of the temperature dependence of the oil solubility in PE are discussed. About chemical interaction between oil and PE, it was put in evidence that unsaturated fatty esters promote and accelerate PE oxidation. A co-oxidation kinetic model was proposed to describe this process.

Résumé

Cet article traite des interactions polymères-biocarburants et en particulier des effets des biocarburants sur le polyéthylène (PE) employé pour des applications automobiles. L’objectif est de développer un modèle prédictif pour la durée de vie des réservoirs en polyéthylène vieillissant au contact de carburants contenant de l’éthanol ou du biodiesel. La principale conséquence d’un vieillissement au contact d’éthanol est la diminution de la vitesse d’extraction des antioxydants du PE. La vitesse d’extraction obéit à une loi du premier ordre et sa constante de vitesse obéit à la loi d’Arrhenius. L’interaction entre le PE et les biodiesels a été étudiée au travers de systèmes réels (méthyl ester de soja et de colza) comparés à deux systèmes modèles (méthyl oléate et méthyl linoléate). Il en est principalement ressorti que l’interaction entre biodiesel et polyéthylène se décomposait en deux parties : une première liée au vieillissement physique dû à la pénétration du biodiesel dans le PE et l’autre à un vieillissement chimique au cours duquel polyéthylène et biodiesel s’oxydaient simultanément. L’étude du transport des méthyl esters dans le PE a révélé que la cinétique de diffusion ne dépendait que de la température et de la masse molaire du carburant. L’étude de l’interaction chimique a mis en évidence que les méthyl esters s’oxydent plus rapidement que le PE et contribuent à accélérer son oxydation. Un premier modèle de co-oxydation a été proposé pour rendre compte de ce phénomène.