Entwicklung eines wasserbasierten Getriebe-Schmierstoffs

Vor allem in umweltkritischen Getriebe-Anwendungen wie beispielsweise bei Unterwassergetrieben von Schiffspropellern oder im Bereich der Land- und Forstwirtschaft werden ökologisch unbedenkliche und biologisch schnell abbaubare Schmierstoffsysteme benötigt. Konventionelle Schmierstoffsysteme für Getriebeanwendungen basieren in der Regel auf Mineralöl, welches bei versehentlichem Umwelteintrag durch seine schlechte Bioabbaubarkeit zu einer relevanten Belastung von Boden und Wasser führt. Hinzu kommen eine hohe Brandgefahr, unsichere und unsaubere Arbeitsbedingungen sowie hohe Anschaffungs- und Entsorgungskosten.

Wasser als Basismedium für Schmierstoffsysteme

Gesamtziel, des von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten, Forschungs- und Entwicklungsprojekts »Polymeres Getriebefluid« ist die Entwicklung eines nachhaltigen, wasserbasierten Getriebeschmiermittels, dessen Eigenschaften den speziellen Anforderungen von Zahnradgetrieben entsprechen. Im Gegensatz zu den üblicherweise eingesetzten Mineralölen als Schmierstoffbasis ist Wasser kostengünstig, ökotoxikologisch unbedenklich, nicht brennbar und gut verfügbar. Allerdings ist reines Wasser aufgrund seiner geringen Viskosität und unzureichenden Schmierfähigkeit als Schmierstoff ungeeignet.

Einstellung der Viskosität durch modifizierte Biopolymere

Um die notwendigen Schmiereigenschaften zu erhalten werden Biopolymere auf Kohlenhydratbasis als Verdickungsmittel eingesetzt. Die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenen Polymere überzeugen durch hervorragende viskositätssteigernde Eigenschaften und eine hohe mikrobiologische Stabilität.

Am Fraunhofer IVV werden im Rahmen des Projektes verschiedene Wasser-Biopolymerlösungen auf ihre physikalischen und mikrobiologischen Stabilitäten sowie rheologischen und tribologischen Eigenschaften untersucht. Darüber hinaus erfordern die hohen Spitzentemperaturen und Belastungen in Getrieben eine Erforschung der mechanisch-thermischen Eigenschaften der polymeren Fluide.

Aus früheren Forschungsprojekten verfügt das Fraunhofer IVV über langjährige Erfahrung in der Entwicklung wasserbasierter Schmierstoffe. So wurde das Institut für die Entwicklung eines marktgängigen Kühlschmierstoffs mit dem »Deutschen Rohstoffeffizienzpreis« sowie dem »Joseph-von-Fraunhofer-Preis« (2012) ausgezeichnet.

Sekundäre Pflanzenstoffe als biogene Verschleißschutzadditive

Schmierstoffe enthalten in der Regel eine Vielfalt an Additiven um den besonderen Anforderungen der jeweiligen Anwendung gerecht zu werden. Im Bereich Getriebeschmierstoff spielt vor allem der auftretende Verschleiß eine wesentliche Rolle, weshalb Verschleißschutzadditive zugesetzt werden, die sich mit der Metalloberfläche zu einem schützenden Film verbinden. Sekundäre Pflanzenstoffe (SPS), welche aufgrund ihrer Molekülstruktur eine protektive Metall-Interaktion aufbauen können, bilden im Projekt die Basis für die Additiv-Entwicklung. Hierzu werden mittels extraktiver Verfahren SPS-reiche Pflanzenextrakte aus Roh- und Reststoffen der Lebensmittel- und Agrarindustrie gewonnen, und hinsichtlich ihrer Eignung als Verschleißschutzadditiv in wasserbasierten Getriebemedien charakterisiert. Vor allem die schwefelhaltigen Glucosinolate, aber auch phenolische und alkaloide Verbindungen stehen dabei im Fokus der Untersuchungen.

Wissenschaftler optimieren die Eigenschaften sekundärer Pflanzenstoffe

Am Fraunhofer IVV werden hierzu effiziente Extraktions- und Aufreinigungsverfahren zur Gewinnung der relevanten Zielmoleküle aus unterschiedlichen Rohstoffen entwickelt. Die gewonnenen Pflanzenextrakte und darin enthaltene sekundäre Pflanzenstoffe werden hinsichtlich ihrer verschleißmindernden Wirkung untersucht. Die Identifizierung von synergistischen Effekten zwischen einzelnen Stoffgruppen, die Bestimmung von Wechselwirkungen zwischen Additiven und den eingesetzten Biopolymeren, die Stabilisierung der Pflanzenextrakte im Basismedium und die Ermittlung des Langzeitverhaltens unter praxisnahen Bedingungen sollen die Additiventwicklung vervollständigen.

Im letzten Teil des Projektes soll das entwickelte Schmiermittel anhand von systematischen Untersuchungen validiert und seine Eignung für bestimmte Getriebeanwendungen nachgewiesen werden.