Polymere in Schmierstoffen

Polymere in Schmierstoffen Erfahrungswerkstatt Fachwissen Polymerschmierstoffe - Fit für die Zukunft II 09. Juli 2014

Industrial Oils and Chemicals

Kompetenz seit über 60 Jahren mehr als 600 chemische Produkte

Produkte Abschreckmedien feuerresistente Hydraulikflüssigkeiten Industrieschmierstoffe Metallzerspanung und -umformung Korrosionsschutzmittel Reiniger Papierchemikalien

Töchter, Joint Ventures und Vertriebsgesellschaften weltweit Subsidiaries Joint Ventures Distributors Töchter Joint Ventures Vertriebsgesellschaften

Petrofer-Produkte werden weltweit in 12 Produktionsstätten hergestellt

Agenda Definition Polymere Biopolymere Polymere in Schmierstoffen Schmierstoffe & Effizienz Prozess-Schmierstoffe & Effizienz Fazit und Ausblick

Definition Polymere Polymere sind kettenförmige oder verzweigte chemische Verbindungen (Makromoleküle), die durch chemische Reaktion vieler gleichartiger oder verschiedener Untereinheiten (Monomere) entstanden sind. Polypropylen Homopolymere: aus [ ] n gleichartigen Monomeren. --CH 2 -CH-- CH 3 A A A A A A Monomere Copolymere: aus verschiedenen Monomeren. A B A B A B A B C A B C A B B B A A

Definition Polymere Beispiele Monomere Polypropylen [ ] n --CH 2 -CH-- CH 3 Homopolymere: A A A A A A Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyamid PA 6, Polyether, Polysiloxane, (Polyester) Copolymere: A B A B A B A B C A B C A B B B A A Polyester, Polyurethane, EPDM, Polyester, Polysiloxane

Definition Biopolymere Biopolymere sind Polymere, die in Zellen von Lebewesen (Tiere, Pflanzen, Mikroorganismen) entstanden sind (durch biochemische Synthese) Cellulose Stärke Beispiele: Proteine (Enzyme, Keratin; Monomere: Aminosäuren) Nucleinsäuren (DNA, RNA; Monomere: Nucleotide) Polysaccharide (Stärke, Cellulose, Chitin, Chitosan; Monomere: Mono- & Disaccharide)

Polymere in Schmierstoffen Schmierstofftypen Trockenschmierstoffe (Gleitlacke) Basisölfreie trockene Schmierstoffbeschichtungen Schmierfette/Pasten konsistente nichtwassermischbare Schmierstoffe (Pasten enthalten höhere Anteile an Festschmierstoffen) Schmieröle flüssige nichtwassermischbare Schmierstoffe Wassermischbare / wassergemischte Schmierstoffe wasserhaltige / wasserverdünnbare Schmierstofflösungen bzw. emulsionen

Wirkungsbereich von Schmierstoffen Warum gibt es unterschiedliche Schmierstofftypen? Ruhereibung Grenzreibung Stribeck-Kurve Reibungskoeffizient µ Mischreibung Flüssigkeitsreibung Relativgeschwindigkeit v bzw. Drehzahl n Spezialschmierstoffe Automotive Unterschiedliche Wirkungsbereiche! Einführung

Wirkungsbereich von Schmierstoffen Ruhereibung Grenzreibung Stribeck-Kurve Anwendungs -bereich der Trockenschmierstoffe (Gleitlacke) Reibungskoeffizient µ Mischreibung Flüssigkeitsreibung Relativgeschwindigkeit v bzw. Drehzahl n Spezialschmierstoffe Automotive Einführung

Wirkungsbereich von Schmierstoffen Ruhereibung Grenzreibung Stribeck-Kurve Anwendungsbereich der Schmierfette/ Pasten Reibungskoeffizient µ Mischreibung Flüssigkeitsreibung Relativgeschwindigkeit v bzw. Drehzahl n Spezialschmierstoffe Automotive Einführung

Wirkungsbereich von Schmierstoffen Anwendungsbereich der Schmieröle und Flüssigschmierstoffe Reibungskoeffizient µ Ruhereibung Mischreibung Grenzreibung Flüssigkeitsreibung Stribeck-Kurve Beispiel: Aquaplaning Relativgeschwindigkeit v bzw. Drehzahl n Spezialschmierstoffe Automotive Einführung

Polymere in Schmierstoffen Schmierstofftypen - Eigenschaften Produkt Reibungsminderung Hydrodynamik Reibungsminderung Mischreibung* Reibungsminderung Grenzreibung* Trockenschmierstoffe Pasten Fette Öle Wasserbasierte Schmierstoffe - - - ++ +/++ + ++ ++ +/o +/o ++ +/o +/- - - Wärmeabfuhr - - - ++ +++ Korrosionsschutz* o/+++ o/++ o/++ o/++ o/+ Barrierefunktion / Abdichtung - ++ ++ o - Transportfunktion - - - ++ ++ Schwingungsdämpfung* -/++ ++ ++ + - * Stark abhängig von der jeweiligen Formulierung

Polymere in Schmierstoffen Komponenten Basisöl Verdicker Komponente* Polare Additive / Friction Modifier (Reibwertminderer) EP- (Extreme Pressure) / AW-Additive (Anti-Wear) Festschmierstoffe Korrosionsschutzadditive Funktion Schmier-, Transport- & Kühleigenschaften, Wirkstoffträger Einstellung der Konsistenz / Viskosität Verbesserung der Schmierung im Grenz-& Mischreibungsgebiet durch Adsorption (Physisorption), Wirkung bei T < 200 C Leistungsverbesserung / Verschleißschutz im Grenz- & Mischreibungsgebiet durch Reaktionsschicht, Wirkung bei T > 200 C Leistung & Verschleißschutz bei Grenzreibung, Notlauf. Korrosionsschutz für Eisenmetalle Biostabile Inhaltsstoffe, Bakterizide, Fungizide Inhibitoren Anti-Schaumadditive Haftzusätze Begrenzen/verhindern Wachstum von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) Korr.-schutz für Buntmetalle, Aluminium, NE-Metalle Verringerung der Schaumneigung Verbesserung der Haftung an Oberflächen *: Je nach Schmierstofftyp sind nicht alle der genannten Komponenten in einer Formulierung enthalten

Rot unterlegt: Polymere werden nach heutigem Stand der Technik bereits eingesetzt Polymere in Schmierstoffen - Komponenten Basisöl Verdicker Komponente Polare Additive / Friction Modifier (Reibwertminderer) EP- (Extreme Pressure) / AW-Additive (Anti-Wear) Festschmierstoffe Korrosionsschutzadditive Biostabile Inhaltsstoffe, Bakterizide, Fungizide Inhibitoren Anti-Schaumadditive Haftzusätze Funktion Schmier-, Transport- & Kühleigenschaften, Wirkstoffträger Einstellung der Konsistenz / Viskosität Verbesserung der Schmierung im Grenz-& Mischreibungsgebiet durch Adsorption (Physisorption), Wirkung bei T < 200 C Leistungsverbesserung / Verschleißschutz im Grenz- & Mischreibungsgebiet durch Reaktionsschicht, Wirkung bei T > 200 C Leistung & Verschleißschutz bei Grenzreibung, Notlauf. Korrosionsschutz für Eisenmetalle Begrenzen/verhindern Wachstum von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) Korr.-schutz für Buntmetalle, Aluminium, NE-Metalle Verringerung der Schaumneigung Verbesserung der Haftung an Oberflächen

Polymere in Schmierstoffen - Komponenten Basisöl Verdicker Komponente Polare Additive / Friction Modifier (Reibwertminderer) EP- (Extreme Pressure) / AW-Additive (Anti-Wear) Festschmierstoffe Korrosionsschutzadditive Biostabile Inhaltsstoffe, Bakterizide, Fungizide Inhibitoren Anti-Schaumadditive Haftzusätze Polymer Polyalphaolefine, Polyglykole, Perfluorpolyether, Polyphenylether, Polysiloxane Polyharnstoffe, Teflon, Cellulose, Polyglykole, Polybuten Polyester, Polyglykole Teflon, Polyethylen, Polypropylen Polysiloxane Polybuten Rot unterlegt: Polymere werden nach heutigem Stand der Technik bereits eingesetzt

*: Je nach Schmierstofftyp sind nicht alle der genannten Komponenten in einer Formulierung enthalten Polymere in Schmierstoffen - Komponenten Komponente* Emulgatoren Lösevermittler Netzmittel Dispersants / Detergents Demulgatoren VI-Verbesserer Pourpoint-Verbesserer Anti-Nebel-Zusätze Alterungsschutz (Antioxidantien) Wasser Funktion Emulgierung des Basisöles in wasserbasierten Prod. Stabilisierung des Schmierstoff-Formulierung Verbesserung der Benetzung von Oberflächen Verbesserung des Schmutztrage- & Reinigungsvermögens Verbesserung des Wasser-Abscheidevermögens Verbesserung des Viskositäts-Temperatur-Verhaltens Verbesserung des Tieftemperaturverhaltens Verringerung der Aerosolbildung Verhinderung von Alterung, Oxidation, Verharzung Kühl- & Transporteigenschaften, Wirkstoffträger

Rot unterlegt: Polymere werden nach heutigem Stand der Technik bereits eingesetzt Polymere in Schmierstoffen - Komponenten Komponente Emulgatoren Lösevermittler Netzmittel Dispersants / Detergents Demulgatoren VI-Verbesserer Pourpoint-Verbesserer Anti-Nebel-Zusätze Alterungsschutz (Antioxidantien) Wasser Funktion Emulgierung des Basisöles in wasserbasierten Prod. Stabilisierung des Schmierstoff-Formulierung Verbesserung der Benetzung von Oberflächen Verbesserung des Schmutztrage- & Reinigungsvermögens Verbesserung des Wasser-Abscheidevermögens Verbesserung des Viskositäts-Temperatur-Verhaltens Verbesserung des Tieftemperaturverhaltens Verringerung der Aerosolbildung Verhinderung von Alterung, Oxidation, Verharzung Kühl- & Transporteigenschaften, Wirkstoffträger

Rot unterlegt: Polymere werden nach heutigem Stand der Technik bereits eingesetzt Polymere in Schmierstoffen - Komponenten Komponente Emulgatoren Polymer Lösevermittler Netzmittel Dispersants / Detergents Demulgatoren VI-Verbesserer Pourpoint-Verbesserer Anti-Nebel-Zusätze Polyether, Polybuten-Derivate Polyether Polymethacrylate Polymethacrylate Polybuten Alterungsschutz (Antioxidantien) Wasser

Schmierstoffe & Energieeffizienz PKW Primärenergiebedarf (10 Jahre, 150000 km, Dieselmotor, 66 kw) Gesamt: 113 MWh Rohstofferzeugung 12,6 % Produktion 9,2 % Schmierstoffeinflüsse Kraftstofferzeugung Nutzungsphase 70 % Quelle: Volkswagen AG Sachbilanz Golf A4

Schmierstoffe & Energieeffizienz PKW Primärenergiebedarf (10 Jahre, 150000 km, Dieselmotor, 66 kw) Schmierstoffeinflüsse Rohstofferzeugung 12,6 % Produktion 9,2 % Kraftstofferzeugung Nutzungsphase: Motoren-, Getriebeschmierung, Lebensdauerschmierstoffe für Lager, Antriebswellen, Fahrwerk & Nebenantriebe Reibungsminderung Verschleißminderung Lebensdauererhöhung Nutzungsphase 70 %

Schmierstoffe & Energieeffizienz Schmierstoffeinflüsse: Prozess-Schmierstoffe PKW Primärenergiebedarf (10 Jahre, 150000 km, Dieselmotor, 66 kw) Rohstofferzeugung & Produktion: Hydraulikmedien, Industrieschmierstoffe Kühlschmierstoffe zur Zerspanung und Umformung Reibungsminderung: verringerte Energieaufnahme Verschleißminderung: Maschinen & Anlagen Werkzeuge & Formen Lebensdauererhöhung Maschinen & Anlagen Werkzeuge & Formen Rohstofferzeugung 12,6 % Produktion 9,2 % Kraftstofferzeugung Nutzungsphase 70 % Prozess-Schmierstoffe Können Energie-, Anlagen- & Werkzeugkosten reduzieren

Prozess-Schmierstoffe & (Energie-)Effizienz Beispiel Hydraulikflüssigkeiten Im Einsatz: HLP, HLPD, HFA, HFC, HFD Reibungs- und Verschleißminderung durch Auswahl von Basisflüssigkeit und Additiven Beispiel HFC-Flüssigkeit (Wasser Glykol): schwerentflammbar 35 50 % Wasser 2 5 % Additive 35 50 % niedermolekulares Glykol 10 20 % polymerer Verdicker: Polyglykol CH CH 2 O CH 2 CH 2 O CH 3 n m n, m = 0, 1, 2...

Prozess-Schmierstoffe & (Energie-)Effizienz Beispiel Hydraulikflüssigkeiten Beispiel HFC-Flüssigkeit (Wasser Glykol) 70 60 50 40 30 20 10 0 Nachweis der Verschleißminderung im FZG-Test (DIN ISO 14635 1: Bestimmung der relativen Fresstragfähigkeit A /8,3/90 Start-Temperatur 60 C) Anteil des polymeren Verdickers beeinflusst Viskosität und Lasttragevermögen (Verschleißschutz) Verdicker < 15 % Verdicker > 15 % Viskosität 40 C [mm²/s] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Verdicker < 15 % Verdicker > 15 % bestandene Laststufe im FZG-Test

Prozess-Schmierstoffe & (Energie-)Effizienz Beispiel Hydraulikflüssigkeiten Biopolymere Beispiel HFC-Flüssigkeit (Wasser Glykol) Einsatz alternativer Verdickersysteme zu Polyglykolen möglich: Biopolymere: Cellulose etc. Forschungsprojekt gerade abgeschlossen (mit Uni BS) Abschlussbericht wird derzeit bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) eingereicht

Prozess-Schmierstoffe & (Energie-)Effizienz Beispiel wassermischbare Kühlschmierstoffe Steigerung der Bearbeitungsleistung durch polymere Additive Beispiel: mineralfreier KSS ( Vollsynthese ) Durch Additivierung mit Polyglykolen Höhere Schnittgeschwindigkeiten Höheres Zeitspanvolumen Effizientere Produktion CH CH 2 O CH 2 CH 2 O CH 3 n m n, m = 0, 1, 2...

Prozess-Schmierstoffe & (Energie-)Effizienz Beispiel wassermischbare Kühlschmierstoffe Steigerung der Bearbeitungsleistung durch polymere Additive Beispiel: mineralfreier KSS ( Vollsynthese ) Messung über den Reibverschleiß nach Reichert (spez. Flächendruck) 300 250 200 150 100 50 0 Reichert Reibverschleiß, 10 %ige Lösung Wasser ohne Polyglykol mit Polyglykol spezifischer Flächendruck [N/mm²]

Fazit und Ausblick Typische Probleme mit Polymeren Filtration: große Polymermoleküle werden leicht abfiltiert/adsorbiert Oft mangelnde Scherstabilität: Pumpen, Werkzeugschneide Thermische Stabilität: teils gut, teils schlecht Problem: feste lösliche Polymere in verdunstender Basisflüssigkeit = extrem harte klebrige Rückstände Biopolymer: biologischer Abbau! Polymer: Auswahl extrem wichtig!

Fazit und Ausblick Polymere werden seit vielen Jahrzehnten in Schmierstoffen eingesetzt erfüllen viele Funktionen in Schmierstoffen wirken oft verschleiss- und reibungsmindernd reduzieren dadurch Energie-, Werkzeug- und Wartungskosten zukünftig verstärkt eingesetzt

Fazit und Ausblick Polymere werden zukünftig verstärkt eingesetzt da die Rohölreserven zur Neige gehen (Wann?) weil die Raffinerietechnologie sich ändert: moderne Raffinerien sind auf Kraftstoffproduktion optimiert und produzieren kaum noch hochviskose Basisöle (z.b. für Industriegetriebeöle) Lösung: Ersatz durch Polymere als Basisöle (z. b. Polyalphaolefine: Preis!) Oder den Einsatz von Polymeren als Verdicker in dünnflüssigen Mineralölen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Polymere in Schmierstoffen Erfahrungswerkstatt Fachwissen Polymerschmierstoffe - Fit für die Zukunft II 09. Juli 2014