Schmiermittel Schmierstoffgefüllte Mikrokapseln senken Reibung um bis zu 70 Prozent

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Nahezu ein Viertel des weltweiten Energieverbrauchs werden allein auf Reibungsverluste zurückgeführt. Verbesserte Schmierstofflösungen können den Energieverbrauch deutlich reduzieren. Eine Alternative ist jetzt bei den Finalisten für den Otto von Guericke-Preis.

Dr. Alexandra Latnikova vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP im Potsdam Science Park und Moritz Grünewald vom SKZ - Das Kunststoff-Zentrum in Würzburg haben schmierstoffgefüllte Mikrokapseln entwickelt, die bei hohen Temperaturen in Kunststoffe eingearbeitet werden können. So entstehen selbstschmierende Verbundmaterialien, die besonders langlebig sind.

Die Forschenden gehören zu den drei Finalistenteams für den Otto von Guericke-Preis 2023. Die Ergebnisse ihres Forschungsprojektes mit dem Titel „Tribologisch wirksame Pseudofeststoffe für mechanische und thermisch hoch belastete Thermoplastbauteile“ ermöglichen einen Verschleißrückgang von bis zu 85 Prozent beispielsweise bei Kunststoff-Stahl-Paarungen.

Gesundheits- und umweltschädliche Stoffe ersetzt

Durch starke Reibungskräfte, die einen erhöhten Energieverbrauch und erheblichen Verschleiß verursachen, können unter anderem Zahnräder in elektronischen Bauteilen verfrüht ausfallen. Eine externe Schmierung durch Öl ist hier schlicht nicht möglich. Stattdessen werden derartige Produkte mit Polytetraflourethylen (PTFE), besser bekannt als Teflon, modifiziert. PTFE gehört zur sogenannten Gruppe der per- und polyflourierte Chemikalien (PFAS), die als besonders gesundheits- und umweltschädlich gelten.

Schmierstoffe

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Eine Alternative zur Herstellung von selbstschmierenden Verbundwerkstoffen sind Schmierstoffmikrokapseln. „Dabei handelt es sich um winzige, 5 bis 50 Mikrometer große Öltröpfchen, die mit einer sehr dünnen Polymerschale umhüllt sind. Von Reibung und Verschleiß beeinflusst, brechen die Kapseln auf und setzen Schmierstoff frei. So entsteht ein selbstschmierendes System“, erklärt Latnikova. Die Kapselwände müssen bei der Einarbeitung in den Kunststoff sehr hohe Temperaturen überstehen, ohne sich zu öffnen. Um Bauteile mit hohen mechanischen und thermischen Eigenschaften zu erhalten, wurden verschiedene technische Kunststoffe sowie eine zusätzliche Faserverstärkung untersucht. Forschungsziel war die Entwicklung besonders langlebiger und energiesparender Kunststoffe.

Potenzial für zahlreiche weitere Anwendungen

Das Prinzip der Mikroverkapselung hat viel Potenzial für zahlreiche weitere Anwendungen, wie zum Beispiel selbstheilende Bauteile oder Materialien. Das bedeutet, die Materialien sind in der Lage, sich selbst zu reparieren, nachdem sie beschädigt oder Umweltbelastungen ausgesetzt wurden.

Grünewald hebt hervor: „Mit unseren schmierstoffgefüllten Mikrokapseln können wir Kunststoffbauteile herstellen, die über eine hohe Energie- und Ressourceneffizienz verfügen. Gleichzeitig verzichten wir vollständig auf das problematische PTFE/PFAS und erzeugen weniger Mikroplastik.“ Diese Schmierstoffmikrokapseln können, laut den beiden Forschenden, in technische Kunststoffe bei bis zu 260 Grad eingearbeitet werden. Damit wären sogar Metallbauteile ersetzbar. Infolge dieser Forschungsergebnisse wurden Verfahrensparameter für den Industriemaßstab abgeleitet.

Ermöglicht Kunststoffbauteile mit bisher unerreichten Reibwerten

Innerhalb von Projekten der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) arbeiten Wissenschaft und Wirtschaft immer zusammen. Mittelständische Unternehmerinnen und Unternehmer bringen ihre langjährige Expertise aus der Praxis ein und sind ein Garant für anwendungsnahe und vor allem bedarfsgerechte Forschung. Jürgen Zöh, Geschäftsführer der HESA Kunststofftechnik GmbH & Co. KG, erklärt: „Als Hersteller von Kunststoffbauteilen für die Medizin- und Antriebstechnik, den Maschinenbau und Automotiv-Bereich haben wir das IGF-Projekt mit großem Interesse begleitet. Das Compound mit seinen selbstschmierenden Eigenschaften ermöglicht Kunststoffbauteile mit bisher unerreichten Reibwerten und Lebensdauern.“ Der mittelständische Unternehmer sieht damit einen klaren Marktvorteil gegenüber Wettbewerbern aus Fernost.

Etwa 70 Prozent weniger Reibung und 85 Prozent weniger Verschleiß mithilfe solcher Produkte sind gewaltige Verbesserungen. Professor Martin Bastian, Geschäftsführer der Fördergemeinschaft für das Süddeutsche Kunststoff-Zentrum e.V. – FSKZ beschreibt diese Zahlen so: „In der Wissenschaft reden wir von Sprunginnovationen. Solche Sprunginnovationen braucht die Wirtschaft, braucht der Mittelstand.“ Sie führten dazu, dass Energiekrisen oder auch die Klimakrise bewältigt werden können. „Dieses Projekt ist also ein Paradebeispiel für vorwettbewerbliche Forschung, die echten Nutzen in unserer Gesellschaft stiftet“, würdigt er das Engagement des ausgezeichneten Forschungsteams.

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