Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Dauerhafte Reibungsminimierung von Kunststoffbauteilen durch den Einsatz Schmierstoff-gefüllter Mikrokapseln

Hohe Reibungskräfte sind eine der häufigsten Ursachen für Schadensfälle bei tribologisch beanspruchten Kunststoffbauteilen. Reibungsminderung, Verschleißschutz und damit letztlich auch die Senkung des Energieverbrauchs sind somit eine wesentliche Aufgabenstellung zur Verlängerung der Lebensdauer der eingesetzten Bauteile verbunden mit einer Schonung von Ressourcen. Die derzeit verfügbaren reibungsmindernden Additive beschränken sich überwiegend auf Trockenschmierstoffe. Demgegenüber bieten flüssige/pastöse Schmiermittel den Vorteil einer besseren Verteilung im Bedarfsfall. Sie können bisher jedoch ausschließlich durch externe Zugabe oder aufwändige Vorrichtungen dosiert werden.

Mikroverkapselte Flüssigschmierstoffe können wie Trockenschmierstoffe eingesetzt werden, wirken aber nach ihrer Freisetzung wie Öle. Im vorliegenden Forschungsvorhaben sollen mit Schmierstoffen gefüllte Mikrokapseln entwickelt und in Kunststoffe eingearbeitet werden. Bei mechanischer Beanspruchung werden die Schmierstoffe aus den Kapseln freigesetzt, so dass die Reibung minimiert werden kann.

Dazu werden zunächst die Verarbeitungsparameter zur Herstellung der Mikrokapseln optimiert. Im Folgenden ist die Einarbeitung der Kapseln in Kunststoff sowie dessen Verarbeitung zu untersuchen, da während Compoundierung/Spritzgießen idealerweise keine Schädigung der Mikrokapseln eintreten soll. Die Schmierwirkung der Mikrokapseln ist schließlich an geeigneten Probekörpern zu verifizieren.

Die Ergebnisse des Vorhabens erlauben den betroffenen Firmen sowohl die Entwicklung neuer als auch die Optimierung bestehender tribologisch beanspruchter Teile. Von den Resultaten profitieren vornehmlich Schmierstoffhersteller, Mikrokapselhersteller, jedoch auch kunststoffverarbeitende Unternehmen wie z.B. Spritzgießer im Bereich Lebensmittel- und Medizintechnik oder Automobilzulieferer sowie weitere Hersteller tribologisch beanspruchter Bauteile, die alle mit überwiegender Mehrheit zu den KMU gehören.

Ergebniszusammenfassung:

Die Projektergebnisse bestätigen, dass der Einsatz von mikroverkapselten Schmierstoffen in Kunststoffen grundsätzlich möglich ist und eine bedarfsgerechte Freisetzung des Schmierstoffes durch tribologische Beanspruchung erfolgt. Die Grundidee des Forschungsprojektes, durch Einbringung von Schmierstoff-gefüllten Mikrokapseln Kunststoffe mit selbstschmierenden Eigenschaften zu erhalten, wurde erfolgreich umgesetzt. Die Reibkoeffizienten und Verschleißvolumen konnten dabei um bis zu 87 % reduziert werden. Für die Mikroverkapselung der Schmierstoffe wurden technisch relevante Kapselprozesse auf der Basis von Melaminharz, Polyurethan/Polyharnstoff bzw. Gelatine/Gummi arabicum eingesetzt. Die mit Schmierstoff gefüllten Mikrokapseln konnten zerstörungsfrei in die Kunststoffmatrices Polypropylen und Polyoxymethylen eingearbeitet werden. Für die Anwendung in Kunststoffen mit höherer thermischer Beanspruchung wie Polyamid besteht weiterer Entwicklungsbedarf. Erste positive Ergebnisse mit PA-Mikrokapseln liegen vor. Alle Mikrokapsel-Compounds wurden erfolgreich im Spritzgießverfahren zu Zugstäben vom Typ 1A weiterverarbeitet. Zur Charakterisierung der Verbundwerkstoffe wurden neben mechanischen Prüfungen umfangreiche tribologische Messungen der einzelnen Materialien vorgenommen. Von den Forschungsergebnissen können (kurz- bis mittelfristig) zahlreiche Unternehmen profitieren, die überwiegend zu den KMU zählen. Das betrifft Schmierstoffhersteller, die höherwertige Produkte anbieten können. Für Verkapseler bietet sich mit mikroverkapselten Schmierölen ein neuer Markt an. Für Compoundeure, Spritzgießer und andere Unternehmen, die im Bereich der Kunststoffverarbeitung tätig sind, können mikroverkapselte flüssige Schmierstoffe ein hochwertiges Additiv darstellen, das zusätzliche intelligente Funktionen für Kunststoffbauteile erwarten lässt. Sowohl die entsprechende technische Ausstattung, als auch das Know-how für ein Scale-up sind in der Industrie bereits verfügbar.