Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rheologische Charakterisierung von Ölen und Fetten zur Vorhersage des anwendungstechnischen Verhaltens bei tiefen Temperaturen

Die bisher eingesetzten Prüfverfahren zur Beurteilung der Eignung von Schmierölen und -fetten für tiefe Temperaturen lassen nur bedingt Rückschlüsse auf ihr Praxisverhalten unter Tieftemperaturbedingungen zu.

Ziel des Antrages ist die Entwicklung rheologischer Prüfverfahren zur Beurteilung des Praxisverhaltens von Schmierstoffen bei tiefen Temperaturen (bis -40°C). Die Verfahren sollen robust, aussagekräftig, in der industriellen Anwendungen praktikabel und auf unterschiedliche Öle und Schmierfette anwendbar sein.

Das Fließverhalten von Ölen und Fetten wird bei tiefen Temperaturen durch Strukturbildungsphänomene – Kristallisation, Verdickernetzwerke - bestimmt. Diese hängen stark von der Zusammensetzung (Grundöltyp, Verdicker, Additive etc.), aber auch von der thermisch-mechanischen Behandlung der Probe ab.

Zur Erarbeitung der Prüfverfahren muss daher der Einfluß der Formulierung ebenso untersucht werden wie der Einfluss der Mess- und Versuchsparameter und der Messgeräte selbst. Arbeiten zur Aufklärung der Strukturen in den Schmierstoffen erlauben Modellvorstellungen über die molekularen Ursachen für die Änderungen rheologischer Größen in Schmierstoffen zu entwickeln.

Zur Erreichen der anspruchsvollen Ziele ist es notwendig die Erfahrungen und Ausstattungen des Kompetenzzentrums für Analytik, Nano- und Materialtechnik (Prof. Jacob) TH Nürnberg und des Instituts für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (Prof. Willenbacher) am KIT zu bündeln. Dabei werden an der TH Nürnberg primär Fragen zum Einfluss der Formulierung und am KIT Fragen zur Aussagekraft rheologischer Größen und zur Strukturaufklärung behandelt.

Der Nutzen kleinerer und mittlerer Unternehmen ergibt sich aus der Tatsache, dass sie in der Regel nicht über die notwendigen Ressourcen und Detailkenntnisse verfügen, die im Forschungsantrag formulierten Ziele zu erreichen. Der konkrete Nutzen der angestrebten Forschungsergebnisse besteht in der Empfehlung und Bereitstellung erprobter rheologischer Prüfverfahren für eine praxisnahe Beurteilung des Fließverhaltens von Schmierölen und -fetten bei tiefen Temperaturen. Im Erfolgsfall können die Ergebnisse des Projektes (Entscheidungshilfe zur Auswahl geeigneter Schmierstoffe) unmittelbar genutzt werden. Vorteilhaft ist der unmittelbare Beitrag zur Erweiterung bestehenden Normen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Eignung von Schmierölen und –fetten für tiefe Temperaturen wird derzeit in der Industrie sehr häufig mit dem Pourpoint abgeschätzt. Er gibt bei schrittweiser Abkühlung an, bis zu welcher Temperatur Schmieröle gerade noch fließfähig sind. Der Pourpoint ist jedoch nur bei Schmierölen zugänglich und muss vom Grundöl auf das jeweilige Schmierfett übertragen werden, ohne die Ursache für das „Nicht-Fließen“ aufzudecken. „Nicht-Fließen“ von Schmierölen bei der Pourpoint-Bestimmung kann auf Kristallisation, Glasübergang oder eine stark erhöhte Viskosität zurückgeführt werden.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer robusten rheologischen Methode, die als Ergänzung zum Pourpoint, Änderungen im Fließverhalten von Schmierölen und im viskoelastischen Verhalten von Schmierfetten detektieren kann und die Ursache für das „Nicht-Fließen“ von Schmierölen und Versteifen von Schmierfetten zugänglich machen.

Das „Nicht-Fließen“ und Versteifen ist durch einen einfachen aber effektiven schubspannungsgesteuerten Temperatursweep in oszillatorischer Scherung mit marktüblichen Rheometern zugänglich. Der Temperatursweep ist im Vergleich zu anderen Messmethoden (z.B. DSC) sehr sensitiv bezüglich Kristallisation und Schmelzen von Schmierölen und –fetten und kann anhand der Temperatur, bei der 1000 Pa s erreicht wird, auch den Pourpoint von nicht-kristallisierenden Schmierölen bestimmen. Des Weiteren liefert er durch den Aufheizzyklus die robuste, da thermodynamisch kontrollierte, Schmelztemperatur, die im Gegensatz zur Kristallisationstemperatur in erster Näherung unabhängig von Scherung und Abkühlbedingungen ist.

Ergänzend zum Temperatursweep kann durch eine Korrelation zwischen der Walkpenetration und der Fließgrenze nach DIN 51810-2 die Konsistenz bzw. NLGI Klasse von Schmierfetten bei tiefen Temperaturen bestimmt werden. Hierzu ist lediglich die Messung der Fließgrenze bei der gewünschten Temperatur im Bereich zwischen 20 und -40 °C notwendig.