Leistungs- und Lebensdauersteigerung von Kunststoff/Metall-Tribosystemen durch tribologisch induzierte Stoffumwandlungsprozesse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alois K. Schlarb
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406233144

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Getrieben durch nötige CO2-, Energie- und Kosteneinsparungen finden Kunststoffe vermehrt Anwendung als Primärkomponenten in tribologischen Systemen, z.B. in Lager- und Führungselementen im Automobil- und Maschinenbau sowie der Medizintechnik. Der Trend zeichnet sich durch stete Forschung und Entwicklung hinsichtlich der Effektivität unterschiedlicher Materialkombinationen zur Reduktion von Reibung und Verschleiß aus, wobei die reibinduzierte Wärme zu den größten Herausforderungen zählt. Insbesondere bei variablen Lastbedingungen sowie beim Einsatz technischer Thermoplaste wirkt sich die Kontakttemperatur negativ auf die Leistungsfähigkeit des Systems aus. Hieraus folgen stark variierende Eigenschaften, die das System beeinträchtigen und im ungünstigsten Fall zum Versagen treiben können. Die gezielte Nutzung chemischer Umwandlungsprozesse durch Einbringung reaktiver Füllstoffe wie Magnesiumhydroxid Mg(OH)2 verspricht jedoch Abhilfe. Neben dem Einfluss dieses Füllstoffes auf die werkstofflichen Eigenschaften verschiedener Polyamide beleuchtete das Vorhaben durch umfassende tribologische und oberflächenanalytische Methoden dessen grundlegende Wirkmechanismen. So konnte bei zwei von vier Matrixsystemen eine durch Reibungswärme induzierte chemische Umwandlung von Mg(OH)2 zu MgO und H2O bestätigt werden, die jedoch eine Schwachstelle im niedrigen Lastbereich aufgrund eines kurzzeitig ungünstigen Zusammenspiels tribochemischer und abrasiver Effekte hervorruft. Im Vergleich zu ungefüllten Referenzen und zwei Kontrollmaterialien wird insgesamt eine deutliche und über ein großes Lastspektrum stabile Leistungssteigerung erreicht, wobei neben dem Kühleffekt durch die endotherme Umwandlung die Wirkung der Reaktionspartikel durch das Verhindern von Schäden an den integrierten Fasern sowie durch einen Vernarbungseffekt hervorsticht. Die Füllstoffreaktion wird über den äußeren Energieeintrag lokal aktiviert und reguliert — d.h. mit steigender/sinkender Last steigt/sinkt der chemische Reaktionsumsatz und damit die Stärke der Effekte — was zu einem konstanten Verhalten über einen großen Lastbereich führt. Der Werkstoff erhält dadurch die inhärente Fähigkeit, selbsttätig auf Änderungen in den Umgebungsbedingungen zu reagieren und die Reibungs- und Verschleißmechanismen entsprechend anzupassen. Auf Basis der umfassenden Beschreibung der tribologischen Wirkung konnten weitere Compounds entworfen werden. Hierdurch zeigte sich, dass die Kombination von aktiven (Mg(OH)2) und passiven (konventionellen) Füllstoffen die Reibungs- und Verschleißkenngrößen auf ein Niveau mit einem handelsüblichen PAEK-basierten Hochleistungs-Tribowerkstoff bringen kann. Die Nutzung von Stoffen wie Magnesiumhydroxid stellt einen neuen Ansatz für die Polymertribologie dar und kann intelligente Werkstoffe hervorbringen, die durch lastabhängige Beeinflussung des tribologischen Kontakts dynamisch auf veränderliche Umgebungsbedingungen reagieren und die Leistungsfähigkeit technischer Kunststoffe insgesamt drastisch steigern. Auf Basis der Projektergebnisse war es uns möglich, ein durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand gefördertes Transferprojekt einzuwerben, in dem wir im Verbund mit zwei Industrieunternehmen das Konzept im industriellen Maßstab am Beispiel eines Gleitlagers hochskalieren wollen. Darüber hinaus haben wir einem Industrieunternehmen zwei aus dem Projekt entsprungene Compounds bereitgestellt, die dort in einem Maschinenelement im Vergleich zu einem Verkaufsprodukt bewertet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Locally induced chemical conversion processes — A means to control tribological properties of polymer composites?. Composites Science and Technology, 175, 69-76.
  Kamerling, Sebastian & Schlarb, Alois K.
  
• Wärmeinduzierte Stoffumwandlungsprozesse: Eine Möglichkeit zur Leistungssteigerung von Tribopolymeren im Metallkontakt? 60. Tribologie- Fachtagung, Göttingen, 24. September 2019.
  Kamerling, S. & Schlarb, A.K.
  
• DE 10 2015 012 239, Tribologisch optimierter Verbundwerkstoff auf Kunststoffbasis und dessen Verwendung als Gleitlagerwerkstoff. Technische Universität Kaiserslautern, 2020.
  Schlarb, A.K. & Kamerling, S.
  
• Leistungssteigerung von Kunststoff/Metall-Tribosystemen durch wärmeinduzierte Stoffumwandlungsprozesse. Tribologie und Schmierungstechnik 67(2), S. 37-42.
  Kamerling, S. & Schlarb, A.K.
  
• Magnesium hydroxide — A new lever for increasing the performance and reliability of PA66/steel tribosystems. Tribology International, 147, 106271.
  Kamerling, Sebastian & Schlarb, Alois K.
  
• Mg(OH)2 als neuer triboaktiver Füllstoff — Einfluss des Füllstoffgehalts auf die Leistungsfähigkeit von Polyamid 66 und 46 basierten Compounds. 61. Tribologie-Fachtagung, online, 30. September 2020.
  Kamerling, S. & Schlarb, A.K.
  
• Gezielte Nutzung der chemischen Umwandlung von Magnesiumhydroxid - ein neuer Ansatz für die Polymertribologie. Dissertation, Technische Universität Kaiserslautern
  Kamerling, S.