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Praxisnahe Erprobung von Pflanzenölen und Condition Monitoring

Kontext

Biologisch schnell abbaubare Hydrauliköle (HE-Fluide) sind inzwischen seit etwa den 1990er Jahren auf dem Markt vertreten. Bis auf einige spezielle Anwendungsfälle konnten sie sich jedoch trotz deutlicher ökologischer sowie ökotoxikologischer Vorteile noch nicht durchsetzen.

Die Ursachen hierfür sind zum einen in den Fluiden selbst zu suchen. Während anfänglich insbesondere die technischen Eigenschaften der Fluide ungünstiger als bei den bisher genutzten Fluiden waren, ist derzeit ein Hauptnachteil der deutlich höhere Preis der HE-Fluide. Eine andere Ursache ist die Unsicherheit des Anwenders hinsichtlich der tatsächlichen Leistungsfähigkeit der HE-Fluide und demzufolge deren Eignung für die unterschiedlichen Anwendungsfälle. Das Leistungsspektrum käuflicher HE-Fluide erstreckt sich von einfachen unmodifizierten Produkten bis hin zu vollsynthetischen Derivaten mit herausragenden Eigenschaften, wobei die Unterschiede für den Anwender ohne chemischen Hintergrund oftmals nicht zu durchschauen sind.



Ziele

Um den Einsatz von HE-Fluiden zu verstärken muß ein Schwerpunkt auf der Optimierung der Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von Hydraulikölen auf Basis nachwachsender Rohstoffe liegen. Gleichzeitig müssen diese Produkte aber auch weiterhin den Anforderungen hinsichtlich der technischen Eigenschaften genügen. Im Rahmen des durch die Fachagentur nachwachsende Rohstoffe (FNR) geförderten Projektes "Verbesserung des Eigenschaftprofils heimischer Pflanzenöle als Rohstoffe für Schmier- und Druckübertragungsmedien" wurde dieses durch die gezielte, kostengünstige und effiziente chemische Modifikation von Raps- und Sonnenblumenöl sowie davon abgeleiteter Ester geschehen. Beteiligt an diesem Forschungsvorhaben waren zwei Hochschulgruppen, der Fachbereich Chemie der Bergischen Universität Wuppertal und das Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen, sowie die Firma Fuchs Petrolub AG als Industriepartner.

Projektpartner
Bild 1: Projektpartner

Eine andere Möglichkeit die Akzeptanz von HE-Fluiden zu erhöhen besteht darin, dem Anwender kontinuierlich mit Hilfe eines Online-Sensors Auskunft über den Gebrauchszustand seines Hydrauliköles zu geben. Hierdurch kann der Anwender die Leistungsfähigkeit seines HE-Fluides objektiv einschätzen und darüber hinaus das Öl bis an seine tatsächliche Lebensdauergrenze hin einsetzen. Zudem können durch einen kontinuierlich arbeitenden Öl-Zustandssensor insbesondere spontane Ölverschlechterungen rechtzeitig erkannt werden, was teure Maschinenschäden vermeidet. Einen derartigen Zustandssensor für Druckmedien zu entwickeln war ein weiterer Schwerpunkt im Rahmen des oben beschriebenen Forschungsvorhabens (beide Teilvorhaben ergänzen sich).



Methoden

Ausgangsbasis zur Herstellung kostengünstiger und qualitativ hochwertiger Fluide ist die Synthetisierung dieser Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen im Labormaßstab. Zwei im Rahmen dieses Forschungsvorhabens eingesetzte Methoden zur kostengünstigen Herstellung technisch hochwertiger HE-Fluide waren die Umesterung auf hydrosyseunempfindlichere Alkohole sowie die Selektivhydrierung mehrfach ungesättigter Carbonsäuren.

Anwendungstechnisch brauchbare HE-Fluide setzen zudem Oxidationsunempfindlichkeit voraus. Eine erste Beurteilung der synthetisierten Basisflüssigkeit geschieht mit Hilfe von Screeningtests (z.B. RANCIMAT) und anhand einfacher Laboranalysen.

Nach positiven Screeningtests, wurden die Basisflüssigkeiten in größeren Mengen bei der Firma Fuchs Petrolub hergestellt. Für die Selektivhydrierung von Ölen wurde hierfür beim Projektpartner Fuchs Petrolub eine spezielle Hydrieranlage im Technikumsmaßstab aufgebaut.

Ausgehend von diesen größeren Mengen wurden weitergehende Screeningtest (ROBOT) an den Basisflüssigkeiten sowie an additivierten Formulierungen durchgeführt um die Leistungsfähigkeit der Druckflüssigkeit beurteilen zu können. Des Weiteren wurden die Flüssigkeit auf ihre Abbaubarkeit (CEC Abbaubarkeitstest) und Okotoxizität (OECD Tests) untersucht.

Ein weiterer wichtiger Punkt für die Charakterisierung der fertigen Formulierung ist die Untersuchung deren Leistungsfähigkeit unter möglichst praxisnahen Bedingungen. Hierfür wurde am IFAS ein spezieller Kurzzeitalterungsprüfstand aufgebaut, der zum einen hinsichtlich der auftretenden Belastungsarten einer herkömmlichen Hydraulikanlage entspricht, in dem aber zum anderen das Öl verschärften Bedingungen hinsichtlich Druck, Temperatur und Umwälzrate gealtert wird, um somit die Versuchszeit in einem vertretbaren Rahmen zu halten. Aufgrund der Vielschichtigkeit von Druckflüssigkeiten und deren Alterung ist die Konzentration auf lediglich einen Parameter bei der Charakterisierung des Gebrauchszustandes nicht unbedingt ausreichend. Der Ansatz war daher, mehrere auf einfache Weise und kostengünstig zu erfassende Ölalterungskenngrößen gleichzeitig zu messen und auf dieser Basis mit Hilfe eines geeigneten mathematischen Verfahrens (multivariate Datenanalyse) eine Aussage über den Ölzustand zu erhalten. Das Schema der Ölbewertung, von der Signalerfassung bis zur Klassifikation des Ölzustandes, ist in Bild 2 gezeigt.

Schema der Ölbewertung
Bild 2: Schema der Ölbewertung

Im Rahmen dieses Projektes wurde bewusst ein sehr weitgefächerter Ansatz verfolgt indem die verschiedensten physikalischen und chemischen Kenngrößen auf ihre Änderung bei Ölalterung untersucht wurden. Verschiedene Kenngrößen, die zur Beurteilung des Ölzustandes herangezogen werden können, sind in Bild 3 aufgezeigt.

Kenngrößen
Bild 3: Kenngrößen

Ergebnisse

Ein erster Schwerpunkt bei der Entwicklung des Öl-Zustandssensors wurde auf die Bestimmung der Viskosität als wichtige Kenngröße gelegt. Am IFAS wurde ein Kapillarviskosimeter enwickelt, mit dem die Bestimmung der Viskosität auf Druckmessungen an Strömungswiderständen zurückgeführt werden kann.

Ein weiteres Interesse galt piezoelektrisch arbeitenden akustischen Sensoren, sogenannten Oberflächenwellensensoren, mit denen es ebenfalls möglich ist, die Fluidviskosität zu bestimmen. Ein Beitrag zur Bewertung des Ölzustandes wurde ferner mit der Messung dielektrischer Öleigenschaften gewonnen. Um eine Aussage über die Änderung der (statischen) dielektrischen Ölkennwerte zu treffen wurden verschiedene Basisöle mit und ohne Additivierung in verschiedenen Alterungsstufen und unter verschiedenen Temperaturen vermessen.

In der chemischen Analytik als Standardverfahren eingesetzt, können spektrometrische Untersuchungen auch bei der Charakterisierung des Ölzustandes ein wertvolles Hilfsmittel sein. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden von gealterten Ölen Transmissionsmessungen im IR durchgeführt. Darüber hinaus wurden die Öle aber auch im sichtbaren und NIR Spektralbereich untersucht, da dieser besser zu handhaben ist und besser für einen Onlinesensor geeignet ist als Messungen im IR.

Ein erfolgreich umgesetzter Ansatz zur Charakterisierung des Gebrauchszustandes von Ölen ist der Einsatz einer sogenannten "Elektronischen Nase". Öle verändern bei Ihrer Alterung nicht nur ihre physikalischen Eigenschaften, sondern sie ändern auch in markanter Weise Ihren Geruch. Diese Geruchsänderung ist Resultat der unter anderem bei chemischen Alterungsreaktion entstehenden flüchtigen Bestandteile (kurzkettige Säuren, Aldehyde, Ketone). E-Nasen detektieren, ähnlich der menschlichen Nase, nicht nur einen spezifischen Stoff, sondern eine Matrix verschiedener Stoffe. Durch die Anwendung intelligenter Mustererkennung kann dann aus der Summe der flüchtigen Stoffe ein charakteristischer Geruch erkannt werden. Untersuchungen haben eine gute Korrelation zwischen dem Ergebnis der E-Nase und dem im Labor ermittelten Alterungszustand der Öle, unabhängig von der Art des untersuchten Öles, aufgezeigt. Die Integration der E-Nase in einen Tank einer hydraulischen Anlage zeigte die Eignung dieser Technik für einen Onlinesensor auf.

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