Entwicklung eines biopolymerbasierten Hydraulikfluides mit pflanzlichen Korrosionsschutzadditiven

 

In komplexen technischen Hydraulikanwendungen werden hohe Anforderungen an biologisch abbaubare Druckübertragungsmedien gestellt. Wasser als Grundfluid kann die Anforderungen in vielen Fällen nicht erfüllen. Neben der korrosiven Wirkung auf Metalle ist besonders die niedrige Viskosität von Nachteil. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, zum einen die ökologischen und ökonomischen Vorteile von Wasser in HFC-Medien durch eine Erhöhung des Wasseranteils zu verstärken und zum anderen soll die bisher auf Mineralöl basierende Additivierung durch Zusätze auf Pflanzenbasis ersetzt werden.

 
Nutzen Vorgehen
Entwicklung eines neuartigen, wasserhaltigen Druckmediums Erstellen des Anforderungsprofils für Hydraulikanwendungen
Gezielte Einstellung der Viskosität durch kohlenhydratbasierte Biopolymere Untersuchung der Stabilität von Biopolymerlösungen in einem Alterungsprüfstand
Fluidsystem aus nachwachsenden Rohstoffen (Grundmedium, Verdicker und Additive) Tribometer- und Verträglichkeitsuntersuchungen
Senkung der Entsorgungskosten von Hydraulikflüssigkeiten Anwendungstest im Wirkungsgradprüfstand

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Fluidanforderungen

Heutige Hydraulikfluide müssen einer Vielzahl von Gesetzen, technischen Normen und Zertifikaten genügen, um sich am Markt zu behaupten.

Eine umfassende Fluidentwicklung berücksichtigt die Bereiche Systemkompatibilität, Nachhaltigkeit und Effizienz. Unter Systemkompatibilität wird hier die chemische Wechselwirkung zwischen der Maschine und ihrem Hydraulikfluid verstanden. Beispiele sind Dichtungsverträglichkeit und Korrosionsschutz. Die Nachhaltigkeit betrachtet die Erzeugung sowie Entsorgung des Hydraulikfluides. Während der Begriff „umweltschonend“ nach DIN ISO 15380 nur die biologische Abbaubarkeit definiert, bezieht sich der Begriff „biobasiert“ nach DIN EN 16575 auf den Anteil an Biomasse im Rohmaterial.

Insbesondere die Fluide der Klasse HETG sind umweltverträglich und biobasiert. Nicht zuletzt aufgrund der 2013 in Kraft getretenen Vessel General Permit, die für alle Hoheitsgewässer der USA wasserlösliche, umweltverträgliche Schmierstoffe vorschreibt, geraten in letzter Zeit wieder vermehrt Hydraulikfluide der Klassen HEPG sowie HFC in den Fokus der Forschung. Hydraulikfluide der Klasse HFC sind wässrige Lösungen von Polymeren. HFC Fluide sind bisher aber weder biobasiert noch biologisch abbaubar im Sinne der Normen. Das zu entwickelnde Hydraulikfluid ist ebenfalls wasserbasiert und wird mit einem biobasierten polymeren Verdicker additiviert. Von daher ist eine Vergleichbarkeit am ehesten mit einem herkömmlichen HFC Medium gegeben. Die technischen Mindestanforderungen für ein HFC Hydraulikmedium sind in DIN EN ISO 12922 spezifiziert.

 

Fluidalterungsuntersuchung

CAD Modell eines Fluidalterungsprüfstands Urheberrecht: ifas CAD Modell des Alterungsprüfstands

Im Hinblick auf das zu entwickelnde polymerbasierte Fluid steht zunächst die Fragestellung nach der Polymerstabilität unter hydraulischen Lastkollektiven im Raum. Entsprechend der Aufgabenstellung des ersten Arbeitspaketes wurde hierfür am IFAS ein Fluidalterungsprüf-stand entwickelt. Der Prüfstand ist in Bild 1 dargestellt, welcher aus zwei Kreisläufen besteht. In jedem Kreislauf wird das Testfluid von zwei Pumpen durch ein Druckbegrenzungsventil (DBV) sowie eine Drossel gefördert. Der Druckabbau wird zweistufig ausgeführt, um in den Ventilen Kavitationsschäden zu vermeiden. Somit wird auf der Niederdruckseite des DBVs der statische Druck erhöht. Des Weiteren kann anschließend aus dem Druckabfall über der Drossel die Viskosität kontinuierlich während des Versuchsbetriebs abgeschätzt werden. Insbesondere in den DBVs sowie den Drosseln werden hohe Scherraten erreicht, die auf das Polymer wirken.

  Viskositäten über der Versuchszeit Urheberrecht: ifas Viskositäten über der Versuchszeit von Berufluid 46a sowie Hydrostar Red

Als Versuchsparameter wurden für beide Kreisläufe 160 bar bei 10 l/min sowie 30 °C Betriebstemperatur gewählt. Bild 2 zeigt oben die kinematische Viskosität des Berufluid 46a mit höherem Korrosionsschutzanteil sowie die des Hydrostar Red über einen Versuchszeitraum von 600 h. Innerhalb des Versuchszeitraumes ist bei beiden Fluiden ein geringer Viskositätsabfall zu erkennen. Im unteren Teil des Bildes wurde die Viskosität mit der Verdickerkonzentration in Grad Brix normiert, um die Viskositätsänderungen, die aus der Verdunstung des Wassers resultieren, zu berücksichtigen. Da auch die normierte Viskosität abfällt, wird von einer chemischen Veränderung des Verdickers durch die Scherbeanspruchung im Prüfstand gegenwärtig ausgegangen. Der Abfall der Viskosität im Berufluid 46a ist allerdings nicht signifikant gegenüber der des Hydro-star Red. Der polymere Verdicker im Berufluid 46a scheint den Belastungen in der Hydraulikanlage also in ähnlichem Maße standzuhalten wie ein Polyglycol (Hydrostar Red).

 

Kooperationsprojekt

Das Projekt wird zusammen mit dem Fraunhofer IVV bearbeitet, welches die Entwicklung eines pflanzenbasierten Korrosionsschutzadditivs übernimmt. Weiterhin wird durch die Firma Carl Bechem, im Rahmen des Projekts, die Versuchsmedienbereitstellung sowie die Formulierung und die Additivierung übernommen.

 

Veröffentlichungen

Otto, N.: „Experimentelle Untersuchung nachhaltiger Hydraulikfluide auf Ester- und Wasserbasis“, 2018, Dissertation