Wege zum PFAS-Ersatz in reibungs- und verschleißbeanspruchten Systemen

Für PFAS-haltige Schmierstoffe und Dichtungen haben Wissenschaftler am Fraunhofer IWM in einem vom Land Baden-Württemberg geförderten Projekt und einem Fraunhofer-Projekt eine Substitutionskette entwickelt und erprobt. Damit können geeignete PFAS-freie Materiallösungen effizient identifiziert und bewertet werden.

"Die ich rief, die Geister, werd ich nun nicht los", ruft der Zauberlehrling im gleichnamigen Gedicht von Johann Wolfgang von Goethe aus dem Jahr 1797. In einem der großen technologisch-wissenschaftlichen Dilemmas unserer Zeit sind PFAS die Geister.

Sie sind extrem temperaturstabil und chemisch beständig und wir genießen ihre Vorzüge wie Haltbarkeit, Wasser-, Fett- und Schmutzabweisung in vielen Alltagsprodukten und insbesondere in hochbeanspruchten Materialien und Systemen. Beispiele sind Textilien, Kochgeschirr, Sportprodukte, Fahrzeuge, Pumpen, Antriebe, u.v.a.m. Viele Tausende per- and polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sind aufgrund ihrer molekularen Struktur und der geringen Oberflächenenergie der Schlüssel zu Performance und Zuverlässigkeit in technischen Systemen.

Andererseits sind die gesundheitlichen Gefahren von PFAS-Verbindungen offensichtlich: Durch ihre chemische Beständigkeit haben PFAS-Verbindungen eine sehr lange Lebensdauer und gelangen über die Umwelt in den menschlichen Körper, wo sie angereichert werden und die Entstehung von Krankheiten begünstigen können. Auf EU-Ebene wird an einer PFAS-Regulierung und an Verboten gearbeitet, die ab 2026 schrittweise in Kraft treten sollen.

Unabhängig vom Stand der Regulierung ist eine große Marktdynamik entstanden und in vielen Unternehmen wächst das Bewusstsein für die Thematik: In welchen Produkten ist PFAS enthalten? Wie verändern sich Lieferketten bei einem PFAS-Verzicht? Was bedeutet ein PFAS-Verzicht für die Produktkosten? Welche Investitionen in der Fertigung wären bei einer Umstellung nötig?

Ein Industriebereich von vielen, denen die PFAS-Problematik Sorgen bereitet, sind Hersteller von Pumpen, Getrieben, Führungen, Lagern - also Komponenten des klassischen Maschinenbaus. Dort sorgen PFAS-haltige Schmierstoffe für Energieeffizienz, PFAS-haltige Dichtringe trotzen hohen Betriebstemperaturen und gewährleisten die Funktionalität, PFAS-haltige Zuschlagstoffe in Kunststoffen sind verantwortlich für hohe Verschleißfestigkeit.

Führt man sich vor Augen, wie viele Schmierstoffe es gibt, wie viele Elastomere für Dichtungen und wie viele Kunststoffvarianten, wird schnell klar, dass es die eine optimale PFAS-freie Lösung nicht gibt. Eine Substitution muss den Kundenanforderungen, der wirtschaftlichen Herstellung, der Ausfallsicherheit und letztlich auch der wettbewerbsfähigen Kostenstruktur gerecht werden.

Hier hat das vom Land Baden-Württemberg geförderte Projekt PFASfrei angesetzt. Die Tribologie-Experten des Fraunhofer IWM in Freiburg haben darin eine Substitutionskette konzipiert, die es erlaubt, sich schrittweise, effizient und systemspezifisch PFAS-Ersatzlösungen zu nähern. Diese wurde exemplarisch am Anwendungsfall einer PFAS-freien Schmierung für ein Planetengetriebe erprobt.

Im Entwicklungsprojekt PureWaterSeal, gefördert von der Fraunhofer-Zukunftsstiftung, wurden PFAS-freie Elastomerdichtungen entwickelt und erprobt. Die Versuchsergebnisse aus der Bewertung von alternativen Materialkombinationen bilden eine digitale Wissensbasis, die dabei hilft, bei zukünftigen PFAS-Substitutionen Zeit und Geld zu sparen.

Werkstofftechnologisch spielt bei den Substitutionsansätzen die Kombination von Schmierstoffen mit reibungsmindernden Beschichtungen eine elementare Rolle. Um die Einbußen an Leistungsfähigkeit durch den PFAS-Wegfall zu kompensieren, wurden Beschichtungslösungen aus diamantähnlichem Kohlenstoff DLC entwickelt, variiert und in Kombination mit verschiedenen Schmierstoffen erprobt.

Im Fall der Elastomerdichtungen wurde der Mix aus Vorbehandlung des Dichtungsmaterials, der Haftfestigkeit der Schichten und der Verschleißfestigkeit optimiert. Für beide Anwendungsfälle - Schmierung von miniaturisierten Planetengetrieben und PFAS-freie Dichtringe - konnten attraktive Substitutionslösungen identifiziert und qualifiziert werden.

Im Gedicht von Goethe ist es der alte Meister, der die Geister bannt. Im Fall von PFAS scheidet diese Option aus. Die meisten tribologischen Systeme wie Lager, Dichtungen, Schmierstoffe sind aus wirtschaftlichen Gründen bis an ihre Belastungsgrenzen ausoptimiert, weshalb PFAS-Substitute Einzelfalllösungen sind, die eine individuelle Systembetrachtung erfordern. Die entwickelte Substitutionskette kann den Weg dahin erleichtern.

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM)