Projektanslag

Jonvätskor – grunden för framtidens högpresterande och miljövänliga smörjmedel

Smörjmedel behövs i alla mekaniska system, bland annat för att få ut den maximala effekten och livslängden hos komponenter. Professor Sergei Glavatskih leder ett projekt där man studerar hur jonvätskor kan förbättra och ersätta nuvarande smörjmedel.

Dagens smörjmedel består oftast av mineraloljor. Försök med vegetabiliska oljor och syntetiska estrar har gjorts för att göra smörjmedlen både mer miljövänliga och högpresterande men problemen har varit stora.

Det är inte bara miljö- och prestationskrav som driver på behovet av nya smörjmedel.

– I jakten på starkare och samtidigt lättare komponenter i maskiner och bilar framställs nya material som fungerar dåligt, eller inte alls, med traditionella smörjmedel. Till skillnad från vanliga smörjmedel fungerar jonvätskebaserade smörjmedel även på icke-järnhaltiga material, förklarar Sergei Glavatskih, professor i maskinelement vid KTH.

Jonvätskebaserade smörjmedel kan öka livslängden hos maskinkomponenterna, minska energiåtgången, fungera med nya material samt skona miljön.
Men att framställa effektiva smörjmedel är ett avancerat pusslande. Man måste till exempel ta hänsyn till en rad olika förhållanden och egenskaper som hastighet, belastning, värme, viskositet - vätskans tjockhet- och elektrisk ledningsförmåga.

– Vi tittar främst på molekylstrukturer som vi kopplar till komponenternas prestanda. Vi vill styra friktion och minska nötning genom den kemiska sammansättningen, säger Sergei Glavatskih.

Skräddarsydda smörjmedel

På grund av ämnets komplexitet jobbar kemister, fysiker och forskare inom mekanik tillsammans i projektet.

– Genom att förena mekanik och kemi vill vi utveckla en ny metodik för att studera hur smörjmedel fungerar.

Synen på smörjmedel måste, enligt Sergei Glavatskih, förändras i takt med utvecklingen av nya material och nya behov.

– Smörjmedlen har blivit allt viktigare för att säkerställa funktionaliteten hos maskinkomponenter. Vi betraktar ett smörjmedel som ett maskinelement – liksom kopplingar, kullager, kugghjul – som går att designa efter behov.

Jonvätskor består av anjoner och katjoner som kan kombineras på många olika sätt.

– Det ger en stor möjlighet att skräddarsy vätskor för olika material och applikationer. Men för att göra det måste vi först veta hur jonerna påverkar olika material framför allt när det gäller friktion och nötning.

Löser många problem

Nya smörjmedel kan inte testas direkt i exempelvis vindkraftverk och bilar.

För att karaktärisera jonvätskornas olika egenskaper analyseras de först på nano- och mikronivåer med hjälp av atomkraftmikroskopi och olika forskningsriggar för studier av friktion och nötning. Sedan tas försöket vidare till riktiga maskinkomponenter.

– Med laboratorieutrustning studerar vi kontakter mellan ytor med glidande eller rullande kontakt. Vi analyserar ytor och utsätter dem för olika arbetsförhållanden. I slutsteget provar vi på riktiga komponenter som kuggväxlar och rullningslager.

Sergei Glavatskih är övertygad om att jonvätskor kommer att lösa många av dagens problem bland annat när det gäller skador i rullningslager som exempelvis finns i tåg och vindkraftverk.

– Vanliga smörjmedel som inte leder ström kan leda till skador på smorda kontaktytor. Jonvätskebaserade smörjmedel är elektrisk ledande vilket minimerar skaderisken.
Han frågar sig också hur dagens smörjmedel fungerar med de nya, diamantliknade kolmaterial som används allt mer som ytbeläggningar i olika maskinkomponenter.

Aktiv smörjning

Det finns redan vissa jonvätskor som används.

– Nästan samtliga innehåller halogener men eftersom de inte är miljövänliga och kan leda till korrosion, framställer vi egna, halogenfria, vätskor.

För att ytterligare förbättra de jonvätskor som tagits fram ska de undersökas i synkrotronanläggningarna i Lund och Grenoble.

– Vi vill förstå hur jonerna reagerar med ytor, vilka kemiska strukturer som är verksamma och bildar de skyddande skikten på ytorna.
Sergei Glavatskihs vision är att utveckla en aktiv smörjning.

– Genom att använda olika elektriska fält kan man styra friktion och nötning något som skulle skapa en aktiv smörjning jämfört med dagens passiva.

Även om projektet har sin grund i den nyfikenhetsdrivna, fria, forskningen finns ett visst samarbete med industrin.

– Vi försöker överföra grundläggande kunskaper till industrin samtidigt kan industrin komma till oss och säga att de funderar på att använda ett visst material och be om våra synpunkter.  Vi bedriver fri grundforskning men med tillämpat perspektiv. Det är viktigt att våra resultat kan komma samhället till godo, konstaterar Sergei Glavatskih.

Projektet som stöds av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse går sammanfattningsvis ut på att; karaktärisera och kartlägga halogenfria och vattenstabila jonvätskor, förstå de grundläggande mekanismer som styr mekanokemiska effekter och ta fram jonvätskor som har ett mycket brett användningsområde.

Text Carina Dahlberg
Bild Magnus Bergström