Väitös: Teollisuuden materiaalien kitkahäviöön uusia ratkaisuja vesipohjaisista voiteluaineista

Kitka ja kuluminen aiheuttavat vuosittain merkittäviä taloudellisia menetyksiä. On arvioitu, että noin 30 % maailman energiankulutuksesta kuluu kitkahäviöihin. Uusien teknologisten ratkaisujen, kuten pinnoitteiden, pinnan teksturoinnin sekä voiteluaineiden, avulla voidaan kitkaa alentaa erityisesti rajavoitelualueella.

Kulumiskestävyys on keskeinen materiaaliominaisuus. Voitelun tehtävänä on vähentää kitkaa, ja sillä on mahdollista vaikuttaa koneen kulumiseen.

VTT:n tutkija, DI Timo J. Hakala tutki väitöskirjassaan kitkaa timantinkaltaisten pinnoitteiden ja ruostumattoman teräksen rajavoitelussa vesipohjaisten voiteluaineiden ja biomolekyylien avulla. Hän tutki erilaisten sienistä erotettujen hydrofobiini-proteiinien sekä kvitten-hedelmästä liuotetun liman käytettävyyttä lisäaineena terästen, timantinkaltaisten pinnoitteiden (DLC) sekä muovien vesivoitelussa.

Väitöksen tulosten perusteella voidaan todeta, että vesipohjaisilla voiteluaineilla on potentiaalia rajavoiteluun teollisissa sovelluksissa esimerkiksi elintarvike-, tekstiili- ja terveysteknologia-aloilla, jos lämpötilat, kontaktipaineet, materiaaliominaisuudet sekä olosuhteet ovat sopivat.

Hakala havaitsi, että hydrofobiinit kykenevät muodostamaan ruostumattoman teräksen, DLC:n sekä PDMS-muovin pinnoille yhden molekyylin paksuisia kerroksia. Teräksen pinnalle muodostuneessa proteiinikalvossa 40 - 64 % massasta oli vettä. Veden määrällä hydrofobiinien muodostamassa voitelukalvossa oli positiivinen vaikutus kitkan ja kulumisen alenemiseen teräs vs. teräs-kontaktissa. Myös kvitten-limalla voidelluissa polyeteeni vs. teräs -kokeissa havaittiin, että molekyyleihin sitoutuneella vedellä on kitkaa alentava vaikutus.

Kaikista alhaisimmat kitkakertoimet saavutettiin PDMS-muovi vastaan PDMS-muovi -kontakteissa, joissa hydrofobiinit alensivat kitkan lähelle 0,01:tä, joka on lähes kertaluokkaa alhaisempi kuin öljyvoitelussa saavutettavat kitkakertoimet. Muokkaamalla teollisuudessa käytettävien materiaalien pintaominaisuuksia lähemmäksi PDMS-muovin vastaavia, voidaan parantaa biomolekyylien käytettävyyttä teollisissa sovelluksissa.

Alhaisimmat kitkakertoimet (0,03) teräs vs. teräs kontaktissa mitattiin FpHYD5-nimisellä hydrofobiinilla. Alhainen kitka johtui teräskuulan pinnalle syntyneestä proteiinikalvosta.

Kvitten-limalla pystyttiin saavuttamaan alhaisimmillaan 0,02 kitkakerroin polyeteeni vs. teräs kontaktissa.

Timo J. Hakala väitös materiaalitieteen alalta "Water-based boundary lubrication with biomolecule additives on diamond-like carbon and stainless steel surfaces" tarkastetaan perjantaina 29.1.2016 klo 12, paikka Aalto-yliopisto, V1-sali, Vuorimiehentie 2, Espoo.

Väitös sähköisesti: http://www.vtt.fi/inf/pdf/science/2015/S118.pdf

Lisätietoja:

Timo J. Hakala, tutkija
Puh. 040 770 2369, Timo.J.Hakala@vtt.fi

Lisätietoja VTT:stä:

Olli Ernvall
Viestintäjohtaja
puh. 040 840 0288
olli.ernvall@vtt.fi
www.vtt.fi

Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy on Pohjoismaiden johtava tutkimus- ja teknologiayhtiö. Tuotamme tutkimuksen ja tiedon kautta asiantuntijapalveluja kotimaisille ja kansainvälisille asiakkaillemme ja kumppaneillemme, liike-elämälle ja julkiselle sektorille. Käytämme 4 miljoonaa tuntia vuodessa aivovoimaa teknologisten edistysaskelien kehittämiseen. VTT:n löydät sosiaalisen median kanavilta: Facebook, LinkedIn ja Twitter @VTTFinland.

Avainsanat: