Die vorliegende Erfindung betrifft Schmierstoffe auf Wasserbasis. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung der Schmierstoffe auf Wasserbasis für die Schmierung von Reibungspartnern in Antriebselementen, sowie deren Verwendung.

Die Entwicklung von neuen Schmierstoffen muß mit der allgemeinen Weiterentwicklung der Technik einhergehen, die neue und höhere Anforderungen an die Schmierstoffzusammensetzungen stellt. Dies insbesondere auch im Hinblick auf den Umweltschutz und den Ausstoß von Kohlendioxid. Diesen Anforderungen sind die bekannten Schmierstoffe auf der Basis von Mineralöl oder Syntheseöl nicht mehr gewachsen.

Anwendung finden Schmiermittel insbesondere in Antriebselementen, wie z.B. Ketten, Getrieben, Wälz- und Gleitlagern oder Dichtungen an rotierenden Wellen. Diese Schmierstoffe basieren auf Mineralöl oder synthetischen Kohlenwasserstoffen. Insbesondere in Wälz- und Gleitlagern sorgen die Schmiermittel dafür, daß zwischen den aufeinander gleitenden oder abrollenden Teilen ein trennender, lastübertragender Schmierfilm aufgebaut wird. Damit wird erreicht, daß die metallischen Oberflächen sich nicht berühren und somit auch kein Verschleiß auftritt. Die Schmiermittel müssen deshalb hohen Anforderungen genügen im Hinblick auf:

• Kühlung der Reibstelle,
• extreme Betriebsbedingungen, wie sehr hohe und sehr niedrige Drehzahlen,
• hohe Temperaturen, die durch hohe Drehzahlen und Belastungen und damit einhergehender Eigenerwärmung oder Fremderwärmung bedingt sind,
• sehr tiefe Temperaturen in kalter Umgebung ,
• besonderen Anforderungen des Anwenders an die Laufeigenschaften, z.B. geringe Reibung, Geräuscharmut,
• extrem lange Laufzeiten ohne zwischenzeitliche Nachschmierung,
• biologische Abbaubarkeit.

Die WO 2005/113640 A1 offenbart Formulierungen funktioneller Flüssigkeiten mit geringer pulmonaler Toxizität, die Alkylenoxid-Copolymere mit niedrigem Ungesättigtheitsgrad enthalten. Insbesondere betrifft dieses Dokument Wasser-Glykol-Hydraulikflüssigkeiten mit geringer Inhalationstoxizität, die 30 bis 60% eines wasserlöslichen Polyglykols, 0 bis 40% Frostschutzmittel, wie beispielsweise Ethylenglykol, 20 bis 45% Wasser, 0 bis 15% Verdickungsmittel, 0 bis 5% Korrosionsadditive, 0 bis 5% Entschäumer und Farbstoffe, sowie 0 bis 5% Fettsäureamide enthalten.

Die WO 97/15643 A1 betrifft eine wasserlösliche Schmiermittelzusammensetzung, die aus einer Mischung aus Polyethylenglykol und einem Amin besteht, der weitere Additive zugegeben werden, u.a. wahlweise werden Biozide zugegeben.

Die US 2001/0095021 A1 die Verwendung von Polyalkylenglykol-Copolymeren, die als Basisöle für wasserlösliche Schmiermittelzusammensetzungen verwendet werden. Diese Schmiermittel finden Anwendung in offenen Systemen, die zur Bildung von Aerosolen neigen.

Aus der WO 2007/098523 A2 ist ein betriebsbereites Getriebe, eine Betriebsflüssigkeit für ein solches Getriebe und ein Verfahren zu dessen Erstinbetriebnahme bekannt. Die Betriebsflüssigkeit besteht aus einer Mischung aus Wasser und einem aliphatischen Kohlenwasserstoff, in dem Graphitteilchen als Festschmierstoff suspendiert sind. Dieser Festschmierstoff liegt in Form flockiger Graphitteilchen vor, die eine Korngröße von weniger als 50 µm aufweisen. Weitere Bestandteile dieses Schmier- und Kühlmittel sind Dispergieradditive, Entschäumer, Korrosionsinhibitoren. Nachteilig an dieser Betriebsflüssigkeit sind die in fester bzw. flockiger Form vorliegenden Graphitteilchen, die sich zum einen aus der Suspension absetzen und damit die zu schmierenden Betriebsteile verkleben können. Ein weiterer Nachteil ist die hartnäckige Verschmutzung von Bauteilen, die mit graphithaltigen Schmierstoffen in Kontakt kommen. Ist eine Filtration des Schmieröles im Betrieb erforderlich, kann der Graphit zu einem Verstopfen der Filterporen führen. Außerdem weist die Betriebsflüssigkeit eine sehr niedrige Viskosität auf, die bei hohen Belastungen zu einem Versagen des Schmierfilms führen kann.

Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Schmierstoff auf Wasserbasis bereitzustellen, der den oben genannten Anforderungen entspricht, insbesondere biologisch abbaubar ist und der dazu beiträgt, die Produktion von Kohlendioxid deutlich zu verringern.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Schmierstoff bestehend aus Wasser, wasserlöslichen Polyalkylenglykolen wasserlöslichen Emulgatoren und schmierstoffüblichen Zusatzmitteln verwendet wird. Die wasserlöslichen Polyalkylenglykole werden ausgewählt aus der Gruppe statistisch verteiler Polyoxyethylen- und Polyoxypropyleneinheiten und/oder anderer Polyoxyalkylenbausteine mit einer oder mehreren Hydroxylendgruppen, aus einem Blockpolymer aus Polyoxyethylen- und/oder Polyoxypropyleneinheiten und/oder anderen Polyoxyalkylenbausteinen. Als Emulgator werden anionische Tenside, z.B. Sulfonate, nichtionische Tenside, z.B. Fettalkoholethoxylate oder NPE oder kationische Tenside, z.B. quartäre Ammoniumverbindungen, wasserlösliche oder wasseremulgierbare Carbonsäureester eingesetzt.

Überraschendenrveise wurde gefunden, dass bestimmte Formulierungen auf Wasserbasis (Wassergehalt > 10%) die Schmierleistung üblicher Schmierstoffe übertreffen und Reibwerte signifikant senken. Dadurch und durch die gute intrinsische Kühlwirkung kommt es zu verringerter Temperaturentwicklung im Tribosystem. Solche Schmierstoffe auf Wasserbasis sind gut biologisch abbaubar und umweltverträglich in aquatischer Umgebung. Außerdem zeichnen sie sich durch gute Verträglichkeit mit gummielastischen Werkstoffen aus.

Je nach Anwendung kann beispielsweise das Tieftemperaturverhalten wasserbasierter Schmierstoffe durch Zusatz von Frostschutzmittel, z.B. niedermolekularer Glycole, Glycerin, Salze oder Ionischer Flüssigkeiten erheblich verbessert werden.

Weiterhin können Additive zugesetzt werden, um die Eigenschaften des Schmierstoffs gezielt zu beeinflussen. Diese können in löslicher oder dispergierter, kolloidaler oder nanoskaliger Form vorliegen.

Falls erwünscht, können wasserbasierte Schmierstoffe auch schäumend formuliert werden. Die Applikation als Sprühschaum ist hierbei von besonderem Interesse, weil dadurch eine visuelle Kontrolle des Schmierstoffauftrags ermöglicht wird. Im Falle einer Kontamination von Textilien oder Maschinenteilen mit wasserbasierten Schmierflüssigkeiten sind diese leicht zu reinigen.

Zum Einfärben von Schmierstoffen auf Mineralöl- oder Syntheseölbasis sind meist gesundheitsschädliche und/oder ökotoxikologische Farbstoffe erforderlich. Im Falle wasserbasierter Schmierstoffe kann eine Vielzahl an toxikologisch unbedenklichen wasserlöslichen Farbstoffen bis hin zu Lebensmittelfarben eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße "Grundöl" kann auch durch Vermischen mit Seifen- oder Harnstoffpulvern, Schichtsilicaten oder anderer gängiger Schmierstoffverdicker zu einem Schmierfett oder einer Schmierpaste umgesetzt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen wasserbasierten Schmierstoffes enthält:

• 5 bis 80 Gew.-% wasserlösliches Polyalkylenglykol ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus statistisch verteilten Polyoxyethylen- und/oder Polyoxypropyleneinheiten und/oder anderen Polyoxyalkylenbausteinen, einem Blockpolymer aus Polyoxyethylen- und/oder Polyoxypropyleneinheiten und/oder anderen Polyoxyalkylenbausteinen,
• 0,5 bis 20 Gew.% schäumende oder nichtschäumende Emulgatoren aus der Klasse anionischer (z.B. Sulfonate), nichtionischer (z.B. Fettalkoholethoxylate oder auch NPE) oder kationischer (z.B. quartäre Ammoniumverbindungen) Tenside oder wasserlöslicher oder wasseremulgierbarer Carbonsäureester,
• 0,5 bis 50 Gew.-% Frostschutzmittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkylenglycol, Glycerin, Salze oder Ionische Flüssigkeiten,
• 0,05 bis 10 Gew.-% Korrosionsadditive, wie Alkanolamine, Borsäure- oder Carbonsäurederivate,
• 0,001 bis 1 Gew.-% Additive zur Verhinderung von Schaumbildung, z.B. Polydimethylsiloxane oder Acrylatpolymere,
• 0,05 bis 5 Gew.-% Verschleißschutzmittel,
• 0,001 bis 0,5 Gew.-% Biozide, z.B. Sorbinsäure und
• 0,05 bis 5 Gew.-% Ceroxid-Nanopartikel,
• ad Wasser 100 Gew.-%, wobei der Wassergehalt >10% beträgt.

Des weiteren kann die Schmierstoffzusammensetzung
0,5 bis 40 Gew.-% Schmierstoffverdicker, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metallseifen aus Mono- und/oder Dicarbonsäuren, Harnstoffen, Schichtsilikaten, Festschmierstoffen und Aerosil
enthalten.

Die Beispiele 1 sowie 3 bis 5 sind Vergleichsbeispiele.

Zur Herstellung eines Getriebeöls werden die folgenden Bestandteile gemischt: Wasser dest. 45,0 Gew.-% Propylenglycol 20,0 Gew.-% Polyethylenglycol hochmolekular 25,0 Gew.-% Alkoholpolyglycolether 5,0 Gew.-% Alkanolamin und Borsäurederivat 2,0 Gew.-% Geschwefelte Fettsäure 3,0 Gew.-%

Es handelt sich um eine praktisch farblose wasserklare Lösung der ISO VG 32 mit geringer Schaumneigung. Der Schmierstoff bleibt bis zu Temperaturen von -35°C flüssig.
Das im Vergleich zu herkömmlichen Schmierstoffen drastisch reduzierte Reibniveau führt zu einer deutlich verbesserten Energieeffizienz und einem geringeren Geräuschniveau sowie verlängerten Standzeiten im Betrieb. Durch den Austausch von Mineralöl oder eines diesem entsprechenden Grundöls durch Wasser liegt der Vorteil auf der Nachhaltigkeit dieses Schmierstoffes.
Ein derartig zusammengesetzter Schmierstoff eignet sich besonders durch das festschmierstofffreie Konzept für Anwendungen, bei denen der Schmierstoff laufend filtriert wird, wie z.B. Getriebe in Windkraftanlagen.

In Tabelle 1 sind Eigenschaften der Beispielformulierung 1 im Vergleich zu einem Mineralöl-basierten Produkt aufgeführt. Beispiel 1 Mineralölprodukt Viskositätslage bei 40°C ISO VG 32 ISO VG 32 Pourpoint -35°C -10°C Reibzahl, SRV-Test 0,058 0,100 Hazen Farbzahl 35 140

Zur Herstellung eines hochbelastbaren Getriebeöls werden die nachfolgenden Bestandteile miteinander vermischt Wasser dest. 38,0 Gew.-% Propylenglycol 20,0 Gew.-% Polyethylenglycol hochmolekular 25,0 Gew.-% Alkoholpolyglycolether 5,0 Gew.-% Carbonsäurederivat M-528, Cortec 10,0 Gew.-% Geschwefelte Fettsäure 2,3 Gew.-% Ceroxid Nanopartikel 0,05 Gew.-% Sorbinsäure 0,003 Gew.-% Acrylcopolymer 0,003 Gew.-%

Auch hier sind die schon in Beispiel 1 beschriebenen Vorteile des Schmierstoffes vorhanden. Durch den Zusatz von Nanopartikeln ist ein nochmals erhöhter Verschleißschutz gewährleistet.

In Tabelle 2 sind Eigenschaften der Beispielformulierung 2 im Vergleich zu einem Mineralöl-basierten Produkt aufgeführt. Trotz deutlich niedriger Viskosität weist die wässrige Formulierung einen signifikant verbesserten Verschleißschutz (höhere erreichbare Flächenprässung) gemäß Reichert auf. Beispiel 2 Mineralölprodukt Viskositätslage bei 40°C 110 mm²/s 460 mm²/s Pourpoint -35°C -10°C Flächenpressung nach Reichert-Verschleißwaage gemäß VKIS-Arbeitsblatt 3500 N/cm² 2800 N/cm² Hazen Farbzahl 130 230

Ein Ölschaum besteht aus Wasser dest. 50,0 Gew.-% Propylenglycol 15,0 Gew.-% Polyethylenglycol hochmolekular 25,0 Gew.-% Schäumendes Fettalkoholethoxylat 5,0 Gew.-% Alkanolamin und Borsäurederivat 2,0 Gew.-% Geschwefelte Fettsäure 3,0 Gew.-%

Auch hier sind die schon in Beispiel 1 beschriebenen Vorteile des Schmierstoffes vorhanden, der Pourpoint der Formulierung liegt bei -20°C.

Diese Zusammensetzung weist eine hohe Schaumbildung auf, was die Applikation mittels Spray/Pumpspray als Schaum ermöglicht.
Eine derartige Anwendung hat den Vorteil, daß der Schmierstoff auf der Oberfläche gut visuell detektiert werden kann, selbst bei Minimalmengenschmierung unmittelbar nach Applikation z.B. mit dem Fokus Qualitätssicherung. Ein weiterer Vorteil der Applikation als Schaum ist die verbesserte Benetzung der gesamten Oberfläche des Tribosystems, was eine verkürzte Einlaufzeit und ein verbessertes Einlaufverhalten ermöglicht.
Abbildung 1 zeigt ein deutlich niedrigeres Drehmoment eines mit geschäumtem (nicht wasserbasiertem) Schmierstoff versehenen Wälzlagers innerhalb der ersten 120 Minuten Laufzeit.

Abb. 1: Stromaufnahme eines mit Schmierstoff A geschmierten Wälzlagers.
Graue Kurve: Standardapplikation.
Schwarze Kurve: Applikation als Schaum.

Herstellung eines wasserbasierten Fettes mit Tieftemperatur-Eignung enthaltend Wasser dest. 32,0 Gew.-% Propylenglycol 15,0 Gew.-% Polyethylenglycol hochmolekular 15,0 Gew.-% Li-Hydroxystearat 35,0 Gew.-% Na-Sebazat 3,0 Gew.-%

In Tabelle 3 sind Eigenschaften der Beispielformulierung 4 aufgeführt. Walkpenetration DIN ISO 2137 NLGI 2 Grundölviskosität, DIN 51562 90 cst Fließdruck bei -30°C, DIN 51805 < 1400 mbar

Schmiermittel bestehend aus: Wasser dest. 27,5 Gew.-% Polyalkylenglycol hochmolekular 50,0 Gew.-% Alkylenglycol 10,0 Gew.-% Carbonsäurederivat M-528, Cortec 2,0 Gew.-% Wasserlöslicher Carbonsäureester 10,0 Gew.-% Acrylcopolymer 0,5 Gew.-%

Dieser Schmierstoff ist zur Schmierung von Dichtungen an rotierenden Wellen geeignet und im Gegensatz zu den bekannten Schmiermitteln aus Mineralölen oder synthetischen Kohlenwasserstoffen gut biologisch abbaubar und deshalb umweltverträglich zu entsorgen. Er zeichnet sich durch eine niedrige Reibung, gute Kühlwirkung, gute Verträglichkeit mit gummielastischen Werkstoffen aus und besitzt ein niedriges Gewässerverschmutzungspotential. Vorteilhafterweise verändert er die Viskosität bei Verdünnung mit Wasser nur wenig und ermöglicht daher die Ausbildung eines wirksamen Schmierfilms.

Der erfindungsgemäße wasserbasierte Schmierstoff kann zur Schmierung von Antriebselementen in Ketten, Getrieben, Wälz- und Gleitlagern oder zur Schmierung von Dichtungen an rotierenden Wellen in Form eines Schaums, Sprays oder Emulsion, die mittels Sprüh- oder Pumpsprayeinrichtungen mit dem Fokus der besseren Oberflächenbenetzung und der besseren Detektierbarkeit dünner Schmierfilme appliziert wird, verwendet werden.