Analyse der Alterung von Getriebeölen mit Methoden der NMR

Die Schmierölalterung ist ein wichtiger Parameter von tribologischen Systemen und erfordert Methoden für eine zuverlässige Bewertung der Ölqualität. Die große Vielfalt an Anwendungsgebieten und damit verbunden verschiedenen Alterungsfaktoren führt zu einer hohen Komplexität des Stoffsystems Schmieröl. Für eine dedizierte Analyse ist daher das Zusammenspiel verschiedener Analysemethoden unerlässlich. Eine in der chemischen Analytik und Prozesscharakterisierung etablierte Methode ist die magnetische Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance, NMR). Diese nicht invasive und zerstörungsfreie Analytik ermöglicht dank ihrer methodischen Vielfalt die Detektion der verschiedenen Facetten der Ölalterung. Mittels NMR-Spektroskopie, besonders auch durch Heterokern-Experimente (13C, 31P) als Ergänzung zur 1H-Spektroskopie, können Ölinhaltsstoffe quantifiziert und so Alterungsmechanismen der Additive erforscht werden. Aber auch bei Getriebeölen mit unbekannter Additivierung können durch eine geeignete Form der Datenanalyse im Rahmen der Chemometrie systematische chemische Veränderungen auf Basis von NMR-Spektren beschrieben werden. Am Beispiel des verbreitet eingesetzten Additivs Zinkdialkyldithiophosphat (ZDDP) wurde gezeigt, dass Veränderungen der chemischen Zusammensetzung bereits bei der Formulierung der Öle auftreten. Je nach Additivkombination liegt ZDDP in zwei sich im Gleichgewicht befindlichen Konformationen vor. Vorzeitige Ausfälle von Wälzlager-Prüfstandsversuchen traten bei erhöhten Konzentrationen von „neutralem“ ZDDP im Frischöl auf.

Partikulärer Abrieb als weiterer Alterungsfaktor zeigt sich in der transversalen Relaxationsrate. Analog zu Untersuchungen an Motorölen werden die gemessenen Magnetisierungszerfälle mit einer Gamma-Funktion modelliert, woraus eine Datenreduktion auf zwei Parameter erfolgt: die mittlere transversale Relaxationsrate <R2> und die Verteilungsbreite σg. Für mehrere Probenreihen werden steigende Werte für <R2> bei zunehmenden Laufzeiten gemessen, das „lower limit of detection“ lag bei etwa einer Stunde. Die Messungen können mit kostengünstigeren Niederfeldgeräten durchgeführt werden. Ein Einsatz in der routinemäßigen Ölanalytik ist denkbar, auch da eine aufwändige Probenvorbereitung entfällt.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19004 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.