Bundesministerium für Wirtschaft und Energie über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF)(Förderkennzeichen 17515 BR/1)

- Forschungskuratorium Textil e.V.
- Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.
- Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V.
- Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA)

FS1: Sächsisches Textilforschungsinstitut e. V., Chemnitz (STFI)
Dr. rer. nat. Sabine Kaufmann

FS2: Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg, Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik (BTU)
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Riebel

FS3: Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF)

ARGO-HYTOS GmbH, Bayer Technology Services GmbH, Bosch Rexroth Filtration Systems GmbH, Castrol Lubricants Technology Centre, flucon fluid control GmbH, Freudenberg Filtration Technologies SE & Co. KG, FUCHS EUROPE Schmierstoffe GmbH, Gebr. Röders AG, HYDAC Filtertechnik GmbH, ib24 - Ingenieurbüro Hubert Gregorius, IREMA-Filter GmbH, Johns Manville Europe GmbH, Klüber Lubrication München KG, MAHLE Industriefiltration GmbH, MANN+HUMMEL GmbH, PILL Nassvliestechnik GmbH, ROYALIN GmbH, Schaeffler Technologies AG & Co.KG, Siemens AG, SPÖRL KG Präzisionsdrahtweberei, TOTAL Deutschland GmbH, Hollingsworth & Vose, TENOWO GmbH, Norafin Industries (Germany) GmbH, REpower Systems SE, ESSO Deutschland GmbH

Dr. Karina Grundke
Dr. Astrid Drechsler
Oliver Kobsch

2012 - 2015

Fast überall, wo sich mechanische Bauteile gegeneinander bewegen, werden Schmieröle zur Minderung von Reibung und Verschleiß eingesetzt. Die vom Öl aufgenommenen Abrieb-und Schmutzpartikel, aber auch Alterungs- und Abbauprodukte des Öls müssen während des Betriebs kontinuierlich durch Filter entfernt werden. Ziel ist dabei eine effiziente Reinigung des Öls bei gleichzeitig langen Laufzeiten der Filter, insbesondere in Anwendungen wie z.B. Windenergieanlagen, wo der Austausch von Ölen und Filtern aufwändig ist und zu langen Ausfallzeiten führt.  

Im Gegensatz zur Gasfiltration wurde die Ölreinigung bislang kaum systematisch erforscht. Neue Filtermaterialien werden auf Basis von empirischem Experten- bzw. firmeninternem Erfahrungswissen entwickelt. Ein AiF-Verbundprojekt des Sächsischen Textilforschungsinstituts Chemnitz (STFI) gemeinsam mit dem Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) und dem IPF verfolgte daher das Ziel, den Filtrationsprozesses von Getriebeölen grundlegend zu untersuchen sowie – darauf aufbauend – wissenschaftliche und technologische Grundlagen zur zielgerichteten Fertigung von Vliesstofffiltermedien für die Ölreinigung in technischen Anlagen zu schaffen.  

Grundlage des Projekts war eine umfassende Recherche zu möglichen Mechanismen bei der Ölfiltration, Einflüssen auf die Performance der Schmieröle sowie eine Zusammenstellung derzeit verwendeter Filtermedien. Von den Mitgliedern des Projektbegleitenden Ausschusses (PA) wurde ein breites Sortiment an Ölfiltern und anderen, für die Ölfiltration geeigneten Filtermedien (Vliesstoffe aus Polymer-, Glas- oder Zellulosefasern) zur Verfügung gestellt.  

Ergebnisse der Zetapotential- und Penetrationsmessungen an handelsüblichen Filtermedien unterschiedlicher Benetzbarkeit. Das Zetapotential als Funktion des pH-Werts (links) widerspiegelt die Ausrüstung der Filter, zeigt jedoch keine Korrelation zur Benetzbarkeit. Das Maximum von K γlv cosθ (rechts) entspricht der Oberflächenenergie der Vliesstoffe. 

In einem ersten Arbeitspaket wurden diese Filtermedien am STFI textil-physikalisch bzgl. Dicke, Flächenmasse, Porengrößen, Luftdurchlässigkeit und mechanischer Stabilität charakterisiert. Schwerpunkt der Arbeiten am IPF war die physiko-chemische Charakterisierung der Filtermedien. Dabei kam ein breites Spektrum einander ergänzender Techniken zum Einsatz: Faserstruktur und Topographie der Vliesstoffe wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und Konfokalmikroskopie untersucht. Zetapotentialmessungen widerspiegelten das elektrische Oberflächenpotential und Veränderungen durch wässrige Lösungen. Die Benetzbarkeit mit Wasser und Ölen wurde zunächst mittels eines Benetzungsscreenings qualitativ erfasst. Ausgewählte Proben wurden mit genaueren Kontaktwinkelmessungen, schnellen dynamischen Absorptions- und Benetzungsmessungen  sowie Penetrationsmessungen untersucht. Tieftemperatur-Gassorption wurde angewandt, um die Porosität der Vliesstoffe zu bestimmen. Zudem wurden Dichte und Oberflächenspannung verschiedener Getriebeöle bestimmt. Zur Untersuchung der Hydrolyse- und Ölbeständigkeit wurden die Vliesstoffe am STFI bei erhöhter Temperatur mit Wasserdampf behandelt bzw. in Öl eingelagert und anschließend an STFI und IPF mit den genannten Methoden charakterisiert.  

Die Charakterisierungsmethoden zeigten, dass die zur Verfügung gestellten Filtermedien ein breites Spektrum der für die Ölfiltration maßgeblichen Eigenschaften aufwiesen. An ausgewählten Filtermedien wurden an der BTU verschiedene im Filtrationsprozess auftretende Effekte wie z.B. die elektrostatische Aufladung der Vliesstoffe untersucht. In praxisnahen Filtertests wurde der Einfluss verschiedener Mechanismen auf die Filterperformance getestet. Es zeigte sich, dass bei feinporigen Filtermedien die Siebwirkung der vorherrschende Filtermechanismus ist,  während bei Filtern mit größeren Poren auch Tiefenfiltrationseffekte eine Rolle spielen.

Verhältnis von Luftdurchlässigkeit und Porengröße für handelsübliche (grau) und neu entwickelte Filtermedien (farbig) sowie REM-Bilder ausgewählter Medien.

In einem zweiten großen Arbeitspaket erfolgte die Entwicklung neuer synthetischer Ölfiltermedien auf Vliesstoffbasis durch das STFI. Dabei handelte es sich um Nadelvliesstoffe, vorvernadelte, wasserstrahlverfestigte Faservliesstoffe, dichtere Meltblownmedien sowie Mehrschicht-Verbunde aus diesen Vliesstoffen. Ausgewählte Medien wurden durch Variation der Herstellungsparameter, eine zusätzliche thermische Verdichtung sowie durch eine Funktionalisierung zur Einstellung der Benetzungseigenschaften optimiert. Alle neu entwickelten Medien wurden analog zu den handelsüblichen Filtermedien von STFI und IPF textil-physikalisch und physiko-chemisch charakterisiert und auf ihre Medienbeständigkeit getestet. Filtrationsnahe Untersuchungen an der BTU Cottbus bestätigten die mit handelsüblichen Filtermedien gewonnenen Ergebnisse. Die Forschungsergebnisse wurden in regelmäßigen Treffen mit dem Projektbegleitenden Ausschuss mit den Mitgliedern des breit aufgestellten Projektbegleitenden Ausschusses (Faser-, Filter- und Ölhersteller, Maschinen­bauer, Windkraft-Betreiber u.a.) diskutiert und so zeitnah in die Industrie transferiert.  

Das Projekt wurde im Mai 2015 erfolgreich abgeschlossen. Der Abschlussbericht kann beim Sächsischen Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) ausgeliehen werden. Auf der Internetpräsenz des STFI finden Sie auch eine ausführlichere Zusammenfassung der Projektergebnisse.

Links: Trennkurven ausgewählter handelsüblicher (grau) und neu entwickelter Filtermedien (farbig).

Rechts: Vergleich der Partikelgröße, die zu 99,5% zurückgehalten wird (β=200), mit den Porengrößen ausgewählter Filtermedien.

Das IGF Vorhaben 17515 BR/1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Wir danken außerdem der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V., der Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., der Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. sowie allen genannten Institutionen für die Förderung und Finanzierung des Forschungsvorhabens.