Zelfsmerend materiaal: hoe machines zichzelf soepel houden
Een zelfsmerend materiaal is een materiaal dat wrijving en slijtage tegengaat zonder dat er ooit olie, vet of een ander smeermiddel bij hoeft te worden aangevuld. Het smeermiddel zit als het ware al in het materiaal zelf ingebakken en komt vrij op precies het moment dat het nodig is: tijdens het bewegen en slijten van het oppervlak. Denk aan een potlood: telkens als je schrijft, blijft er een dun laagje grafiet achter op het papier. Een zelfsmerend lager werkt volgens een vergelijkbaar principe, maar dan zo ontworpen dat het jarenlang, bijna onmerkbaar, een beschermend laagje afgeeft op precies de plek waar twee onderdelen langs elkaar schuiven.
Dat klinkt eenvoudig, maar het lost een hardnekkig praktisch probleem op. Machines met bewegende delen — van een deurscharnier tot een satellietmechanisme — hebben normaal gesproken regelmatig een portie smeerolie of vet nodig, anders lopen ze vast of slijten ze snel door. Op plekken die moeilijk bereikbaar zijn, waar olie niet mag komen (zoals in voedselmachines) of waar olie simpelweg niet werkt (zoals in het luchtledige van de ruimte), is dat een probleem. Zelfsmerende materialen zijn daar het antwoord op: onderhoudsarme onderdelen die hun eigen smering meebrengen.
Wat is het precies?
Het vakgebied dat wrijving, slijtage en smering bestudeert heet tribologie. Tribologen kijken naar wat er gebeurt op het microscopisch kleine grensvlak tussen twee oppervlakken die langs elkaar bewegen, en hoe je daar energieverlies en materiaalschade kunt beperken. Zelfsmerende materialen zijn in feite een technische oplossing die uit dit vakgebied is voortgekomen, en er zijn grofweg drie manieren waarop ze werken.
De eerste en meest gebruikte methode is het inbedden van een vast smeermiddel in een sterker dragermateriaal, een zogeheten composiet (een materiaal opgebouwd uit twee of meer verschillende stoffen die samen andere eigenschappen krijgen dan de aparte onderdelen). Bekende vaste smeermiddelen zijn PTFE — beter bekend onder de merknaam teflon, hetzelfde spul dat in antiaanbaklaagpannen zit — molybdeensulfide (afgekort MoS2, een zwart poeder dat op microscopisch niveau bestaat uit dunne, glad over elkaar heen glijdende laagjes), grafiet (een andere vorm van koolstof met dezelfde laagjesstructuur) en hexagonaal boornitride, een keramisch poeder met vergelijkbare eigenschappen. Deze stoffen worden vermengd met bijvoorbeeld een kunststof zoals PEEK of ingegoten in metaal. Zodra het oppervlak begint te slijten, komen er steeds nieuwe deeltjes van het smeermiddel vrij die een dun glijfilmpje vormen — vergelijkbaar met het potloodvoorbeeld hierboven. Dit heet self-replenishing: het materiaal vult zijn eigen smeerlaag automatisch aan naarmate het ouder wordt, precies op de plek waar dat nodig is.
De tweede methode is het gebruik van een poreus, geïmpregneerd materiaal. Hierbij wordt bijvoorbeeld brons via sinteren gemaakt — een techniek waarbij metaalpoeder onder hitte en druk wordt samengeperst tot een vast voorwerp, zonder het volledig te smelten, waardoor er miljoenen microscopisch kleine holtes in het materiaal overblijven. Die holtes worden vervolgens vol gezogen met olie, als een soort spons. Onder belasting en warmte 'zweet' het lager een klein beetje van die olie naar het oppervlak, en bij stilstand trekt de olie via capillaire werking weer terug het materiaal in.
De derde, nieuwere aanpak is het vloeistof-geïnfuseerde oppervlak, vaak aangeduid met de Engelse afkorting SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces). Hierbij wordt een poreus of nanogestructureerd oppervlak doordrenkt met een dunne laag smerende vloeistof die er door capillaire krachten in vastgehouden wordt. Beschadig je het oppervlak, dan vloeit de vloeistof vanuit de omliggende poriën vanzelf weer naar de beschadigde plek — een soort zelfherstellend effect. Dit principe is afgekeken van de natuur, met name van de kannenplant (Nepenthes), die de wanden van haar val voorziet van een vloeistoflaagje waarop insecten wegglijden.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is minder onderhoud. Een lager dat zichzelf smeert, hoeft niet periodiek te worden ingevet of ingesmeerd, wat tijd, kosten en menselijke fouten bespaart — vooral bij onderdelen die lastig bereikbaar zijn, zoals in een gesloten machinebehuizing of hoog in een windturbine.
Daarnaast maken zelfsmerende materialen toepassingen mogelijk waar gewone olie of vet niet werkt of ongewenst is. In het vacuüm van de ruimte verdampt olie of wordt ze te stroperig door de extreme temperatuurwisselingen, waardoor mechanismen op satellieten juist afhankelijk zijn van vaste smeermiddelen. In de voedingsmiddelen- en farmaceutische industrie mag smeerolie niet in contact komen met producten, en in medische apparatuur en implantaten is een lekkend smeermiddel evenmin wenselijk. Ook in stoffige of vervuilde omgevingen, waar olie juist vuil aantrekt en een schurende pasta kan vormen, is een droog, vast smeermiddel vaak veiliger.
Verder streeft men naar langere levensduur van onderdelen doordat wrijving en slijtage structureel lager blijven, naar energiebesparing omdat minder wrijving ook minder energieverlies betekent, en naar minder milieubelasting doordat er geen olie kan lekken of gemorst worden en er geen afgewerkte smeerolie hoeft te worden afgevoerd.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste commerciële voorbeelden zijn de iglidur-lagers van het Duitse bedrijf igus, dat sinds de jaren tachtig kunststof glijlagers maakt met ingebedde vaste smeermiddelen. Deze lagers worden inmiddels in miljoenen toepassingen gebruikt, van printers en kantoorapparatuur tot medische apparatuur en auto-onderdelen, juist omdat ze volledig droog en onderhoudsvrij kunnen draaien.
In de ruimtevaart gebruikt men al sinds de jaren zestig en zeventig MoS2-coatings op bewegende mechanismen van satellieten, zoals zonnepaneelscharnieren en antennes, precies omdat gewone olie in het vacuüm niet functioneert. Voortbouwend op dit soort onderzoek ontwikkelde het NASA Glenn Research Center onder leiding van onderzoeker Christopher DellaCorte de PS300- en PS400-serie vastesmeermiddel-coatings, die worden toegepast in zogeheten oil-free foil air bearings: luchtlagers zonder olie die worden gebruikt in turbomachines zoals hulpaandrijvingen en turbocompressoren, waar hoge temperaturen conventionele olie zouden afbreken.
Een ouder maar nog altijd veelgebruikt voorbeeld zijn met olie geïmpregneerde gesinterde bronzen lagers, vaak verkocht onder merknamen als Oilite, die al decennia in bijvoorbeeld elektromotoren en huishoudapparaten zitten. Ook cilinderwanden van grafietgietijzer in verbrandingsmotoren maken gebruik van hetzelfde principe: de fijne grafietvlokjes in het gietijzer werken als vast smeermiddel dat de wrijving met de zuigers vermindert.
Een recenter en nog vooral wetenschappelijk voorbeeld is SLIPS, gepubliceerd in 2011 in het vakblad Nature door de onderzoeksgroep van Joanna Aizenberg aan Harvard. Hun met kannenplant geïnspireerde vloeistof-geïnfuseerde oppervlakken kregen destijds veel aandacht, niet alleen vanwege hun smerende werking maar ook vanwege hun vermogen om ijs, vuil en biologische aangroei af te stoten.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen wat al bewezen, volwassen techniek is en wat nog onderzoek is. Composietlagers met vaste smeermiddelen, zoals de iglidur-producten, en olie-geïmpregneerde gesinterde lagers zoals Oilite zijn al tientallen jaren volledig commercieel verkrijgbaar en op grote schaal in gebruik — dit is dus geen toekomsttechniek, maar een bewezen, breed toegepaste oplossing. Hetzelfde geldt voor MoS2-coatings in de ruimtevaart: die technologie is inmiddels meer dan een halve eeuw oud en wordt routinematig toegepast.
Nieuwere richtingen bevinden zich wel nog grotendeels in de onderzoeks- en pilotfase. Zelfherstellende smeercoatings, waarbij microscopisch kleine capsules met smeermiddel breken zodra er slijtage of schade optreedt en zo lokaal een nieuwe smeerlaag vormen, worden vooral in laboratoria en proefopstellingen getest. SLIPS-oppervlakken worden inmiddels wel toegepast in specifieke niches, zoals anti-aanslag- en anti-ijscoatings, maar het smerende effect blijkt in de praktijk niet onbeperkt houdbaar: de vloeistoflaag kan na verloop van tijd uitdrogen, wegspoelen of mechanisch worden weggesleten, en hoe je dat op de lange termijn en op grote schaal betaalbaar in stand houdt, is nog onderwerp van onderzoek. Ook het gebruik van tweedimensionale materialen zoals grafeen als smeermiddel-additief — dunne laagjes koolstof van slechts één atoom dik — is veelbelovend in laboratoriumtests, maar de opschaling naar goedkope, betrouwbare industriële toepassing is nog niet ver gevorderd. Kortom: het basisprincipe van zelfsmering is allang bewezen, maar de nieuwste, geavanceerdere varianten moeten hun duurzaamheid en kosteneffectiviteit buiten het lab nog verder aantonen.
Wie werken eraan?
Op het commerciële vlak zijn vooral gespecialiseerde lagerfabrikanten actief, zoals het Duitse igus uit Keulen, dat wereldwijd bekendstaat om zijn zelfsmerende kunststof lagers, en bedrijven als GGB (onderdeel van Saint-Gobain) en de Zweedse lagergigant SKF, die metaal-polymeer hybride lagers en andere lagetechnische oplossingen ontwikkelen.
Op onderzoeksgebied speelt het NASA Glenn Research Center in de Verenigde Staten een belangrijke rol, vanwege de noodzaak om mechanismen te ontwikkelen die zonder olie functioneren in de ruimte en bij hoge temperaturen. De onderzoeksgroep van Joanna Aizenberg aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) is toonaangevend op het gebied van vloeistof-geïnfuseerde oppervlakken. In Nederland doet de TU Delft tribologieonderzoek, onder meer naar wrijving en slijtage van materialen en oppervlaktetechnologie. Ook diverse Fraunhofer-instituten in Duitsland, die toegepast materiaalonderzoek doen voor de industrie, werken aan coatings en composieten op dit gebied. Overkoepelend geldt dat vooral de Verenigde Staten, Duitsland en in mindere mate Nederland en andere Europese landen actief zijn in dit onderzoeksveld, gedreven door zowel de ruimtevaart- en luchtvaartindustrie als de machinebouw.