Fett för en elektrisk framtid

När hårdvaran förändras måste mjukvaran följa efter. På liknande vis kommer elektrifieringen av fordon att medföra förändringar i de fetter som används som smörjmedel i motorerna.

- De krav som ställs på fettet skiljer sig markant mellan en bil med elmotor och en med förbränningsmotor. En elbil som körs med konventionella smörjmedel kan bli så mycket som 30% mindre effektiv på grund av dålig smörjning, säger Nynas specialist Mehdi Fathi-Najafi.

- De nya systemen kräver nya egenskaper som elektrisk ledningsförmåga, högre temperaturtolerans, längre livslängd och eventuellt kompatibilitet med nya material; det är en fantastisk möjlighet att identifiera användbara lösningar, säger Eamonn Conrad, affärsutvecklingschef för fosfor hos Solvay.

För att försöka hitta lämpliga elektrifieringssäkra lösningar beslutade Nynas och Solvay att undersöka om egenskaperna hos en standardtyp av fett kunde förbättras med nya tillsatser. Under flera årtionden har alltmer avancerade tillsatssystem utvecklats för att maximera fordonens effektivitet, till exempel genom att minska friktionen mellan rörliga delar. Idén var att undersöka om förbättringar kunde göras som gynnar både el- och förbränningsmotorer och därmed ger högre effektivitet och bättre bränsleekonomi.

Litiumkomplexfetter, som ofta används för att smörja lager i fordons- och industriella tillämpningar, valdes som utgångspunkt. Beträffande tillsatserna hamnade fokus på joniska vätskor på grund av deras etablerade prestanda rörande slitage och extremt tryck samt de extra kraven gällande ledningsförmåga och livslängd.

- Joniska vätskor ger låg friktionskoefficient och hög slitstyrka och har tidigare använts i vätskefas för att minska friktionen mellan rörliga delar. Men de kan verka frätande och de kan bli för dyra att använda i vissa tillämpningar, förklarar Mehdi Fathi-Najafi.

Elbilarnas unika motorer och de marknadskrafter som driver på elfordonens tillväxt har lett till en situation där joniska vätskor kan vara en gångbar lösning.

Utöver deras beprövade egenskaper rörande slitage och extremt tryck uppvisar fosfoniumjonvätskor önskvärda egenskaper som exempelvis hög termisk stabilitet och förmåga att förbättra elektrisk ledningsförmåga. Joniska vätskor tillgodoser också de krav som elbilarnas motorer ställer, som att de inte innehåller metall.

- Vi har identifierat två lovande tillsatskandidater och fortsätter att finslipa formuleringar för att förbättra systemens sammanlagda effektivitet. Baserat på de resultat vi sett hittills tror vi att tillsats av fosfoniumsalter har potential, säger Mehdi Fathi-Najafi.

- Det här arbetet är avgörande för en förbättrad energianvändning och energisnålare bilar samt för att möjliggöra ytterligare elektrifiering av motorfordon, tillägger han.

- Det är spännande tider; industrin tvingas göra något nytt på grund av de unika krav som elektrifieringen ställer och hos Solvay har vi turen att utforska detta nya område med en fantastisk partner som Nynas, säger Eamonn Conrad.

Lovande resultat

Fyra olika litiumkomplexfetter användes i studien. I tabell 1 anges några av egenskaperna hos de rena litiumkomplexfetterna, där azelainsyra använts för att bilda komplex. Två av de basoljor som utnyttjades, T 600 och S 90, är nafteniska oljor från Nynas.

Två olika joniska vätskor tillsattes fetterna – tetrabutylfosfoniumbromid (IL3) och tetraoktylfosfoniumbromid (IL4) – i koncentrationer på 5 viktprocent.

Figur 1 visar hur temperaturen och de två joniska vätskorna (IL3 and IL4) påverkar den elektriska ledningsförmågan. Testprogrammet kan betraktas som statiskt, men gav ändå en del värdefull information.

Resultaten i figur 1 tyder på att den elektriska ledningsförmågan hos de vätskekomplexbaserade fetterna kan ökas (med 3 till 4 storleksordningar) genom tillsats av så lite som 5 viktprocent av de fosfoniumjonvätskor som användes i studien.

Flera standardmetoder användes för tribologisk testning, inkluderande ASTM D5706 och ASTM D5707 med SVR samt ASTM D2266 och ASTM D2596 med en maskin med fyra kulor. Några av SVR-metodens resultat visas i tabell 2. Resultaten påvisar en signifikant minskning av slitage och friktionskoefficient med IL3. Lägsta slitvolym och friktionskoefficient uppnås dock med 5 viktprocent IL3 i fetterna.

Figur 1.  Ledningsförmåga mot tid, där fetternas ledningsförmåga mäts som en funktion av temperaturen med 5 viktprocent IL 3 eller IL 4.