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Systematic investigation of organosiloxane derived surface modifications in tribochemical processes

Juretzka, Benjamin (2020):
Systematic investigation of organosiloxane derived surface modifications in tribochemical processes. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00013538,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Systematic investigation of organosiloxane derived surface modifications in tribochemical processes
Language: English
Abstract:

By introducing low-viscosity engine and gear oils, the energy efficiency of oil lubricated drive trains and transmissions can be increased. However, by reducing the viscosity of lubricating oils, transmission components run for longer periods in component damaging conditions. In order to ensure protection by the lubricant in such severe conditions, surface-active additives are added. The present work deals with surface modifications caused by organosilanes / -siloxanes in rubbing contacts. The investigations focus on the chemical changes and formed structures, as well as their influences on the lubricating behavior. For this purpose, vinyltrimethoxysilanes / siloxanes were added to a mineral oil and investigated in ball disc tribometers to investigate their influence on friction changes and lubricant film thicknesses. By varying test conditions, reactivity, chemical changes and influences on the lubrication behavior of the silane / siloxane oil additives were investigated. In addition, sol gel coatings were applied and also subjected to tribological tests and chemical characterization. It turns out that the used organosilanes and siloxanes deposit a multi-layered structure when exposed to tribological stress. While the top layer consists of weakly adhesive polysiloxanes with viscous properties, the bottom layer has an elastic character and is stronger bonded to the steel substrate. The different properties are based on the degree of crosslinking, which increases with increasing proximity to the substrate surface. The adhesive deposition is rich in SiO2, which can be explained by a polymer into glass / ceramic conversion. The polymerization proceeds via condensation reactions and shows a strong dependence on the temperature. The adhesive layer results from the decomposition and further crosslinking of the polymers by the severe tribological stress. This transformation requires a certain contact pressure or shear stress. In addition, it has been shown that the formation of iron oxide is an important factor for the conversion and is as well part of the generated tribofilm. With the knowledge of chemical analysis, a lubrication model for the multi-layer system is derived, which shows that both layers have opposing influences on the lubricating behavior of the lubricant. The in-situ generated polymers form thick polymer-rich boundary films which effectively increase the lubricating film thickness, especially at low entrainment speeds. This can reduce friction by up to 40 %. On the other hand, the adhesive tribofilm creates resistance to the oil drag in the lubrication gap and thereby increases the friction compared to the polished steel surfaces. Overall, a wear reduction and corrosion protection is also detected, however the present results only indicate tendencies from which layer the protective effects arise. Furthermore, investigations show that big differences between the film formation and thereby tribological influences are found between the use of oligomeric and monomeric vinylmethoxysilanes / siloxanes. The monomeric precursor forms much lower polymeric film thicknesses but exhibits a more homogeneous and smoother tribofilm deposition. As a result, no reduction in friction and wear is achieved.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Durch das Einführen niedrigviskoser Motor- und Getriebeöle kann die Energieeffizienz von ölgeschmierten Antrieben und Übersetzungen gesteigert werden. Durch das Verringern der Viskosität von Schmierölen laufen Antriebskomponenten allerdings längere Zeiten in komponentenschädigenden Bedingungen. Um trotzdem einen Schutz durch den Schmierstoff zu sichern, werden oberflächenaktive Zusätze beigemischt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Oberflächenmodifizerungen, die durch Organosilane / siloxane in Reibkontakten entstanden sind. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf die chemischen Veränderungen und Strukturen, sowie Einflüsse auf das Schmierverhalten, welche die Änderungen mit sich bringen. Hierfür wurden Vinyltrimethoxysilane / siloxane einem Mineralöl beigesetzt und in Kugel Scheibe Tribometern hinsichtlich ihres Einflusses auf Reibungsveränderungen und Schmierfilmdicken untersucht. Durch variierende Testbedingungen konnten das Reaktionsvermögen, chemischen Veränderungen und Einflüsse auf das Schmierverhalten der Silan- / Siloxan-Öladditive untersucht werden. Darüber hinaus wurden Sol-Gel-Beschichtungen erzeugt und ebenfalls tribologischen Prüfungen und der chemischen Charakterisierung unterzogen. Es zeigt sich, dass die verwendeten Organosilane und –siloxane eine mehrlagige Schichtstruktur auf den Antriebskomponenten abscheiden, wenn sie tribologischer Belastung ausgesetzt sind. Während die obere Lage aus schwach adhäsiven Polysiloxanen mit viskosen Eigenschaften besteht, bestitzt die untere Lage einen elastischen Charakter und weist eine stärkere Bindung an das Stahlsubstrat auf. Die unterschiedlichen Eigenschaften werden dem Vernetzungsgrad zugrunde gelegt, welcher mit zunehmender Nähe zum Substrat ansteigt. Die adhäsive Abscheidung ist reich an SiO2, was durch eine Polymer in Glas- / Keramikumwandlung erklärt werden kann. Die Polymerisierung läuft über Kondensationsreaktionen und zeigt eine starke Abhängigkeit von der Temperatur. Die adhäsive Schicht resultiert aus der Zersetzung und weiterer Vernetzung der Polymere durch die heftige tribologische Beanspruchung. Diese Umwandlung zeigt sich erst ab einer gewissen Flächenpressung bzw. Schubspannung. Außerdem wurde nachgewiesen, dass die Bildung von Eisenoxid ein wichtiger Faktor für die Umwandlung sowie für den Bestandteil des erzeugten Tribofilms ist. Mit den Kenntnissen der chemischen Analysen wird ein Schmierungsmodell für das Mehrlagensystem hergeleitet, welches zeigt, dass beide Lagen grundverschiedene Einflüsse auf das Schmierverhalten des Schmierstoffs aufweisen. Die in-situ erzeugten Polymere bilden dicke polymerreiche Grenzflächenfilme, die gerade bei niedrigen Einzugsgeschwindigkeiten die Schmierfilmdicke effektiv erhöhen. Dadurch kann die Reibung um bis zu 40 % verringert werden. Der adhäsive Tribofilm erzeugt hingegen einen Widerstand gegen den Öleinzug im Schmierspalt und erhöht dadurch die Reibung im Vergleich zu den polierten Stahloberflächen. Insgesamt werden außerdem Verschleißverringerung und Korrosionsschutz nachgewiesen, wobei die vorliegenden Ergebnisse nur Tendenzen darstellen, von welcher Lage die jeweilige Schutzwirkung herrührt. Des Weiteren zeigen Untersuchungen, dass es große Unterschiede zwischen der Filmbildung und den tribologischen Einflüssen zwischen oligomeren und monomeren Vinylmethoxysilanen / -siloxanen besteht. Der monomere Precursor bildet viel geringere polymere Filmdicken, zeigt dafür aber eine homogenere und weniger raue Tribofilmabscheidung. Dadurch können allerdings keine Verringerung der Reibung und des Verschleißes erreicht werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VIII, 126 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Dispersive Solids
Date Deposited: 08 Dec 2020 09:20
Last Modified: 08 Dec 2020 19:09
DOI: 10.25534/tuprints-00013538
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-135389
Referees: Riedel, Prof. Dr. Ralf and Stark, Prof. Dr. Robert
Refereed: 1 September 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13538
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