Rivestimenti privi di PFAS

Le sostanze alchiliche per- e polifluorurate, in breve PFAS, sono praticamente imbattibili in termini di funzionalità: sono estremamente resistenti sia alle sostanze chimiche che al calore, ed è proprio per questo che sono oggetto di pressioni normative. Tuttavia, la loro sostituzione è tutt’altro che semplice. I PFAS riducono l’attrito, proteggono i componenti dall’usura e dalla corrosione, impediscono l’accumulo di materiale e mantengono le proprietà di funzionamento di emergenza quando i film lubrificanti cedono. Per questi motivi, qualsiasi alternativa richiede non solo un nuovo materiale, ma anche un metodo affidabile per applicarlo a un’ampia varietà di componenti.

Attraverso i progetti RePEEK, EPOS, LEMBAS e pureWaterSeal, il Fraunhofer ILT sta sviluppando processi basati sul laser per l’applicazione di rivestimenti ad alte prestazioni privi di PFAS su grandi componenti metallici, cuscinetti a strisciamento, guarnizioni e rulli in elastomero sensibili. A seconda dell’applicazione, il laser può depositare materiali di rivestimento, fonderli localmente o strutturare selettivamente la superficie. Poiché eroga energia esattamente dove è necessaria e solo per un breve periodo, il laser consente agli ingegneri di lavorare materiali sostitutivi privi di PFAS che altrimenti richiederebbero trattamenti in forno ad alto consumo energetico o temperature che potrebbero danneggiare il componente sottostante.

Il materiale da solo non risolve il problema

«A prima vista, la sostituzione dei PFAS sembra semplice: eliminare un materiale problematico e sostituirlo con un altro», afferma il dott. Samuel Moritz Fink, responsabile del gruppo di lavorazione dei film sottili presso il Fraunhofer ILT. «In pratica, tuttavia, la sfida è molto più complessa. I materiali contenenti PFAS vengono spesso utilizzati proprio dove i componenti sono sottoposti ai carichi meccanici più elevati».

I materiali alternativi devono aderire in modo affidabile a metallo, plastica o gomma, resistere alle alte temperature, rimanere saldamente legati sotto carico ed essere comunque applicabili in modo economico, anche su componenti di grandi dimensioni. «Il polietereeterchetone, o PEEK, è un materiale molto interessante sia dal punto di vista chimico che meccanico», spiega Fink. «Tuttavia, non eguaglia automaticamente tutte le proprietà del PTFE (politetrafluoroetilene). Il PEEK è più rigido, più costoso e, a seconda dell’applicazione, più difficile da lavorare. Per molti componenti industriali, la scelta di una polvere, di una pellicola o di un polimero diverso rappresenta quindi solo una parte della soluzione.»

La vera sfida risiede nel processo di produzione. Come viene applicato il materiale sostitutivo sulla superficie? Come si lega al componente? E come possono gli ingegneri evitare che i substrati sensibili al calore vengano danneggiati durante la lavorazione?

«Non consideriamo le alternative ai PFAS semplicemente come una questione di materiali», afferma il dott. Christian Vedder, responsabile del dipartimento di Tecnologia delle Superfici e Ablazione presso il Fraunhofer ILT. «La nostra ricerca si concentra su processi di produzione basati sul laser che ci consentono di realizzare in modo selettivo sistemi di rivestimento innovativi». Questi processi laser intervengono proprio in quei settori in cui i materiali sostitutivi da soli non sono ancora in grado di garantire le prestazioni richieste. Essi strutturano le superfici, migliorano l’adesione tra il rivestimento e il componente e modificano localmente i sistemi di rivestimento senza riscaldare inutilmente l’intero pezzo.

RePEEK: rivestimenti in PEEK mediante un processo ibrido

Nel progetto RePEEK, il team di ingegneria delle superfici sta studiando come applicare rivestimenti a base di PEEK a componenti metallici utilizzati in sistemi mobili sottoposti a carichi elevati. L’attenzione è rivolta alle applicazioni nell’ingegneria meccanica, tra cui cuscinetti a strisciamento di grandi dimensioni, guarnizioni, pistoni e valvole solenoidi.

I grandi cuscinetti a strisciamento utilizzati nelle turbine eoliche rappresentano un esempio particolarmente chiaro di questa sfida. Un albero ruota all’interno di un guscio del cuscinetto rivestito, che attualmente nella maggior parte dei casi è protetto da sistemi di rivestimento a base di PTFE. Come suggerisce il nome, RePEEK sostituisce il PTFE con il PEEK.

«Oggi il PEEK viene spesso applicato su componenti di grandi dimensioni sotto forma di pellicola o di polvere che viene successivamente fissata mediante calore», spiega Samuel Fink. «Questo approccio può funzionare bene per i componenti di piccole dimensioni. Con parti metalliche che pesano diverse tonnellate, tuttavia, la situazione diventa molto più complicata. L’intero componente deve essere riscaldato in un forno ad alta temperatura e poi raffreddato lentamente.” Il processo consuma grandi quantità di energia, richiede molto tempo e riscalda una quantità di materiale ben superiore a quella effettivamente necessaria per il rivestimento stesso.

I ricercatori utilizzano innanzitutto un processo di deposizione basato sul laser per creare uno strato superficiale metallico. Questa superficie volutamente ruvida fornisce un ancoraggio meccanico per il polimero. Successivamente applicano la polvere di PEEK all’interno dello stesso ambiente di processo e la fondono localmente con il laser. Il polimero si fissa sulla superficie metallica ruvida, creando un rivestimento composito costituito da uno strato funzionale metallico e da uno strato superiore a base di PEEK.

Il team ha sviluppato un ugello appositamente progettato per la polvere di PEEK e ha già depositato una domanda di brevetto per il processo. L’ugello a ciclone riduce notevolmente il flusso di gas, consentendo alla polvere di raggiungere la superficie a una velocità molto inferiore invece di rimbalzare via da essa. Di conseguenza, il processo utilizza in modo più efficiente una maggiore quantità della polvere applicata ed è più facile da controllare.

EPOS: Rivestimenti multistrato in PEEK per cuscinetti a strisciamento di grandi dimensioni

Partendo dal progetto RePEEK, Delil Idris Demir del Fraunhofer ILT sta studiando come i rivestimenti a base di PEEK possano essere depositati in modo affidabile su componenti di cuscinetti a strisciamento di grandi dimensioni in più strati. L’applicazione del rivestimento passo dopo passo consente di ottenere spessori maggiori senza dover riscaldare interamente in forno componenti del peso di diverse tonnellate. ACS Coating Systems apporta la sua vasta esperienza nei rivestimenti in PEEK, in particolare per le applicazioni relative ai cuscinetti a strisciamento. L’azienda sviluppa questi sistemi di rivestimento dalla metà degli anni ’90 e oggi produce rivestimenti con spessori che vanno da pochi micrometri a un millimetro. L’amministratore delegato, il dott. Christoph Stecher, sostiene il progetto mettendo a disposizione la propria competenza nella progettazione dei rivestimenti, nell’applicazione su scala industriale e nel passaggio alla produzione su larga scala.

Polymer Service GmbH Merseburg (PSM), guidata dalla dott.ssa Katrin Reincke, testa e valuta i sistemi di rivestimento ottenuti. Il loro lavoro si concentra sulla cristallinità, sulla microstruttura e sulle condizioni termiche dello strato di PEEK, nonché sulle sue proprietà meccaniche e termomeccaniche. Questi dati contribuiranno a ottimizzare sia il processo laser sia la strategia di rivestimento multistrato, in modo che il rivestimento aderisca uniformemente al substrato e resista alle sollecitazioni meccaniche a lungo termine presenti nei cuscinetti a strisciamento. EPOS riunisce quindi le competenze del Fraunhofer ILT nello sviluppo di processi basati sul laser, l’esperienza industriale di ACS nella tecnologia dei rivestimenti e le competenze di PSM nel campo della scienza dei materiali.

LEMBAS: Rivestimenti antiaderenti per rulli in elastomero sensibili

Il progetto LEMBAS si concentra sui rulli in elastomero utilizzati nella produzione di pellicole, nell’industria dell’imballaggio, nella produzione di carta e nella tecnologia medica. In queste applicazioni, anche piccole particelle rilasciate dalla superficie del rullo possono diventare rapidamente un problema.

«I rivestimenti in silicone sono ancora ampiamente utilizzati per queste applicazioni», spiega Adam El-Sarout, anch’egli membro del Thin Film Processing Group presso il Fraunhofer ILT. «Sebbene garantiscano le proprietà antiaderenti richieste, non offrono sempre la durata richiesta dagli attuali processi di produzione ad alta velocità». In collaborazione con Rhenotherm, azienda specializzata in rivestimenti, il team LEMBAS sta sviluppando processi di produzione basati sul laser che utilizzano polimeri ad alte prestazioni come il PEEK, la poliammide e il polipropilene. Rispetto al silicone, questi materiali offrono una maggiore resistenza all’usura, una migliore stabilità chimica e una durata di servizio più lunga, il tutto senza l’uso di PFAS.

«La vera sfida è la finestra di lavorazione», afferma El-Sarout. «I polimeri ad alte prestazioni richiedono temperature di fusione elevate, ma gli elastomeri come l’EPDM possono tollerare solo un calore limitato. Riscaldare un intero rullo di gomma in un forno danneggerebbe il substrato». Il laser risolve proprio questo problema generando temperature elevate solo dove necessario e solo per un tempo molto breve all’interno del materiale di rivestimento. Lo strato funzionale si scioglie, mentre la componente elastomerica sottostante rimane in gran parte protetta dai danni termici.

Per garantire un’adesione a lungo termine, i ricercatori stanno sviluppando non solo il rivestimento antiaderente stesso, ma anche uno strato intermedio che protegga l’elastomero e rafforzi il legame con lo strato funzionale superiore. Stanno inoltre adattando le proprietà ottiche e reologiche dei materiali al processo laser, studiando al contempo metodi adeguati di rivestimento e di pretrattamento laser.

«Un materiale sostitutivo non deve limitarsi a fornire la funzionalità richiesta», afferma Vedder. «Deve anche essere compatibile con il componente, con i limiti di temperatura del substrato e con il processo di produzione». Se questa fase avrà esito positivo, il processo offrirà numerosi vantaggi: minore usura, minori contaminanti nel prodotto, minore necessità di pulizia e minor consumo di solventi, oltre a un fabbisogno energetico significativamente inferiore rispetto ai processi convenzionali basati su forni.

pureWaterSeal: guarnizioni prive di PFAS per lubrificanti a base acquosa

Nel progetto pureWaterSeal, i ricercatori degli Istituti Fraunhofer per la Tecnologia Laser (ILT) e per la Meccanica dei Materiali (IWM) stanno sviluppando guarnizioni sostenibili che eliminano la necessità di PFAS e funzionano con lubrificanti a base acquosa. Il progetto affronta contemporaneamente due sfide ambientali: i PFAS persistono nell’ambiente a tempo indeterminato, mentre i lubrificanti a base di olio contaminano il suolo e l’acqua.

«In Germania si consumano circa un milione di tonnellate di lubrificanti a base di olio ogni anno», afferma Matthias Laermann, responsabile del team di strutturazione delle superfici presso il Fraunhofer ILT. «Un solo litro di olio può contaminare fino a un milione di litri di acque sotterranee. Le conseguenze includono suoli inquinati, approvvigionamenti alimentari contaminati ed ecosistemi danneggiati. Stiamo sviluppando soluzioni che affrontino entrambe le sfide contemporaneamente».

I ricercatori del Fraunhofer IWM hanno sviluppato rivestimenti in carbonio simile al diamante (DLC) specificamente per componenti polimerici privi di PFAS. Il team del Fraunhofer ILT ha poi utilizzato un laser per strutturare il rivestimento, alleviando localmente le tensioni interne e i carichi meccanici senza compromettere la stabilità del rivestimento nel suo complesso. Allo stesso tempo, la combinazione del rivestimento e della strutturazione laser riduce l’attrito, migliora la resistenza all’usura e prolunga la durata delle guarnizioni.

I primi prototipi sono già in funzione nelle pompe utilizzate nelle centrali geotermiche. In collaborazione con partner industriali, i ricercatori stanno ora adattando le guarnizioni per ulteriori applicazioni, tra cui autovetture, eliche navali, turbine eoliche e macchine agricole. Allo stesso tempo, il team si sta preparando a scalare la tecnologia per sistemi più grandi e per la produzione industriale.

Il laser rende praticabile la transizione dei materiali

I vari progetti del Fraunhofer ILT dimostrano che la sostituzione dei PFAS non si limita alla semplice sostituzione di un materiale con un altro. Richiede anche processi di produzione e di ingegneria delle superfici in grado di applicare tali nuovi materiali in modo affidabile. In questo contesto, il laser svolge un ruolo fondamentale. Esso deposita i materiali in modo localizzato, li fonde esattamente dove necessario o struttura rivestimenti funzionali senza esercitare sollecitazioni termiche superflue sul componente sottostante.

Ciò offre all’industria una maggiore flessibilità. Non è necessario attendere un’unica soluzione sostitutiva in grado di coprire tutte le applicazioni dei PFAS. In collaborazione con i partner industriali, il Fraunhofer ILT sta sviluppando sistemi di rivestimento su misura per vari componenti ed esigenze: superfici a basso attrito per cuscinetti a strisciamento, rivestimenti antiaderenti resistenti all’usura per rulli e sistemi di tenuta privi di PFAS per lubrificanti a base acquosa.