EP2473587A1 - Schmierstoffe auf wasserbasis - Google Patents

Schmierstoffe auf wasserbasis

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EP2473587A1
EP2473587A1 EP10747591A EP10747591A EP2473587A1 EP 2473587 A1 EP2473587 A1 EP 2473587A1 EP 10747591 A EP10747591 A EP 10747591A EP 10747591 A EP10747591 A EP 10747591A EP 2473587 A1 EP2473587 A1 EP 2473587A1
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EP
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water
weight
lubricant
lubricants
foaming
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Martin Schmid-Amelunxen
Martin Schweigkofler
Thomas Kilthau
Jochen MÜHLEMEIER
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Klueber Lubrication Muenchen GmbH and Co KG
Original Assignee
Klueber Lubrication Muenchen GmbH and Co KG
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Definitions

  • the present invention relates to water-based lubricants.
  • the invention relates to the use of water-based lubricants for the lubrication of friction partners in drive elements, as well as their use.
  • Lubricants are used in particular in drive elements, such as chains, gears, rolling and plain bearings or seals on rotating shafts. These lubricants are based on mineral oil or synthetic hydrocarbons. Especially in rolling and plain bearings, the lubricants ensure that a separating, load-transmitting lubricating film is built up between the sliding or rolling parts. This ensures that the metallic surfaces do not touch and thus no wear occurs. The lubricants must therefore meet high requirements with regard to: cooling the friction point, extreme operating conditions, such as very high and very low speeds,
  • the operating fluid consists of a mixture of water and an aliphatic hydrocarbon in which graphite particles are suspended as a solid lubricant.
  • This solid lubricant is in the form of flaky graphite particles having a particle size of less than 50 pm.
  • Further components of this lubricant and coolant are dispersing additives, defoamers, corrosion inhibitors. Disadvantages of this operating fluid are the graphite particles present in solid or flaky form, which on the one hand can settle out of the suspension and thus adhere the operating parts to be lubricated.
  • Another disadvantage is the persistent contamination of components that come into contact with graphite-containing lubricants. If a filtration of the lubricating oil is required during operation, the graphite may lead to a clogging of the filter pores. In addition, the operating fluid has a very low viscosity, which can lead to failure of the lubricating film at high loads.
  • the present invention was therefore based on the object to provide a water-based lubricant that meets the above requirements, in particular is biodegradable and that helps to significantly reduce the production of carbon dioxide.
  • a lubricant consisting of water, water-soluble polyalkylene glycols, water-soluble emulsifiers and lubricant-compatible additives is used.
  • the water-soluble polyalkylene glycols are selected from the group of randomly distributing polyoxyethylene and polyoxypropylene units and / or other polyoxyalkylene units having one or more hydroxyl end groups, from a block polymer of polyoxyethylene and / or polyoxypropylene units and / or other polyoxyalkylene units.
  • anionic surfactants for example sulfonates, nonionic surfactants, eg fatty alcohol ethoxylates or NPE or cationic surfactants, for example quaternary ammonium compounds, water-soluble or water-emulsifiable carboxylic acid esters are used.
  • the low-temperature behavior of water-based lubricants by the addition of antifreeze e.g. low molecular weight glycols, glycerol, salts or ionic liquids can be significantly improved.
  • additives can be added to influence the properties of the lubricant targeted. These may be in soluble or dispersed, colloidal or nanoscale form.
  • water-based lubricants can also be formulated foaming.
  • the application as a spray foam is of particular interest here, because it allows a visual control of the lubricant application. In the case of contamination of textiles or machine parts with water-based lubricating fluids, these are easy to clean.
  • the "base oil” according to the invention can also be converted into a lubricating grease or a lubricating paste by mixing with soap or urea powders, layered silicates or other common lubricant thickeners.
  • Lubricant contains:
  • water-soluble polyalkylene glycol selected from the group consisting of randomly distributed polyoxyethylene and / or polyoxypropylene units and / or other polyoxyalkylene units, a block polymer of polyoxyethylene and / or polyoxypropylene units and / or other polyoxyalkylene units,
  • foaming or non-foaming emulsifiers from the class of anionic (eg sulfonates), nonionic (eg fatty alcohol ethoxylates or also NPE) or cationic (eg quaternary ammonium compounds) surfactants or water-soluble or water-emulsifiable carboxylic acid esters, 0.5 to 50 wt. % Antifreeze selected from the group consisting of alkylene glycol, glycerol, salts or ionic liquids,
  • corrosion additives such as alkanolamines, boric acid or carboxylic acid derivatives
  • the lubricant composition may contain the following components:
  • biocides e.g. Sorbic acid and / or
  • the lubricant composition 0.5 to 40 wt .-% lubricant thickener selected from the group consisting of metal soaps of mono- and / or dicarboxylic acids, ureas, phyllosilicates, solid lubricants and Aerosil
  • Such a compounded lubricant is particularly suited by the solid lubricant-free concept for applications in which the lubricant is continuously filtered, e.g. Transmission in wind turbines.
  • Table 1 shows properties of Example Formulation 1 compared to a mineral oil based product.
  • Alcohol polyglycol ether 5.0% by weight
  • Example 1 shows advantages of the lubricant already described in Example 1 .
  • the addition of nanoparticles ensures even greater wear protection.
  • Table 2 shows properties of Example Formulation 2 compared to a mineral oil based product. Despite its clearly low viscosity, the aqueous formulation has significantly improved wear protection (higher achievable surface pressure) according to Reichert.
  • An oil foam consists of
  • the pour point of the formulation is -20 ° C.
  • This composition has a high foam formation, which allows the application by means of spray / pump spray as a foam.
  • Such an application has the advantage that the lubricant on the surface can be detected well visually, even with minimum quantity lubrication immediately after application, for example with the focus quality assurance.
  • Another advantage of the application as a foam is the improved wetting of the entire surface of the tribosystem, which enables a shortened run-in time and an improved run-in behavior.
  • Figure 1 shows a significantly lower torque of a foamed (not water-based) lubricant bearing within the first 120 minutes running time.
  • Fig. 1 Current consumption of a lubricated with lubricant A bearing.
  • Table 2 shows properties of Example Formulation 4.
  • Lubricant consisting of:
  • This lubricant is suitable for lubricating seals on rotating shafts and in contrast to the known lubricants of mineral oils or synthetic hydrocarbons well biodegradable and therefore environmentally friendly to dispose of. It is characterized by a low friction, good cooling effect, good compatibility with rubber-elastic materials and has a low Geissesserverschmutzungspotential. Advantageously, it changes the viscosity when diluted with water only slightly and therefore allows the formation of an effective lubricating film.
  • the water-based lubricant according to the invention can be used for lubricating drive elements in chains, gears, rolling and sliding bearings or for lubricating seals on rotating shafts in the form of a foam, spray or emulsion by means of spray or pump spray devices with the focus of better surface wetting and the better Detectability of thin lubricating films is applied, can be used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Schmierstoffe auf Wasserbasis. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung der Schmierstoffe auf Wasserbasis für die Schmierung von Reibungspartnern in Antriebselementen, sowie deren Verwendung.

Description

Schmierstoffe auf Wasserbasis
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft Schmierstoffe auf Wasserbasis. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung der Schmierstoffe auf Wasserbasis für die Schmierung von Reibungspartnern in Antriebselementen, sowie deren Verwendung.
Die Entwicklung von neuen Schmierstoffen muß mit der allgemeinen Weiterentwicklung der Technik einhergehen, die neue und höhere Anforderungen an die Schmierstoffzusammensetzungen stellt. Dies insbesondere auch im Hinblick auf den Umweltschutz und den Ausstoß von Kohlendioxid. Diesen Anforderungen sind die bekannten Schmierstoffe auf der Basis von Mineralöl oder Syntheseöl nicht mehr gewachsen.
Anwendung finden Schmiermittel insbesondere in Antriebselementen, wie z.B. Ketten, Getrieben, Wälz- und Gleitlagern oder Dichtungen an rotierenden Wellen. Diese Schmierstoffe basieren auf Mineralöl oder synthetischen Kohlenwasserstoffen. Insbesondere in Wälz- und Gleitlagern sorgen die Schmiermittel dafür, daß zwischen den aufeinander gleitenden oder abrollenden Teilen ein trennender, lastübertragender Schmierfilm aufgebaut wird. Damit wird erreicht, daß die metallischen Oberflächen sich nicht berühren und somit auch kein Verschleiß auftritt. Die Schmiermittel müssen deshalb hohen Anforderungen genügen im Hinblick auf: - Kühlung der Reibstelle, - extreme Betriebsbedingungen, wie sehr hohe und sehr niedrige Drehzahlen,
- hohe Temperaturen, die durch hohe Drehzahlen und Belastungen und damit einhergehender Eigenerwärmung oder Fremderwärmung bedingt sind,
- sehr tiefe Temperaturen in kalter Umgebung ,
- besonderen Anforderungen des Anwenders an die Laufeigenschaften, z.B. geringe Reibung, Geräuscharmut,
- extrem lange Laufzeiten ohne zwischenzeitliche Nachschmierung,
- biologische Abbaubarkeit.
Aus der WO 2007/098523 A2 ist ein betriebsbereites Getriebe, eine Betriebsflüssigkeit für ein solches Getriebe und ein Verfahren zu dessen Erstinbetriebnahme bekannt. Die Betriebsflüssigkeit besteht aus einer Mischung aus Wasser und einem aliphatischen Kohlenwasserstoff, in dem Graphitteilchen als Festschmierstoff suspendiert sind. Dieser Festschmierstoff liegt in Form flockiger Graphitteilchen vor, die eine Korngröße von weniger als 50 pm aufweisen. Weitere Bestandteile dieses Schmier- und Kühlmittel sind Dispergieradditive, Entschäumer, Korrosionsinhibitoren. Nachteilig an dieser Betriebsflüssigkeit sind die in fester bzw. flockiger Form vorliegenden Graphitteilchen, die sich zum einen aus der Suspension absetzen und damit die zu schmierenden Betriebsteile verkleben können. Ein weiterer Nachteil ist die hartnäckige Verschmutzung von Bauteilen, die mit graphithaltigen Schmierstoffen in Kontakt kommen. Ist eine Filtration des Schmieröles im Betrieb erforderlich, kann der Graphit zu einem Verstopfen der Filterporen führen. Außerdem weist die Betriebsflüssigkeit eine sehr niedrige Viskosität auf, die bei hohen Belastungen zu einem Versagen des Schmierfilms führen kann.
Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Schmierstoff auf Wasserbasis bereitzustellen, der den oben genannten Anforderungen entspricht, insbesondere biologisch abbaubar ist und der dazu beiträgt, die Produktion von Kohlendioxid deutlich zu verringern.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Schmierstoff bestehend aus Wasser, wasserlöslichen Polyalkylenglykolen wasserlöslichen Emulgatoren und schmierstoffüblichen Zusatzmitteln verwendet wird. Die wasserlöslichen Polyalkylenglykole werden ausgewählt aus der Gruppe statistisch Verteiler Polyoxyethylen- und Polyoxypropyleneinheiten und/oder anderer Polyoxyalkylenbausteine mit einer oder mehreren Hydroxylendgruppen, aus einem Blockpolymer aus Polyoxyethylen- und/oder Polyoxypropyleneinheiten und/oder anderen Polyoxyalkylenbausteinen. Als Emulgator werden anionische Tenside, z.B. Sulfonate, nichtionische Tenside, z.B. Fettal koholethoxylate oder NPE oder kationische Tenside, z.B. quartäre Ammoniumverbindungen, wasserlösliche oder wasseremulgierbare Carbonsäureester eingesetzt.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass bestimmte Formulierungen auf Wasserbasis (Wassergehalt > 10%) die Schmierleistung üblicher Schmierstoffe übertreffen und Reibwerte signifikant senken. Dadurch und durch die gute intrinsische Kühlwirkung kommt es zu verringerter Temperaturentwicklung im Tribosystem. Solche Schmierstoffe auf Wasserbasis sind gut biologisch abbaubar und umweltverträglich in aquatischer Umgebung. Außerdem zeichnen sie sich durch gute Verträglichkeit mit gummielastischen Werkstoffen aus.
Je nach Anwendung kann beispielsweise das Tieftemperaturverhalten wasserbasierter Schmierstoffe durch Zusatz von Frostschutzmittel, z.B. niedermolekularer Glycole, Glycerin, Salze oder Ionischer Flüssigkeiten erheblich verbessert werden.
Weiterhin können Additive zugesetzt werden, um die Eigenschaften des Schmierstoffs gezielt zu beeinflussen. Diese können in löslicher oder dispergierter, kolloidaler oder nanoskaliger Form vorliegen.
Falls erwünscht, können wasserbasierte Schmierstoffe auch schäumend formuliert werden. Die Applikation als Sprühschaum ist hierbei von besonderem Interesse, weil dadurch eine visuelle Kontrolle des Schmierstoffauftrags ermöglicht wird. Im Falle einer Kontamination von Textilien oder Maschinenteilen mit wasserbasierten Schmierflüssigkeiten sind diese leicht zu reinigen.
Zum Einfärben von Schmierstoffen auf Mineralöl- oder Syntheseölbasis sind meist gesundheitsschädliche und/oder ökotoxikologische Farbstoffe erforderlich. Im Falle wasserbasierter Schmierstoffe kann eine Vielzahl an toxikologisch unbedenklichen wasserlöslichen Farbstoffen bis hin zu Lebensmittelfarben eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße „Grundöl" kann auch durch Vermischen mit Seifen- oder Harnstoffpulvern, Schichtsilicaten oder anderer gängiger Schmierstoffverdicker zu einem Schmierfett oder einer Schmierpaste umgesetzt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen wasserbasierten
Schmierstoffes enthält:
5 bis 80 Gew.-% wasserlösliches Polyalkylenglykol ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus statistisch verteilten Polyoxyethylen- und/oder Polyoxypropyleneinheiten und/oder anderen Polyoxyalkylenbausteinen, einem Blockpolymer aus Polyoxyethylen- und/oder Polyoxypropyleneinheitun und/oder anderen Polyoxyalkylenbausteinen,
0,5 bis 20 Gew.% schäumende oder nichtschäumende Emulgatoren aus der Klasse anionischer (z.B. Sulfonate), nichtionischer (z.B. Fettalkoholethoxylate oder auch NPE) oder kationischer (z.B. quartäre Ammoniumverbindungen) Tenside oder wasserlöslicher oder wasseremulgierbarer Carbonsäureester, 0,5 bis 50 Gew.-% Frostschutzmittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkylenglycol, Glycerin, Salze oder Ionische Flüssigkeiten,
0,05 bis 10 Gew.-% Korrosionsadditive, wie Alkanolamine, Borsäure- oder Carbonsäurederivate,
0,001 bis 1 Gew.-% Additive zur Verhinderung von Schaumbildung, z.B. Polydimethylsiloxane oder Acrylatpolymere und
0,05 bis 5 Gew.-% Verschleißschutzmittel
ad Wasser 100 Gew.-%.
Zusätzlich kann die Schmierstoffzusammensetzung folgende Bestandteile enthalten:
0,001 bis 0,5 Gew.-% Biozide, z.B. Sorbinsäure und/oder
0,05 bis 5 Gew.-% Nanopartikel.
Des weiteren kann die Schmierstoffzusammensetzung 0,5 bis 40 Gew.-% Schmierstoffverdicker, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metallseifen aus Mono- und/oder Dicarbonsäuren, Harnstoffen, Schichtsilikaten, Festschmierstoffen und Aerosil
enthalten.
Beispiele
Beispiel 1
Zur Herstellung eines Getriebeöls werden die folgenden Bestandteile gemischt:
Wasser dest.
Propylenglycol
Polyethylenglycol hochmolekular
Alkoholpolyglycolether
Alkanolamin und Borsäurederivat
Geschwefelte Fettsäure
Es handelt sich um eine praktisch farblose wasserklare Lösung der ISO VG 32 mit gennger Schaumneigung. Der Schmierstoff bleibt bis zu Temperaturen von -35°C flüssig.
Das im Vergleich zu herkömmlichen Schmierstoffen drastisch reduzierte Reibniveau führt zu einer deutlich verbesserten Energieeffizienz und einem geringeren Geräuschniveau sowie verlängerten Standzeiten im Betrieb. Durch den Austausch von Mineralöl oder eines diesem entsprechenden Grundöls durch Wasser liegt der Vorteil auf der Nachhaltigkeit dieses Schmierstoffes.
Ein derartig zusammengesetzter Schmierstoff eignet sich besonders durch das festschmierstofffreie Konzept für Anwendungen, bei denen der Schmierstoff laufend filtriert wird, wie z.B. Getriebe in Windkraftanlagen.
In Tabelle 1 sind Eigenschaften der Beispielformulierung 1 im Vergleich zu einem Mineralöl-basierten Produkt aufgeführt. Tabelle 1
Beispiel 2
Zur Herstellung eines hochbelastbaren Getriebeöls werden die nachfolgenden Bestandteile miteinander vermischt
Wasser dest. 38,0 Gew.-%
Propylenglycol 20,0 Gew.-%
Polyethylenglycol hochmolekular 24,644 Gew.-%
Alkoholpolyglycolether 5,0 Gew.-%
Carbonsäurederivat M-528, Cortec 10,0 Gew.-%
Geschwefelte Fettsäure 2,3 Gew.-%
Ceroxid Nanopartikel 0,05 Gew.-%
Sorbinsäure 0,003 Gew.-%
Acrylcopolymer 0,003 Gew.-%
Auch hier sind die schon in Beispiel 1 beschriebenen Vorteile des Schmierstoffes vorhanden. Durch den Zusatz von Nanopartikeln ist ein nochmals erhöhter Verschleißschutz gewährleistet. In Tabelle 2 sind Eigenschaften der Beispielformulierung 2 im Vergleich zu einem Mineralöl-basierten Produkt aufgeführt. Trotz deutlich niedriger Viskosität weist die wässrige Formulierung einen signifikant verbesserten Verschleißschutz (höhere erreichbare Flächenpressung) gemäß Reichert auf.
Tabelle 2
Beispiel 3
Ein Ölschaum besteht aus
Wasser dest.
Propylenglycol
Polyethylenglycol hochmolekular
Schäumendes Fettalkoholethoxylat
Alkanolamin und Borsäurederivat
Geschwefelte Fettsäure
Auch hier sind die schon in Beispiel 1 beschriebenen Vorteile des Schmierstoffes vorhanden, der Pourpoint der Formulierung liegt bei -20°C.
Diese Zusammensetzung weist eine hohe Schaumbildung auf, was die Applikation mittels Spray/Pumpspray als Schaum ermöglicht. Eine derartige Anwendung hat den Vorteil, daß der Schmierstoff auf der Oberfläche gut visuell detektiert werden kann, selbst bei Minimalmengenschmierung unmittelbar nach Applikation z.B. mit dem Fokus Qualitätssicherung. Ein weiterer Vorteil der Applikation als Schaum ist die verbesserte Benetzung der gesamten Oberfläche des Tribosystems, was eine verkürzte Einlaufzeit und ein verbessertes Einlaufverhalten ermöglicht.
Abbildung 1 zeigt ein deutlich niedrigeres Drehmoment eines mit geschäumtem (nicht wasserbasiertem) Schmierstoff versehenen Wälzlagers innerhalb der ersten 120 Minuten Laufzeit.
Abb. 1 : Stromaufnahme eines mit Schmierstoff A geschmierten Wälzlagers.
Graue Kurve: Standardapplikation.
Schwarze Kurve: Applikation als Schaum.
Beispiel 4
Herstellung eines wasserbasierten Fettes mit Tieftemperatur-Eignung enthaltend Wasser dest. 32,0 Gew.-%
Propylenglycol 15,0 Gew.-%
Polyethylenglycol hochmolekular 15,0 Gew.-%
Li-Hydroxystearat 35,0 Gew.-%
Na-Sebazat 3,0 Gew.-%
In Tabelle 2 sind Eigenschaften der Beispielformulierung 4 aufgeführt. Tabelle 3
Walkpenetration DIN ISO 2137 NLGI 2
Grundölviskosität, DIN 51562 90 est
Fließdruck bei -30°C, DIN 51805 < 1400 mbar
Beispiel 5
Schmiermittel bestehend aus:
Wasser dest. 27,5 Gew.-%
Polyalkylenglycol hochmolekular 50,0 Gew.-%
Alkylenglycol 10,0 Gew.-%
Carbonsäurederivat M-528, Cortec 2,0 Gew.-%
Wasserlöslicher Carbonsäureester 10,0 Gew.-%
Acrylcopolymer 0,5 Gew.-% Dieser Schmierstoff ist zur Schmierung von Dichtungen an rotierenden Wellen geeignet und im Gegensatz zu den bekannten Schmiermitteln aus Mineralölen oder synthetischen Kohlenwasserstoffen gut biologisch abbaubar und deshalb umweltverträglich zu entsorgen. Er zeichnet sich durch eine niedrige Reibung, gute Kühlwirkung, gute Verträglichkeit mit gummielastischen Werkstoffen aus und besitzt ein niedriges Gewässerverschmutzungspotential. Vorteilhafterweise verändert er die Viskosität bei Verdünnung mit Wasser nur wenig und ermöglicht daher die Ausbildung eines wirksamen Schmierfilms.
Der erfindungsgemäße wasserbasierte Schmierstoff kann zur Schmierung von Antriebselementen in Ketten, Getrieben, Wälz- und Gleitlagern oder zur Schmierung von Dichtungen an rotierenden Wellen in Form eines Schaums, Sprays oder Emulsion, die mittels Sprüh- oder Pumpsprayeinrichtungen mit dem Fokus der besseren Oberflächenbenetzung und der besseren Detektierbarkeit dünner Schmierfilme appliziert wird, verwendet werden.

Claims

Schmierstoffe auf Wasserbasis Patentansprüche
1. Schmierstoff auf Wasserbasis enthaltend
5 bis 80 Gew.-% wasserlösliches Polyalkylenglykol ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus statistisch verteilter Polyoxyethylen- und/oder Polyoxypropyieneinheiten und/oder anderer Polyoxyalkylenbausteinen, einem Blockpolymer aus Polyoxyethylen- und/oder Polyoxypropyleneinheitun und/oder anderen Polyoxyalkylenbausteinen,
0,5 bis 20 Gew.% schäumende oder nichtschäumende Emulgatoren aus der Klasse der anionischen, nichtionischen oder kationischen Tenside, der wasserlöslichen oder wasseremulgierbaren Carbonsäureester,
0,5 bis 50 Gew.-% Frostschutzmittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkylenglycol, Glycerin, Salzen oder Ionischen Flüssigkeiten,
0,05 bis 10 Gew.-% Korrosionsadditive,
0,001 bis 1 Gew.-% Additive zur Verhinderung von Schaumbildung und 0,05 bis 5 Gew.-% Verschleißschutzmittel
ad Wasser 100 Gew.-%.
2. Schmierstoff nach Anspruch 1 des weiteren enthaltend
0,001 bis 0,5 Gew.-% Biozide und/oder
0,05 bis 5 Gew-% Nanopartikel.
3. Schmierstoff nach Anspruch 1 oder 2 des weiteren enthaltend
0,5 bis 40 Gew.-% Schmierstoffverdicker, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metallseifen aus Mono- und/oder Dicarbonsäuren, Harnstoffen, Schichtsilikaten, Festschmierstoffen und Aerosil,
4. Verwendung des wasserbasierten Schmierstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Schmierung von Antriebselementen in Ketten, Getrieben, Wälz- und Gleitlagern oder zur Schmierung von Dichtungen an rotierenden Wellen.
5. Verwendung des wasserbasierten Schmierstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in Form eines Schaums, Sprays oder Emulsion, die mittels Sprüh- oder Pumpsprayeinrichtungen mit dem Fokus der besseren Oberflächenbenetzung und der besseren Detektierbarkeit dünner Schmierfilme appliziert wird.
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