Water-based boundary lubrication with biomolecule additives on diamond-like carbon and stainless steel surfaces

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Holmberg, Kenneth, Prof., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
dc.contributor.author Hakala, Timo J.
dc.date.accessioned 2015-12-18T10:02:22Z
dc.date.available 2015-12-18T10:02:22Z
dc.date.issued 2015
dc.identifier.isbn 978-952-60-6573-1 (Aalto, electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-6572-4 (Aalto, printed)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8374-4 (VTT, electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8375-1 (VTT, printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (Aalto, electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (Aalto, printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (Aalto, ISSN-L)
dc.identifier.issn 2242-1203 (VTT, electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (VTT, printed)
dc.identifier.issn 2242-119X (VTT, ISSN-L) fi
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/19330
dc.description.abstract Friction and wear incur high economic costs globally. It has been estimated that approximately 30% of energy is used to overcome friction. Developing new solutions, such as coatings, surface texturing and lubricants, to reduce friction in the boundary lubrication regime can have great importance to global energy savings in the future.  In this thesis, water-based lubricants with hydrophobin protein (HFBI, HFBII and FpHYD5) and quince mucilage additives were used to lubricate engineering materials such as diamond-like carbon (DLC) coatings, stainless steels and plastics. It was found that hydrophobins can form monolayers on stainless steel, diamond-like carbon (a-C:H) and PDMS surfaces. On stainless steel surfaces, HFBI and FpHYD5 layers contain 40-64% water. Increasing the water content in hydrophobin film reduced friction in hydrophobin-lubricated stainless steel vs stainless steel contacts. The same effect was seen in quince mucilage-lubricated UHMWPE vs stainless steel contact.  The lowest friction coefficients (COF) were measured in FpHYD5 hydrophobin-lubricated contacts where COF as low as 0.03 was measured. Quince mucilage-lubricated UHMWPE vs stainless steel reduced the friction coefficient to as low as 0.02. Of all the tests, the lowest friction coefficients (close to 0.01) were measured with HFBI and FpHYD5 hydrophobins in PDMS vs PDMS contacts.  Based on the results, it can be suggested that the requirements for water-based lubricationwith biomolecule additives in industrial applications are • A mild temperature range, T= 4 - 95°C • Low contact pressures, 0.1-5 MPa • Hydrophobic surfaces, contact angle of water > 90° • Stable conditions (pH, ionic strength)  In the future, water-based lubricants could be used in, among others, the food and beverageindustry, the textile industry and biomedical applications. en
dc.description.abstract Kitka ja kuluminen aiheuttavat vuosittain merkittäviä taloudellisia menetyksiä. On arvioitu, että noin 30 % maailman energiankulutuksesta kuluu kitkahäviöihin. Uusien teknologisten ratkaisujen, kuten pinnoitteiden, pinnan teksturoinnin sekä voiteluaineiden, avulla voidaan kitkaa alentaa erityisesti rajavoitelualueella.  Tässä väitöskirjassa on tutkittu erilaisten hydrofobiini-proteiinien sekä kvitten hedelmästä liuotetun liman käytettävyyttä lisäaineena terästen, timantinkaltaisten pinnoitteiden (DLC) sekä muovien vesivoitelussa. Tutkimuksessa havaittiin, että hydrofobiinit kykenevät muodostamaan ruostumattoman teräksen, DLC:n sekä PDMS-muovin pinnoille yhden molekyylin paksuisia kerroksia. Teräksen pinnalle muodostuneessa proteiinikalvossa 40-64 % massasta oli vettä. Veden määrällä hydrofobiinien muodostamassa voitelukalvossa oli positiivinen vaikutus kitkan ja kulumisen alenemiseen teräs vs. teräs-kontaktissa. Myös kvitten limalla voidelluissa polyeteeni vs. teräs - kokeissa havaittiin, että molekyyleihin sitoutuneella vedellä on kitkaa alentava vaikutus.  Alhaisimmat kitkakertoimet (0,03) teräs vs. teräs kontaktissa mitattiin FpHYD5-nimisellä hydrofobiinilla. Alhainen kitka johtui teräskuulan pinnalle syntyneestä proteiinikalvosta. Kvitten limalla pystyttiin saavuttamaan alhaisimmillaan 0,02 kitkakerroin polyeteeni vs. teräs kontaktissa. Kaikista alhaisimmat kitkakertoimet saavutettiin PDMS vs. PDMS - kontaktissa, missä HFBI ja FpHYD5 hydrofobiinit alensivat kitkan lähelle 0,01:tä.  Tulosten perusteella voidaan todeta, että vesipohjaisilla voiteluaineilla on potentiaalia rajavoiteluun teollisissa sovelluksissa esimerkiksi elintarvike-, tekstiili- ja terveysteknologia-aloilla, jos lämpötilat, kontaktipaineet, materiaaliominaisuudet sekä olosuhteet ovat sopivat. fi
dc.format.extent 72 + app. 94
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 144/2015
dc.relation.ispartofseries VTT Science
dc.relation.ispartofseries 118
dc.relation.haspart [Publication 1]: Ahlroos T, Hakala TJ, Helle A, Linder MB, Holmberg K, Mahlberg R, Laaksonen P, Varjus S. Biomimetic approach to water lubrication with biomolecular additives. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2011; vol. 225 no. 10 1013-1022. DOI: 10.1177/1350650111406635
dc.relation.haspart [Publication 2]: Hakala TJ, Laaksonen P, Saikko V, Ahlroos T, Helle A, Mahlberg R, Hähl H, Jacobs K, Kuosmanen P, Linder MB, Holmberg K. Adhesion and tribological properties of hydrophobin proteins in aqueous lubrication on stainless steel surfaces. RSC Advances, 2012; 2: 9867-9872. DOI: 10.1039/C2RA21018E
dc.relation.haspart [Publication 3]: Hakala TJ, Saikko V, Arola S, Ahlroos T, Helle A, Kuosmanen P, Holmberg K, Linder MB, Laaksonen P. Structural characterization and tribological evaluation of quince seed mucilage. Tribology International, 2014; 77: 24-31. DOI: 10.1016/j.triboint.2014.04.018
dc.relation.haspart [Publication 4]: Hakala TJ, Laaksonen P, Helle A, Linder MB, Holmberg K. Effect of operational conditions and environment on lubricity of hydrophobins in water based lubrication systems. Tribology, 2014; 8(4): 241-247. DOI: 10.1179/1751584X14Y.0000000084
dc.relation.haspart [Publication 5]: Hakala TJ, Metsäjoki J, Granqvist N, Milani R, Szilvay GR, Elomaa O, Deng M, Zhang J, Li F. Adsorption and lubricating properties of HFBII hydrophobins and diblock copolymer poly(methyl methacrylate-b-sodium acrylate) additives in water-lubricated copper vs. a-C:H contacts. Tribology International, 2015; 90: 60-66. DOI: 10.1016/j.triboint.2015.04.006
dc.relation.haspart [Publication 6]: Shi Z, Hakala TJ, Metsäjoki J, Szilvay GR, Li F. Lubrication of aluminium versus diamond-like carbon contacts with hydrophobin proteins. Accepted to be published in Surface Engineering.
dc.subject.other Materials science en
dc.title Water-based boundary lubrication with biomolecule additives on diamond-like carbon and stainless steel surfaces en
dc.title Timantinkaltaisten pinnoitteiden ja ruostumattoman teräksen rajavoitelu vesipohjaisten voiteluaineiden ja biomolekyylien avulla fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Materiaalitekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Materials Science and Engineering en
dc.subject.keyword friction en
dc.subject.keyword wear en
dc.subject.keyword hydrophobins en
dc.subject.keyword quince mucilage en
dc.subject.keyword water-based lubrication en
dc.subject.keyword kitka fi
dc.subject.keyword kuluminen fi
dc.subject.keyword hydrofobiinit fi
dc.subject.keyword kvitten lima fi
dc.subject.keyword vesipohjainen voitelu fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-6573-1
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Koskinen, Jari, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
dc.opn Morina, Ardian, Prof., University of Leeds, UK
dc.rev Lehtovaara, Arto, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.rev Wong, Patrick P.L., Dr., City University of Hong Kong, Hong Kong
dc.date.defence 2016-01-29


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse