Metallsulfide als PTFE-Alternative?
Wie neue Festschmierstoffe die Tribologie von Hochleistungskunststoffen revolutionieren könnten
PTFE (Polytetrafluorethylen) ist der Goldstandard unter den Festschmierstoffen, aber seine Tage könnten gezählt sein. Warum? Weil PTFE zu den PFAS gehört, einer Stoffgruppe, die wegen ihrer Umweltbeständigkeit und potenziellen Gesundheitsrisiken zunehmend reguliert wird. Gibt es wirksame Alternativen besonders für Hochleistungskunststoffe wie PEEK oder glasfaserverstärktes PPA?
In unserer Studie, veröffentlicht in Lubricants, haben wir untersucht, wie alternative Metallsulfide (z. B. Wolframdisulfid, Zinnsulfide, Molybdändisulfid) im Vergleich zu PTFE abschneiden? Mit der Kernfrage, ob sie in tribologisch anspruchsvollen Anwendungen mithalten – oder sogar besser sein können?
Die Antwort ist: Ja, aber nicht pauschal. Einige Metallsulfide zeigen bessere Verschleißfestigkeit als MoS₂ oder PTFE, aber nur, wenn das gesamte System (Matrix, Füllstoffgehalt, Belastung, Temperatur) stimmt.
Warum Festschmierstoffe? Warum nicht einfach Öl?
In vielen Anwendungen von Gleitlagern über Dichtungen bis hin zu Zahnrädern sind trockene oder minimal geschmierte Systeme gefragt. Hier kommen Festschmierstoffe ins Spiel:
Sie reduzieren Reibung und Verschleiß, ohne externe Schmierung.
Sie erhöhen die Lebensdauer von Bauteilen unter extremen Bedingungen (hohe Lasten, Temperaturen, aggressive Umgebungen).
Sie ermöglichen „wartungsfreie“ Systeme – ein riesiger Vorteil für die Industrie.
Bisher dominieren PTFE, Graphit und MoS₂ den Markt. Doch während PTFE wegen PFAS in der Kritik steht, haben MoS₂ und Graphit andere Grenzen:
MoS₂ oxidiert bei hohen Temperaturen (>400°C) und verliert seine Wirksamkeit.
Graphit braucht Feuchtigkeit für optimale Schmiereigenschaften.
PTFE ist zwar universell einsetzbar, steht aber auf der REACH-Substitutionsliste.
Wir haben alternative Metallsulfide getestet, darunter Wolframdisulfid (WS₂), Zinnsulfid-basierte Systeme (SLS 22) und Hybrid-Varianten, und sie mit PTFE und PE-UHMW (Ultra-Hochmolekulares Polyethylen) verglichen.
Nicht jeder Schmierstoff ist gleich und die Matrix entscheidet mit
Wir haben drei Hochleistungskunststoffe, nämlich Reines PEEK (unverstärkt), PPA mit 15 % Glasfasern und PPA mit 30 % Glasfasern. Nachfolgend ist zusammengefasst, wie sich die Füllstoffe auf die Ergebnisse ausgewirkt haben.
🔹 SLS 22 (Zinnsulfid-basiert) übertrifft MoS₂ und PTFE in Verschleißfestigkeit
In PEEK reduziert SLS 22 den Verschleiß um bis zu 25 % im Vergleich zu MoS₂ bei ähnlichem Reibungskoeffizient. Warum? Die Plättchenstruktur der Sulfide ermöglicht ein besseres „Gleiten“ der Schichten ähnlich wie bei Graphit, aber unabhängig von Feuchtigkeit. Die Reibung ist nicht immer niedriger als bei PTFE, aber der Verschleiß ist deutlich geringer.
🔹 Glasfasern verstärken den Effekt – aber nur, wenn der Füllstoff gut verteilt ist
In PPA mit 15 % Glasfasern zeigt SLS 22 eine 10-fach geringere Verschleißrate als ungefülltes PPA. Bei 30 % Glasfasern wird der Effekt noch stärker, aber nur, wenn der Füllstoffgehalt optimiert ist (zu viel führt zu Agglomeraten und schwächt die Matrix). Das Problem der Glasfasern ist deren abrasiver Charakter, mit dem sie den Schmierfilm zerstören, wenn sie freigelegt werden.
🔹 PTFE ist (noch) nicht tot, aber Metallsulfide holen auf
PTFE bleibt der König der Reibungsreduktion, aber SLS 22 und WS₂ schneiden beim Verschleiß oft besser ab. PE-UHMW (ein Polymer-Schmierstoff) zeigt gute Ergebnisse, ist aber temperaturempfindlicher als Metallsulfide. Hybrid-Systeme (z. B. SLS 22 + PTFE) könnten die beste Lösung sein, aber das muss noch erforscht werden.
Festschmierstoffe sind kein „One-Fits-All“; das System muss stimmen
Unsere Studie zeigt: Es gibt keine universelle Lösung. Die Performance hängt ab von der Kunststoffmatrix, dem Belastungskollektiv (Belastung, Temperatur, Bewegungsart, etc.), und die Verteilung der Füllstoffe
Können alternative Metallsulfide PTFE ab sofort ersetzen?
Ja – aber nicht überall. Hier eine Einschätzung:
✅ Vorteile der alternativen Metallsulfide:
Bessere Verschleißfestigkeit als MoS₂ und Graphit in vielen Fällen.
Keine PFAS-Problematik – ein großer Pluspunkt für Nachhaltigkeit und Regulierung.
Temperaturstabiler als PTFE (bis ~350°C).
Geringere Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen (z. B. Feuchtigkeit).
❌ Nachteile / offene Fragen:
Reibungskoeffizient oft höher als bei PTFE, aber nicht immer kritisch, wenn der Verschleiß niedrig bleibt oder kann sogar erwünscht sein.
Anbindung an die Matrix ist entscheidend, ohne gute Haftung wirken die Schmierstoffe nicht und verschlechtern sogar die mechanischen Eigenschaften durch Fehlstellencharakter
Farbwahl der Bauteile ist eingeschränkt, da viele Metallsulfide die Bauteile sehr dunkel färben
Kosten: Einige Metallsulfide (z. B. WS₂) sind teurer als PTFE.
Verarbeitung: Bei zu hohen Füllgraden (>15 %) kann die Fließfähigkeit der Schmelze leiden.
Metallsulfide sind eine Alternative, aber kein Allheilmittel
Unsere Studie beweist: Metallsulfide wie SLS 22 oder WS₂ können PTFE in vielen Anwendungen ersetzen oder sogar übertreffen. Aber:
Es gibt keinen „besten“ Festschmierstoff; die Wahl hängt vom gesamten tribologischen System ab.
Die Anbindung an die Matrix ist entscheidend, denn ohne gute Verteilung und Haftung nützen auch die besten Schmierstoffe nichts.
PTFE bleibt ungeschlagen in Sachen Reibungsreduktion, aber Metallsulfide holen auf, besonders beim Verschleiß.
Wie sehen Sie das? Haben Sie bereits Erfahrungen mit alternativen Festschmierstoffen gemacht? Wo sehen Sie die größten Hürden – bei den Materialkosten, der Verarbeitung oder der Langzeitstabilität? Würden Sie Metallsulfide als PTFE-Ersatz in Betracht ziehen – oder setzen Sie weiter auf bewährte Systeme?
Wir freuen uns auf Ihre Meinung und Einschätzungen!
Wer sich gerne in die tribologische Schadensanalyse stürzen möchte, sollte am besten in der Publikation nachlesen: https://doi.org/10.3390/lubricants9090091
Danke an alle Co-Autoren, ohne die diese Studie nicht so reibungslos entstanden wäre.