Iontové kapaliny mazivy zítřka

Tato technika byla vyvíjena během posledních zhruba 20 let. Následující informace jsou pro jejich představení nutné, ale nikoliv dostačující, protože Iontové kapaliny (Ionic Liquids) dávají tisíce kombinací vlastností. Podle definice jde o látky obsahující organický kation (např. imidazolium, pyridinium, pyrolidinium a další) a anorganický, příp. organický anion (chlorid, síran, borát, tetrafluoroborát, octan, imid, amid a další). Jsou složeny jen z iontů a nejsou solemi v obvyklém smyslu slova, mají však teplotu tání nižší než 100 °C, takže jsou za běžné teploty kapalné. Z nich největší zájem poutají iontové kapaliny s teplotou tání pod normální teplotou označované jako RTIL (Room Temperature Ionic Liquids).

Stovky iontových kapalin s tisíci vlastností

Podle kombinatorické chemie je v současnosti možných 1018 iontových kapalin; z tohoto počtu se k červnu 2007 zkoumá zhruba 1000 iontových kapalin, z nichž asi 300 je komerčně využitelných nejen v oboru čerpadel a kompresorů. Iontové kapaliny (dále IL) mají dobré lubrikační vlastnosti, vysokou teplotní stabilitu, nehořlavost, nevýbušnost, nepatrnou stlačitelnost a nízkou rozpustnost plynů. Tím, že mají téměř neměřitelnou tenzi par, měly podle prvních představ nahradit rozpouštědla a stát se tzv. „zelenými rozpouštědly“ a látkami „zelené chemie“. Protože některé jsou v různé míře toxické, vzaly tyto představy z větší části brzy za své.

Nicméně např. látka 1-ethyl-3-methyl-imidazolium-ethylsulfát (zkráceně [EMIM EtSO4]-) z produkce BASF toxická není a je biologicky odbouratelná. Okolnost, že IL mají nepatrnou tenzi par, ještě neznamená základní předpoklad „zelenosti“ lL – jako u jiných látek je nutno posuzovat jejich celý životní cyklus.

Iontová kapalina Basionic LQ01 [EMIM EtSO4]- má jen třetinovou stlačitelnost minerálního oleje a dvoutřetinovou stlačitelnost vody, a tím předpoklad vysoké účinnosti vysokotlakých čerpadel, vakuových čerpadel, kompresorů a pulzátorů. Se schopností vytvářet tenkou a dlouhodobě stabilní mazací vrstvu mezi povrchy při vysokých zatíženích a teplotách jsou vhodnější než levná syntetická maziva na bázi polyalfaolefinů.


Přes vysokou teplotní stabilitu fluorovaných látek užívaných jako maziva např. PFPE (perfluorpolyether, DuPont Krytox) a PTFE (polytetrafluorethylen,  DuPont Teflon) až do 343 °C resp. 310 °C, jsou jejich lubrikační schopnosti slabší. Většina IL navržených jako maziva nabízí lepší frikční vlastnosti a odolnost vůči opotřebení povrchů i bez aditiv, než běžné motorové oleje třídy 10W40. Kritéria pokrývají optimální viskozitu a malý úhel smáčení, který lze upravovat chemickou strukturou. Značná část z nich nepůsobí korozi, ale výjimky existují, jako alkylsulfáty typu [R-O-SO3]-, které hydrolyzují stykem s vodou s výrazným korozním účinkem vůči oceli. Pro použití u čerpadel a kompresorů je důležité, že nepůsobí korozi plastů a elastomerů používaných jako těsnění.

Tekuté písty nebo kapalinové kroužky

Vlastnosti je spolu s nízkou rozpustností plynů a reaktivitou vůči chemickým látkám určují pro mazání kompresorů a vakuových čerpadel jako tekuté písty a kapalinové kroužky. Elektrická vodivost chrání před výbojem statické elektřiny, jinak dosahované přídavkem grafitu.


Velký potenciál má vhodnost vybraných typů k mazání kompresorů, ložisek, ventilů a těsnicích elementů pro 100% kyslík, podobně jako olejů a tuků Krytox. Dva typy IL snášejí kyslík i ve stavu aerosolu do tlaku 300 bar, takže kyslíkový kompresor s mazivem už není snem.

S tekutými písty nejenže jsou reálné izothermální kompresory, ale u běžných kompresorů zvyšují životnost na desetinásobek, přičemž počet pohyblivých dílů se snižuje nejméně o pětinu. Snižují cenu pístových kompresorů a jejich spotřebu energie až o 20 %. Do budoucna mají velký potenciál u čerpadel zemního plynu a vodíku pro pohon automobilů, kde umožní až dva roky spolehlivého provozu bez údržby. Právě vodík, k jehož efektivnímu skladování je potřeba stlačení na cca 400 bar, je příkladem využitým firmou Linde v tzv. iontovém kompresoru s externím chlazením média. Linde má několik kompresorů na LNG a vodík ve zkušebním provozu a jejich komerční nasazení je blízké.

Jen samotné užití [EMIM EtSO4]- u membránových čerpadel místo hydraulických olejů je spojeno s vyšší objemovou účinností o 10–30 %. Čím vyšší je tlak, čím vyšší je objem kapaliny nebo kratší zdvih, tím vyšší je přínos. Nízká rozpustnost plynů v IL během nasávání může výrazně zpřesnit přesnost dávkování. U vakuových čerpadel s kapalinovým kroužkem vytvářeným excentrickým oběžným kolem se zvýší vakuum použitím IL místo vody ze 70 mbar na cca 10 mbar, přičemž některé konstrukce dovolí snížení až na 1 mbar i méně. 

Nakládání s odpady

Způsob nakládání s odpady určuje výrobce v listech MSDS (Materials Safety Data Sheet) pro každý produkt. Některé typy jsou biologicky rozložitelné. Jen několik typů lL lze přímo materiálově recyklovat, u jiných lze destilací získat produkt, který je možné použít k jejich zpětné výrobě. Nehořlavost IL se vztahuje jen k nejvyšší teplotě použití. Nad touto teplotou, většinou nad 120 °C, se rozkládají za vzniku hořlavých plynů. Likvidují se pyrolýzou a spalováním, zpravidla nad teplotou 700 °C.

Cena a další unikátní aplikace

Zatím se IL považují pro užití v čerpadlech a kompresorech za drahé. Komerční typy se totiž vyrábějí převážně v kilogramových a tunových (např. Basionic LQ01) množstvích i u jejich největšího výrobce BASF. Investiční krize a omezování výroby na čas přechod na IL a změnu situace oddálily. Vyšší účinnost, potenciál energetických úspor a vhodnost IL pro kyslík, vodík a LNG se však prosadí.

Iontové kapaliny mají také některé další unikátní vlastnosti. Elektrolyty s IL na bázi [AlCl4]- umožňují vylučování hliníkových vrstev na oceli. Jiné IL elektrolyty mohou vytvářet vrstvy solárních fotovoltaických článků se zvýšenou barevnou citlivostí při nižší intenzitě světla, v rozptýleném světle a s dostatečnou vodivostí při nízkých teplotách od –20 °C do 80 °C, a to i na flexibilních článcích vyráběných v rolích. Obrovský potenciál IL je skryt ve schopnosti některých typů rozpouštět celulózu k přímé výrobě viskózových vláken. Dosud je výroba viskózových vláken nepřiměřeně malá, neboť je spojena s užitím vysoce toxického sirouhlíku, jenž je obrovskou zátěží životního prostředí. Odhaduje se, že každoročně se obnoví asi 7,5.1010 t celulózy, z čehož se spotřebuje asi 2.108 t převážně na celulózu a papír a jen 5.106 t na hodnotnější výrobky, převážně na viskózová vlákna. 

Zdroj: Abušinov, Alexandr. Iontové kapaliny mazivy zítřka. MM Průmyslové spektrum [online] <http://www.mmspektrum.com/>