潤滑油を接触面に捕集する技術を開発――安価な潤滑油で高効率／低摩擦に動く機械の実現に寄与東北大学ら

東北大学は2023年10月31日、同大学大学院工学研究科と名古屋大学大学院工学研究科、韓国光技術院（KOPTI）の共同研究チームが、潤滑油を接触面に捕集する技術を開発したと発表した。主成分に安価な潤滑油を用いる場合でも、高効率かつ低摩擦に動く機械の実現に寄与することが期待される。

機械潤滑油では、さまざまな効果を有する潤滑油添加剤を基油（ベースオイル）に添加する方法が一般的となっている。ベースオイルにはさまざまな種類が存在しており、低摩擦性や耐摩耗性に優れるベースオイルには高価なものが多い。

このため、安価な潤滑油をベースオイルとして高機能潤滑油を混合した二液混合油により、高機能性と低コストを両立する技術の開発が近年進められている。

ただし、二液混合油を使用する際、高機能潤滑油のしゅう動部への接触部への輸送確率は混合割合に準ずることになるため、優れた潤滑特性を得るにあたっては、結局多くの高機能潤滑油を要することが課題となっていた。

同研究チームは今回、しゅう動面（物体が接触し、相対運動することにより形成される面）の潤滑油の流動特性を解明。さらに、誘電泳動（二つの電極間に交流電場を印加した際に、分散物質が電極に引き付けられる現象）を活用することで、高機能潤滑油をしゅう動部に選択的に輸送するしゅう動面システムを開発した。

今回の研究では、PAO4と呼ばれる潤滑油と、プロピレングリコール（以下、PG）と呼ばれる低摩擦の潤滑油を組み合わせて用いた。

誘電泳動を生じさせるため、接触しているしゅう動面の各面をそれぞれ電極として作用させている。ただし、両面に金属などの導電性材料を用いた場合は、電極間での電位勾配が生じないため、今回の実験では電極の表面に薄い絶縁体を配置した。

まず、一般的な二液混合油を用いて、しゅう動面に電圧を印加せずに観察したところ、機能性潤滑油がしゅう動部に届けられるどうかは無作為であることが判明した。

次に、しゅう動面に100Vの電圧を印加して観察したところ、誘電泳動現象により、ごく少量混合したPG油が接触面に誘引され、しゅう動部を覆うことが分かった。

冒頭の画像は、右図が誘電泳動（100V印加）によりしゅう動部に凝集する低摩擦潤滑油の様子、左図が無印加条件では凝集しない様子を示している。青点線内が機能性低摩擦潤滑油となっている。

さらに、摩擦試験により、実際にどの程度の摩擦低減効果が生じるかを確認した。その結果、ごくわずかなPG油の場合でも、効率的に捕集することでしゅう動面が覆われる場合は、摩擦係数が0.052となった。

PG油を100%用いた場合の摩擦係数0.047に非常に近い値となっている。PAO4潤滑油のみの場合の摩擦係数0.067に対しては、22％減となった。

誘電泳動を発生させるための交流電圧の大きさと摩擦係数の関係

なお、100Vよりも大きな電圧を印加した場合は、摩擦係数が再度上昇した。そこで、この条件の摩擦試験で透明ITO膜電極を用いて、摩擦面における潤滑油の分布を観察。高電圧条件（1000V）では、PG油がローラーとディスク試験片の接触部を避けるように馬蹄形の形状となり、完全に覆えていないことが判明した。

原因を探るため、有限要素法（解析したい対象を小さな要素に分割して、それぞれの要素内における微分方程式のつり合いの関係から全体の挙動を解析する手法）を用いた電場解析を実施。結果、この摩擦試験条件では、電圧が大きくなるとローラー端部への誘電泳動力が急激に上昇することが分かった。

（左）高電圧（1000 V 印加）時に形成される PG 油の馬蹄形の凝集形態の様子
（右）この条件における各位置に働く誘電泳動力

今回の研究結果は、ごく少量の高機能潤滑油を用いて十分な摩擦低減効果を発揮できる潤滑システムの開発につながることが期待される。安価な潤滑油でも摩擦損失の低減が可能になることでエネルギー効率が向上し、カーボンニュートラルの実現に寄与する可能性を秘めている。

また、潤滑油が減少した際も安定した摩擦が可能となるほか、潤滑油の使用をごく少量に抑えられるため、自然環境への影響を低減できることなどもメリットとなる。

潤滑油を接触面に捕集する技術を開発――安価な潤滑油で高効率／低摩擦に動く機械の実現に寄与　東北大学ら