Nieuwe kunststof volledig zelfreparerend, recyclebaar en gifvrij

Groningse wetenschappers hebben een alternatief ontwikkeld voor epoxyhars dat bij beschadiging zichzelf kan repareren. Ook is het materiaal – een bepekt aantal keren - volledig recyclebaar en het bevat geen bisfenol A, een stof die de hormoonhuishouding kan verstoren. Maandag 17 oktober promoveerde Rodrigo Andrés Araya Hermosilla op de ontwikkeling van dit alternatief.

Epoxyhars is een belangrijk onderdeel van zogeheten thermohardende plastics. Plastics bestaan doorgaans uit een polymeer en een vulmiddel, dat de eigenschappen van het eindproduct grotendeels bepaalt. Door verschillende vulmiddelen te mengen met epoxyhars ontstaan verschillende plastics, van de binnenkant van bierdoppen of frisdrankblikjes tot coatings voor auto’s, roeispanen, windmolens of elektronica en lijmen.

‘Een probleem van deze stoffen is dat ze niet meer in de oorspronkelijke componenten zijn terug te brengen’, vertelt Francesco Picchioni, hoogleraar chemische producttechnologie bij het Engineering and Technology Institute van de RUG en promotor van Andrés Araya Hermosilla. Bij plastics zijn lange polymeerketens onderling gekoppeld. Bij thermoharders is de energie die nodig is om deze koppelingen te verbreken zo groot, dat ook de ketens kapot gaan. ‘Wij hebben in 2009 aangetoond dat we een thermoharder kunnen maken waarbij de ketens wel los te maken zijn zonder ze te beschadigen.’

Het werk van Andrés Araya Hermosilla borduurt hier op voort. ‘Ons eerste onderzoek ging alleen over polymeren. Nu zijn ze ook bestudeert in combinatie met vulmiddelen’, legt Picchioni uit. Stap voor stap is de combinatie van polymeer en vulmiddel aangepast om een goed eindproduct te krijgen. ‘Het materiaal was bijvoorbeeld te broos, maar door toevoeging van rubber werd het taaier.’

Nanobuisjes

Uiteindelijk ontstond een materiaal waarin vooral koolstof nanobuisjes zijn verwerkt. Die geven het materiaal goede mechanische eigenschappen, maar ze maken het ook geleidend. En dat is op een interessante manier bruikbaar, vertelt Picchioni: ‘Wanneer we een stroom door dit materiaal sturen, warmt het op. En bij opwarmen zullen de verbindingen tussen de polymeren langzaam wat loslaten, ze worden een beetje vloeibaar. In die toestand verdwijnen kleine beschadigingen vanzelf.’ Met behulp van een elektrische stroom kan het materiaal zichzelf dus herstellen.

Bij sterkere verhitting valt het helemaal uit elkaar, en blijven de oorspronkelijke polymeerketens over. ‘Dan kun je het weer opnieuw gebruiken, en heb je volledige recycling, van ‘cradle to cradle’ zoals dat heet.’ Tot nu toe is dat niet mogelijk bij thermohardende plastics. ‘Die moet je dan hergebruiken als kunststofkorrels in diverse toepassingen, of je probeert wat van de energie uit het materiaal terug te winnen door verbranding.’

Elektronica

Dit recyclen is nog beperkt. ‘Het lukt ons om het materiaal een keer te hergebruiken. Bij een volgende keer is het resultaat niet zo goed meer.’ Mogelijk valt dit te verbeteren, maar een keer volledig hergebruik is al winst.

Concrete toepassingen heeft Andrés Araya Hermosilla nog niet onderzocht. ‘Wat het meest voor de hand ligt is gebruik als vervanging voor epoxyhars’, denkt Picchioni. Die wordt gebruikt om allerlei soorten plastics te maken, voor lijmen en coatings en in elektronica. ‘Al die toepassingen zijn nu niet volledig te recyclen.’ Daarnaast bevat epoxyhars vaak de verbinding bisfenol A, die lijkt op het vrouwelijk geslachtshormoon. Er lijken gezondheidsrisico’s te kleven aan het grootschalig gebruik hiervan.

Het alternatief van Picchioni is wel recyclebaar, zelfreparerend en bevat geen bisfenol A. Zitten er dan geen nadelen aan? Picchioni lacht. ‘Ons plastic is gemaakt op basis van polyketon, een polymeer dat in de jaren tachtig werd ontwikkeld maar nog niet commercieel verkrijgbaar is.’ Daar lijkt overigens verandering in te komen, in Zuid Korea is onlangs een polyketonfabriek begonnen met productie. Dus wellicht dat de Groningse vinding langs die route de markt kan veroveren.

Andrés Araya Hermosilla verdedigde zijn proefschrift op 17 oktober 2016.