28/08/2019
Door Ad Spijkers
Polyetheen (PE) zou een ideaal materiaal kunnen zijn voor een lichtgewicht constructie. Maar tot nu toe zijn alleen met koolstof- of glasvezels versterkte PE-typen echt mechanisch belastbaar. Tot nu toe.
Verwerking van PE kost weinig energie, het kan worden geproduceerd uit hernieuwbare grondstoffen en is bijna volledig recycleerbaar. Wetenschappers van het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM), de Albert-Ludwigs-Universität (beide in Freiburg) de polyolefinefabrikant LyondellBasell hebben een duurzame, zuivere PE composiet geproduceerd en gekwalificeerd. De clou: de versterkende vezelstructuren zijn ook gemaakt van PE en worden zelfs tijdens het spuitgieten aangemaakt.
Polyolefinen
Polyetheen (PE) en polypropeen (PP) zijn goed voor meer dan de helft van alle wereldwijd geproduceerde kunststoffen. Ze komen voor in veel alledaagse kunststofproducten. Als enkelvoudig materiaal zijn ze eenvoudig herbruikbaar. Hierdoor en door hun lage massa zijn deze polyolefinen geschikt voor duurzame lichtgewicht constructie. Dit geldt zeker voor de automobielindustrie, die wettelijk de recycleerbaarheid van hun producten met een bepaald percentage moet aantonen.
Uit de huidige PE-typen kunnen echter geen dragende componenten worden geproduceerd omdat het niet duurzaam genoeg is als materiaal. Ter versterking worden momenteel versterkingsmiddelen gebruikt, met name koolstof- of glasvezels. Daarbij verslechteren echter wel de energie-, grondstof-, milieu- en kostenbalans: productie en recycling zijn moeilijker en duurder.
Ultrahoogmoleculair PE (UHMWPE) wordt weliswaar gebruikt als een hoogwaardig materiaal, bijvoorbeeld in medische implantaten. DSM maakt er bijvoorbeeld zeer sterke vezels van (Dyneema). Maar dit sterke en slijtvaste materiaal kan niet door spuitgieten worden verwerkt. Het moet als poeder in een mal worden geperst, gesinterd en vervolgens verspanend bewerkt om de exacte component te vormen. Hoewel UHMWPE-vezels de sterkte van staal kunnen bereiken, zijn ze duur en niet geschikt voor materiaalrecycling.
PE-composiet
In het SusCOMP-project hebben de drie partijen onderzoek gedaan naar PE-composieten via spuitgieten zijn te verwerken en direct zelfversterkend zijn. Daarbij ging de aandacht vooral uit naar de mechanische eigenschappen. Het zou technisch mogelijk zijn om UHMWPE vezels als versterkingen in PE op te nemen, maar dit zou veel werk en kosten en met zich meebrengen maakt producten ongeschikt voor materiaalrecycling.
Met behulp van een katalysator worden verschillende, niet gecrosslinkte PE-ketens geproduceerd (boven). De in de 3D-spuitneus ontstane vezels worden in de gewenste oriëntatie neergelegd.
Onderzoekers va de Albert-Ludwigs-Universität gebruikten verschillende katalysatoren, met behulp waarvan PE selectief in verschillende ketenlengtes kan worden geproduceerd, fijn verdeeld op dezelfde katalysatordrager. De mengsels van PE met laag, gemiddeld en ultrahoog molecuulgewicht worden gelijktijdig geproduceerd door etheenpolymerisatie. Hierdoor worden PE-mengsels direct tijdens de polymerisatie geproduceerd en kunnen ze gemakkelijk door spuitgieten worden gevormd.
De hoge afschuifstromen tijdens het spuitgieten in smalle matrijzen zorgen er voor dat door zelfassemblage van het materiaal UHMWPE-structuren worden gevormd uit de bestanddelen met ultrahoog molecuulgewicht. Deze vezels versterken de component en oriënteren zich tijdens het spuitgieten in de gewenste richting, waardoor mechanische stabiliteit wordt gewaarborgd. Bovendien zijn de componenten gemakkelijk te recyclen. De onderzoekers hebben monsters van deze materialen tien keer gerecycled en steeds dezelfde goede kwaliteit gekregen.
De foto boven aan de pagina toont een dynamische microtrekproef aan een gespuitgiet proefstaafje voor het onderzoeken van het van de rek afhankelijke gedrag van het materiaal. Foto's: Fraunhofer IWM.