Productie recyclebaar plastic stap dichterbij

Een onlangs ontdekte groep recyclebare plastics lijkt een veelbelovend alternatief voor het moeilijk recyclebare harde plastic. Onderzoekers van de TU Eindhoven denken echter dat deze zogeheten vitrimeren nog niet in producten toegepast kunnen worden omdat ze lastig te bewerken zijn. Dat heeft ermee te maken dat niet alleen te temperatuur, maar ook de dichtheid invloed heeft op de bewerkbaarheid van deze nieuwe vorm van plastics. Nieuwe inzichten brengen de productie van recyclebare plastic dichterbij; het kan onder meer leiden tot recyclebare dashboards voor de auto-industrie.

“Plastic staat bekend als moeilijk recyclebaar en daarmee zeer milieuonvriendelijk”, schrijft TU Eindhoven eind november op haar website. “Dan gaat het echter vooral over de zogeheten harde plastics, of thermosets, zoals biljartballen of het dashboard in je auto. Een andere groep plastics, thermoplastics, waar de industrie folie, koffiebekertjes of speelgoed van maakt, is juist heel goed te recyclen maar helaas ook veel minder sterk. In 2011 werd een nieuwe groep plastics ontwikkeld, de zogeheten vitrimeren, die zo sterk zijn als harde plastics maar wél recyclebaar. Het Europese patentenbureau EPO riep de ontdekker van het materiaal in 2015 uit tot European Inventor (filmpje).”

MYSTERIEUS MATERIAAL

Dat is volgens de wetenschappers allemaal heel veelbelovend, maar een commerciele toepassing van vitrimeren is nog ver weg. Om ermee te kunnen produceren, moeten fabrikanten weten hoe ze het materiaal de gewenste eigenschappen kunnen geven, zodat ze op de gewenste manier in producten verwerkt kunnen worden. Zelfs wetenschappers zijn er echter nog niet over uit hoe het materiaal werkt.

TU/e-natuurkundige Liesbeth Janssen, promovendus Simone Ciarella en BSc student Rutger Biezemans presenteren nu een computermodel waarmee duidelijk wordt hoe temperatuur en dichtheid de vitrimeren vervormen. Janssen: “Nu we beter snappen hoe het materiaal natuurkundig in elkaar zit, hopen we in een vervolgproject ook echt recyclebare plastics te gaan produceren voor de industrie.”

FRAGILITEIT BEPAALT RECYCLEBAARHEID

Uit hun model blijkt dat de fragiliteit van de vitrimeren bepalend is voor de verwerkbaarheid van het plastic in de fabriek. Ciarella: “De fragiliteit staat voor de snelheid waarmee een materiaal van een vaste stof overgaat in een vloeistof (smelten) en andersom (stollen). Hoe lager de fragiliteitswaarde is, hoe makkelijker het plastic is om te vormen en dus hoe beter het materiaal recyclebaar is.”

Naast het begrijpen en kunnen voorspellen hoe deze fragiliteit invloed heeft, wisten Liesbeth Janssen en collega’s de fragiliteit van het plastic zelfs ‘af te stellen’. Zo blijkt dat de fragiliteit veranderd kan worden door de dichtheid van het materiaal aan te passen. Zo kan de fabrikant in de toekomst precies het gewenste gedrag instellen.

De stervormige vitrimeren verwisselen van dwarsverbinding.

DWARSVERBINDINGEN OPEN- EN DICHTKLAPPEN

Om de werking uit te leggen moeten we inzoomen op de natuurkundige eigenschappen van alle drie de typen plastics. Plastics bestaan uit zeer lange strengen, ook wel polymeren genoemd. Thermosets zijn zo sterk door de vele verbindingen tussen deze strengen. En dat verklaart direct de slechte recyclebaarheid. Verhitting zorgt namelijk voor een onomkeerbaar verbreken van deze bindingen. Thermoplastics hebben geen verbindingen, en zijn daardoor makkelijk te vervormen door het verhogen van de temperatuur. Maar dat maakt ze ook direct minder sterk.

Ciarella: ‘Het interessante van vitrimeren is dat ze wél veel dwarsverbindingen hebben, maar door verhitting kunnen deze links openen en later weer dichtgaan op een andere plaats. Op kamertemperatuur gedragen deze vitrimeren zich daardoor even sterk als thermosets. Maar bij verhitting gedragen ze zich juist als makkelijk te vervormen thermoplastics. Deze plastics behouden dus hun kwaliteit bij het omsmelten.’

DUURZAME DASHBOARDS

De kennis uit dit onderzoek dient als theoretische basis voor het Horizon 2020 International Training Network-project genaamd VITRIMAT, dat in januari gaat starten. Binnen dit project zal TU/e met acht internationale partners toewerken naar het praktisch toepassen van vitrimeren. Een van de doelen is het ontwerpen van recyclebare dashboards voor de auto-industrie.

Voor dat project worden binnenkort 15 phd’s geworven. Eén van hen zal in Eindhoven worden gestationeerd, onder begeleiding van Liesbeth Janssen, Kees Storm en Wouter Ellenbroek. Janssens focus daarbij is de fundamentele natuurkunde. Haar onderzoeksgebied is namelijk veel breder dan plastics. Ze onderzoekt glasachtige materialen. Vitrimeren zijn daar een voorbeeld van. Maar Janssen doet ook onderzoek naar de glasfase van epitheel-cellen in je longblaasjes of in computerbits. Lees meer over Janssens glasonderzoek in dit achtergrondverhaal.

Bron: TU Eindhoven