Veelzijdige polymeerpleister geschikt voor diverse industrieën: van luchtvaart tot orthopedie

Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM ontwikkelden een nieuwe polymeerpleister. De thermovormbare, recyclebare pleister wordt op het beschadigde gebied gedrukt en hardt volledig uit in slechts 30 minuten. Het innovatieve vezelversterkte plastic is zo veelzijdig dat het kan worden gebruikt in een groot aantal verschillende industrieën, van de luchtvaart tot de orthopedie.

Het repareren van lichtgewicht composietonderdelen – denk aan vliegtuigvleugels, rompsecties, staartvlakken en deuren – is een tijdrovend en kostbaar proces met meerdere werkstappen. Monteurs repareren het beschadigde gebied meestal met behulp van een moeizaam nat lamineerproces. Of door vezelversterkte polymeren (FRP’s) of aluminium structuren, bekend als doublers, op het oppervlak aan te brengen. Deze methoden gaan echter gepaard met een lange uithardingstijd en vereisen extra lijm. Onderzoekers van Fraunhofer IFAM ontwikkelden een polymeerpleister van dynamische polymeernetwerken. Hiermee is het mogelijk het langdurige en bewerkelijke reparatieproces te verkorten tot slechts 30 minuten.

Innovatief materiaal

Het materiaal is gebaseerd op benzoxazines, een nieuwe klasse thermohardend materiaal dat bekend staat als een thermoharder. Bijzonder aan dit materiaal is dat de gepolymeriseerde kunststof niet smelt of zich anderszins gedraagt als een traditioneel harssysteem dat wordt gebruikt bij nat lamineren. De dynamische netwerkprocessen van de polymeerpleister maken het mogelijk om het materiaal plaatselijk te verwarmen. De volledig uitgeharde patch past zich in verwarmde toestand aan de plaats van reparatie aan. Bij kamertemperatuur heeft het polymeer thermohardende eigenschappen. Hierdoor kleeft de patch niet en is het mogelijk de pleister stabiel te bewaren. Dit bespaart energie, omdat de polymeerpleister bij kamertemperatuur kan worden opgeslagen en geen koeling nodig heeft, waardoor de opslagkosten dalen.

Gebruik polymeerpleister

De polymeerpleister wordt aangebracht op het lichtgewicht onderdeel dat gerepareerd moet worden met behulp van druk en thermisch geïnduceerde uitwisselingsreacties. Het maakt snelle reparaties mogelijk, met een volledige uitharding binnen 30 minuten. Werken met reactieve gevaarlijke materialen, zoals nodig is bij traditionele harssystemen, is niet nodig. De vitrimere eigenschappen maken het mogelijk om de polymeerpleister te verwijderen wanneer dat nodig is, zonder resten achter te laten.

Directe reparaties

“Onze lijmvrije, opslagstabiele vezelversterkte pleister maakt directe reparaties van beschadigde composietmaterialen en hybride structuren mogelijk. Omdat het polymeer van nature een vitrimeer is, gedraagt de pleister zich tijdens opslag als een conventioneel thermohardend composietmateriaal. Maar hij hecht ook gemakkelijk wanneer hij gewoon wordt verwarmd, zonder dat er extra lijm nodig is.” Dat zegt Dr. Katharina Koschek uit, hoofd van de afdeling Adhesive Bonding and Polymeric Materials bij Fraunhofer IFAM in Bremen.

Gebruik in de luchtvaart

Het innovatieve materiaal heeft een hoge mechanische sterkte en thermostabiliteit. Daardoor is het bijzonder geschikt voor mobiliteitstoepassingen zoals de automotive, spoorweginfra en in de luchtvaart. Het kan worden vervormd en heeft zelfherstellende eigenschappen. Aan het einde van de levensduur kan het worden gerecycled, omdat het polymeernetwerk kan worden opgelost en zowel de vezels als het polymeersysteem kunnen worden hergebruikt. “Conventionele thermoharders kunnen achteraf niet vervormd worden en zijn niet recyclebaar. Onze polymeerpleisters op basis van benzoxazine hebben daarentegen al deze eigenschappen. Het veelzijdige materiaal omvat veel aspecten van het duurzame gebruik van polymeren met het oog op de circulaire economie,” zegt Koschek. “Door reparatie en hergebruik verlengt het de levensduur van lichtgewicht constructies en helpt het om het verbruik van nieuwe grondstoffen te verminderen.” Een ander voordeel is dat het gecombineerd kan worden met andere materialen, waardoor het ook geschikt is voor integratie in structuren van metalen zoals staal.

Gebruik in de orthopedie

De veelzijdigheid biedt mogelijkheden voor toepassingen in verschillende sectoren, zelfs in de orthopedie. Hier zou het thermovormbare materiaal bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om in de toekomst individueel aanpasbare orthesen en prothesen te maken. Op dit moment is het op maat maken van lichtgewicht hulpmiddelen zoals deze een zeer arbeidsintensief proces, omdat conventionele composietmaterialen niet veel aanpassingen toestaan zodra de hars is uitgehard. “Prothesen worden op maat gemaakt voor individuele patiënten. Maar ze passen niet altijd. De kleinste onvolkomenheid in de pasvorm of fysiologische verandering kan betekenen dat de prothese de patiënt pijn of ongemak bezorgt en zijn behandeling verstoort. Vroeger betekende dit dat er een nieuwe prothese moest worden gemaakt, en vanwege de eisen en de hoeveelheid gedetailleerd handmatig werk die orthopedisch werk met zich meebrengt, kan dat enkele maanden duren,” legt Koschek uit.

Samenwerking

Het gebruik van thermovormbare materialen zou het opnieuw maken van dit soort medische hulpmiddelen overbodig kunnen maken. In het CFKadapt project werkten onderzoekers van Fraunhofer IFAM samen met orthopedisch en prothetisch bedrijf REHA-OT Lüneburg Melchior und Fittkau GmbH, E.F.M. GmbH en het Leibniz Institute of Polymer Research Dresden (IPF) om een nieuw vezelversterkt polymeer te ontwikkelen dat gebaseerd is op dynamische polymeernetwerken en op verschillende manieren kan worden aangepast. Het belangrijkste verschil tussen het nieuwe materiaal en commerciële matrixsystemen voor orthopedische hulpmiddelen gemaakt van vezelcomposieten is de mogelijkheid om het nieuwe materiaal opnieuw aan te passen en te modelleren naar de juiste druk- of steunpunten. Daardoor wordt een dynamische aanpassing aan de patiënt en zijn veranderende behoeften in de loop van de behandeling mogelijk.

Openingsfoto: De vormbare, recyclebare polymeerpleister kan elke gewenste vorm en grootte aannemen (Fraunhofer IFAM)

Lees ook: Lijm gemaakt van veren