Nanopow(d)er Klei verbetert de mechanische eigenschappen van vezelcomposiet

4

WETENSCHAP

& O N D E R ZO E K

De titel van dit artikel

Nanopow(d)er Klei verbetert de mechanische eigenschappen van vezelcomposiet

De Eaglet, een Chileens vliegtuigje dat in samenwerking met de TU Delft is

Lichter, sterker en vooral goedkoper - dat zijn de basiseisen voor het ontwikkelen van

herontworpen, is oorspronkelijk gemaakt van glasvezel en epoxy hars (thermoharder).

nieuwe hightech-materialen in de vliegtuigbouw. Na het succes met Glare scoort de

Inmiddels is op de faculteit Lucht- en Ruimtevaart een prototype van het rich-

TU Delft opnieuw met composietmateriaal. Polymeertechnologen van de faculteit

tingsroer gebouwd van met vezelversterkt thermoplastisch polymeer. Het is de bedoeling

Technische Natuurwetenschappen vonden dat de combinatie van nanodeeltjes met

om in 2006 een herontwerp te maken met het nieuwe Delftse nanocomposiet van Daniël

nylon (polyamide 6) de ideale basis vormt voor met vezelversterkte composieten.

Vlasveld.

Toevoegen van kleiplaatjes op nanometerschaal verhoogt de stijfheid tot een factor vijf en maakt het polymeer bovendien toepasbaar bij veel hogere temperaturen. De compressiesterkte, tot nog toe dé zwakke plek van de gebruikelijke vezelversterkte composieten, wordt door toevoeging van nanoklei tot wel 40 hoger. De gevoeligheid voor vocht van polyamide beperkte tot nog toe het aantal toepassingen, SEM-opname van geweven vezelbundels.

maar door het gebruik van de nanodeeltjes komt er een scala aan nieuwe applicaties

De vezels zijn ongeveer tien micrometer dik.

in beeld. In samenwerking met de composietengroep van de faculteit Luchtvaart- & Ruimtevaarttechniek is nu meteen een eerste stap gezet. Straks vliegt de Eaglet, een testvliegtuig van de faculteit, zijn eerste proefvlucht met een staartstuk van met vezels versterkt nanocomposiet. Dwarsdoorsnede van geweven vezelbundels, geïmpregneerd met een thermoplastische

Astrid van de Graaf

matrix, in dit geval polyamide 6 (PA6).

2005.3

Nanopow(d)er

WETENSCHAP

& O N D E R ZO E K

Het begon allemaal met een simpele gedachte. Prof. Stephen Picken en prof. Sjaak Elmendorp van de afdeling Polymer Materials & Engineering van de TU Delft kwamen op het idee om een polymeer te mengen met nanokleideeltjes en dit mengsel te gebruiken voor de fabricage van vezelversterkte composieten. Het was al langer bekend dat je, als de matrix van een vezelcomposiet zou kunnen worden veranderd, de mechanische eigenschappen op een elegante manier zou kunnen verbeteren: zonder een heel nieuw polymeer te hoeven ontwikkelen. Picken: “Een polymeer, een ketenmolecuul, met deeltjes op nanoschaal noemen we een nanocomposiet. Voor een met vezelversterkt nanocomposiet worden laagjes glas- of koolstofvezel afgewisseld met laagjes nanocomposiet, en onder verwarming samengeperst. De mechanische eigenschappen van deze composiet materialen waren vooralsnog onbekend.” Dr.ir. Harald Bersee, universitair hoofddocent Design & Production of Composite Structures bij de faculteit Luchtvaart- & Ruimtevaarttechniek, vond het idee van de met vezelversterkte nanocomposiet ‘het ei van Columbus’. Bersee: “Bij onze groep kijken we wat de praktische waarde van een materiaal is. Je kunt wel een fantastisch materiaal met heel bijzondere eigenschappen ontwikkelen, maar wanneer het vervolgens heel duur of moeilijk verwerkbaar is, schiet je er niets mee op. Een van de belangrijkste drijfveren in de luchtvaart is kostenreductie. Lichter is wel interessant, maar niet tegen iedere prijs! We kijken daarom naar het totale plaatje waarbij het materiaal, het ontwerp en het verwerkingsproces worden geïntegreerd. En daar voldoet deze nanocomposiet precies aan.” Picken: “Het Dutch Polymer Institute heeft het belang van dit conceptueel onderzoek van begin af aan ingezien en gesteund door dit project op te nemen in en te financieren via de portfolio Engineering Plastics. Dit heeft een belangrijke basis gelegd onder de nu verder op te zetten ontwikkeling.”

5

Proefstukje van een polyamide-6 vezel-

Bij buiging is de compressiezijde echter

composiet. De vezels zijn goed bestand tegen

de zwakke schakel, daar hebben de vezels

trekkrachten.

de ondersteuning nodig van de matrix. Nanocomposieten kunnen de modulus ofwel de stijfheid van de matrix verhogen en hierdoor de vezels beter ondersteunen.

Om kleiplaatjes goed te kunnen verdelen in het polymeer, is het van belang dat er een goede interactie plaatsvindt tussen de plaatjes en de polymeer. Dat effect wordt bereikt door het toevoegen van oppervlakte-actieve stoffen.

Nanoklei bestaat uit stapels negatief geladen plaatjes,

De stapels van plaatjes

De stapels geladen plaatjes

sterk bijeengehouden door

zijn niet met mechanische

vallen vanzelf uiteen in water,

positief geladen ionen.

krachten op te breken.

omdat ionen graag in water oplossen.

Nanodeeltjes Voor de nanocomposieten onderzoekt de groep van Picken twee soorten nanodeeltjes: plaatjes en staafjes. De staafjes zijn synthetische nanodeeltjes gemaakt van aluminiumoxyhydroxide (zie kader). De plaatjes zijn montmorilloniet-kleideeltjes van ongeveer 1 nanometer dik en een lengte en breedte van enkele honderden nanometers. “Met name die grote lengte-breedteverhouding is interessant”, vertelt promovendus Daniël Vlasveld. Deze heel dunne maar grote plaatjes zorgen voor de hoge stijfheid van de composiet, zelfs bij lage concentraties. De kleiplaatjes hebben overigens niet allemaal precies dezelfde vorm. Je kunt het totaal vergelijken met een vel papier dat in willekeurige snippers is gescheurd.” Vlasveld heeft de afgelopen vier jaar gewerkt aan het onderzoek naar de eigenschappen van nano- en vezelcomposieten op basis van de kunststof polyamide 6 (PA6). PA6, ook wel bekend onder de naam nylon, is een polymeer opgebouwd uit het monomeer caprolactam. PA6 is volgens Picken een interessant polymeer voor composiettoepassingen. “Het heeft goede mechanische eigenschappen, zoals een lage wrijving, goede slijtvastheid en taaiheid en het is niet duur. Het wordt daarom vaak toegepast in vezels, kunststof tandwielen en behuizingen van apparaten. Het heeft bovendien een goede interactie met onze nanodeeltjes, omdat het hydrofiele groepen bezit en goed waterstofbruggen kan vormen. De nanodeeltjes zijn hydrofiel en kleven er stevig aan vast,” aldus Picken. Dit voordeel is gelijk het nadeel van PA6. Het neemt onder normale omstandigheden tot 3% vocht op, waardoor de stijfheid afneemt en zo zijn toepassingsgebied weer inperkt. Proefondervindelijk Het maken van een nanocomposiet gaat volgens de onderzoekers als volgt: je gooit PA6-korrels en een zakje kleipoeder in een verwarmde machine (extruder). De ronddraaiende schroefas kneed het door elkaar en het gevormde nanocomposiet verlaat de machine in de vorm van een spuitgietproduct of als granulaat, dat later in een pers kan worden verwerkt tot een doorzichtige folie. Tijdens de verwerking ordenen de nanodeeltjes zich in de stromingsrichting. Ook het maken van met vezelversterkt composiet is een bekend kunstje. Hiervoor worden afwisselend lagen polymeer en geweven vezels op elkaar gelegd en onder druk verwarmd. Nu lijkt het bij elkaar gooien van klei en PA6 een blinde gok, maar dat is het zeker niet, verzekert Picken: “Vroeger was het ontwikkelen van nieuwe composietmaterialen vooral trial and error. Nu maken we gebruik van reken2005.3

Aan de suspensie met individuele plaatjes kan

De positieve kop van de oppervlakte-actieve

een oppervlakte-actieve stof (een soort zeep)

stof hecht zich vervolgens aan het plaatje.

worden toegevoegd.

De gemodificeerde plaatjes hebben nu een

Door de goede interactie kunnen de plaatjes

slechte interactie met het water, maar een

zich goed verdelen in het polymeer.

goede interactie met polymeren.

PA6 granulaat (links) kan in gesmolten toestand worden gemengd met de gemodificeerde kleiplaatjes (midden) tot een nanocomposiet (rechts).

6 De Delftse faculteitsafdeling heeft een eigen extruder waarmee allerlei nanocomposieten kunnen worden gefabriceerd.

WETENSCHAP

& O N D E R ZO E K

Nanopow(d)er

modellen. We zijn inmiddels een heel eind gekomen met het ontwikkelen van de modellen, die met gegevens als de vorm en de concentratie van de deeltjes de materiaaleigenschappen voorspellen, zoals stijfheid, viscositeit en diffusie, als functie van de temperatuur. Zo kunnen we nieuwe nanocomposietmaterialen ontwerpen. Ook geven de modellen inzicht in waar de eigenschappen vandaan komen. Hierdoor kunnen we niches vinden die je anders over het hoofd ziet.” Onthechting Toch was het niet zo eenvoudig. Het polymeer met nanoklei van Vlasveld wilde zich aanvankelijk niet hechten aan het glasweefsel. “Ik kon de lagen gewoon weer van elkaar afpellen. Met elektronenmicroscopie zijn we gaan kijken wat er precies aan de hand was. De nanocomposiet was te viskeus en bleek nauwelijks tussen de vezels door te dringen, zodat de lagen niet aan elkaar plakten.” Door nanoklei toe te voegen gaat de stijfheid van het polyamide fors omhoog, zo’n factor 2 bij enkele volumeprocenten. Goed nieuws voor de toepassingen maar niet voor de verwerking, want de viscositeit van de nanocomposiet stijgt tevens zeer sterk en daardoor vloeit het nauwelijks meer. Uit Vlasvelds elektronenmicroscopie bleek ook dat de kleiplaatjes soms niet mooi homogeen over het polymeer verdeeld waren, maar als aggregaten (deeltjes bestaande uit meerdere kleiplaatjes) voorkwamen. De stroming van het nanocomposiet wordt sterk beïnvloed door de verdeling van de plaatjes. Vlasveld: “We zijn toen naar de morfologie en de concentratie van de kleideeltjes gaan kijken. Je kunt je nanoklei het best voorstellen als een stapel papier of een boek. Elke bladzijde vertegenwoordigt een kleiplaatje. Een zak met kleipoeder lijkt dan op een boekenkast. Tijdens de extrusie stort je de kast leeg en hoop je dat niet alleen de boeken mooi verdeeld worden maar eigenlijk elk blaadje apart.”

De modulus (stijfheid) van een nanocomposiet is veel hoger dan die van het ongevulde polymeer. Dat blijft ook zo bij hoge temperatuur.

Film gemaakt van nanocomposiet met behulp van een pers. Om een vezelcomposiet te maken, worden de lagen geweven vezels afgewisseld met nanocomposiet films. Proefstukjes van verschillende nanocomposieten, die worden gebruikt voor het bepalen van de mechanische eigenschappen, zoals stijfheid, sterkte of taaiheid.

In een verhitte pers smelten de films en wordt het nanocomposiet onder druk tussen de vezels geperst.

TEM-opname van een polyamide-6 nanocomposiet. De plaatjes van gemodificeerd klei zijn ongeveer 100 nanometer lang en 1 nanometer dik, ze passen daardoor makkelijk tussen de vezels.

Metamorfose Kleiplaatjes zijn negatief geladen, maar blijven in een kleiaggregaat bij elkaar doordat er tussen de kleiplaatjes positieve ionen zitten. Het kleideeltje is daardoor zelf elektrisch neutraal. Vlasveld: “In water vallen deze kleideeltjes vanzelf uit elkaar tot afzonderlijke plaatjes, een proces dat we exfoliatie noemen. Voegen we vervolgens een positief geladen oppervlakte actieve stof toe, een soort zeep, dan vormt zich rond elk kleiplaatjes een soort zeeplaagje.” Het kleiplaatje verandert hierdoor van een hydrofiel deeltje in een hydrofoob deeltje. Deze gemodificeerde kleiplaatjes slaan in water vanzelf weer neer als poeder. Doordat het oppervlak van de kleiplaatjes dat in contact komt met het polymeer nu bestaat uit de hydrofobe delen van de zeepmoleculen, kan de interactie met het polymeer flink worden verbeterd. “Dus wanneer we het kleipoeder met de pa6-korrels in de extruder mengen, exfoliëren de plaatjes en wordt alles homogeen verdeeld”, vertelt Vlasveld. “Gaandeweg bleek dat dsm hier ook mee bezig was. Bij deze onderneming onderzocht men een alternatieve methode zonder surfactant. Door kleipoeder, water en pa6 in één keer met kracht te mengen, probeerden ze de kleiplaatjes te exfoliëren. Dit scheelt een extra processtap, maar het biedt een minder homogene verdeling in het polymeer. Er blijven meer kleideeltjes als kleine aggregaten aanwezig. Dat heeft een enigszins nadelig effect op de stijfheid, maar is heel gunstig voor het vloeigedrag, iets dat belangrijk is bij onze toepassing in vezelcomposieten.” Voor de toepassing van een nanocomposiet in een vezelcomposiet is dus een compromis tussen stijfheid en viscositeit noodzakelijk, concludeert Vlasveld. Drukbelasting Door de langgerekte vezels scoort vezelcomposiet op trekbelasting heel hoog. Maar compressie is altijd de achilleshiel geweest, legt Picken uit. Wanneer je een plaatje van deze composiet buigt, ondervindt de ‘buitenkant’ van het materiaal trekkrachten en wordt de ‘binnenkant’ in elkaar geduwd. Door dit in elkaar drukken (compressie) buigen de vezels zo ver door dat het materiaal onherstelbaar beschadigd raakt. Vlasveld heeft met zijn met vezelversterkte nanocomposiet een tot 40% hogere buigsterkte gemeten ten opzichte van de standaard met vezelversterkte composiet met pa6-matrix. Deze verbetering hangt samen met de verhoging van de stijfheid van het matrixmateriaal, vooral boven de temperatuur waarbij het polyamide begint te verweken. Hoe stijver de versterkingsvezels zijn ingebed, hoe beter de compressie-eigenschappen van de vezelversterkte nanocomposiet zijn. 2005.3

Nanopow(d)er

WETENSCHAP

& O N D E R ZO E K

Windvangers Door die betere belastbaarheid in druk is de vezelnanocomposietcombinatie interessant voor alle toepassingen waarbij buigingbelasting veel voorkomt. Zo staan onder andere de bladen van windturbines op het lijstje. De markt voor windturbines is nog steeds groeiende. Net als de windturbinebladen. Groter is beter. Voor de 30 tot 60 meter lange bladen is vezel-nanocomposiet uitermate geschikt, vindt Bersee. Deze bladen moeten stijf zijn en niet te veel doorbuigen. Ze worden gemaakt via vacuüminjectie in een mal voorzien van glasvezelmatten, een verwerkingstechniek die alleen geschikt was voor thermohardende harsen, zoals polyester en epoxyhars. Thermoplasten, zoals polyamide 6, zijn al gauw te viskeus om nog goed tussen de vezels te vloeien. Door nu niet uit te gaan van polyamide 6, maar van het monomeer caprolactam is vacuüminjectie van thermoplastisch pa6 wel mogelijk. Promovendus Kjelt van Rijswijk bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaart onderzoekt deze methode. Bersee: “Caprolactam smelt bij 70 °C; het is dan waterdun, zodat het goed door de vezels kan heen dringen. Het moment bepalen wanneer je wilt polymeriseren, dat is het aaneenrijgen van het monomeer tot een lange polymeerketen, is goed te regelen. Dit kan na tien minuten tot een half uur. Daarna is het binnen enkele minuten hard. Door dit proces te combineren met nanodeeltjes zijn de mechanische eigenschappen verder te verbeteren. Bovendien is hergebruik van thermoplastische composieten mogelijk, in tegenstelling tot de traditionele thermohardende composieten.”

7

Dwarsdoorsnede van een proefstuk van vezel-

Uit buigproeven blijkt wat de invloed is van

composiet, zoals gebruikt bij mechanische tests.

het matrixmateriaal (PA-6 of nanocomposiet) en de temperatuur op de sterkte.

De sterkte van de vezelcomposiet is met een matrix van nanocomposiet hoger dan met een matrix van ongevuld PA-6, iets dat vooral van belang is bij hogere temperatuur of in een vochtige omgeving. Het composiet kan hierdoor bij veel hogere temperatuur worden toegepast. Het oorspronkelijke richtingsroer van de Eaglet

Verwerken Wat een snufje klei kan doen! De maximale gebruikstemperatuur – in vaktermen de heat distortion temperature of hdt – is voor pa6 rond 80 °C, maar wordt door toevoegen van enkele procenten nanoklei verhoogd tot maar liefst 160 °C. “De stijfheid van een materiaal is afhankelijk van de temperatuur, daarom wordt er als een polymeer niet voldoet, gezocht naar een ander en vaak duurder polymeer met een hoger temperatuurbereik. Dit hoeft nu niet meer,” aldus Vlasveld. pa6 zonder nanoklei verweekt boven de 60 °C, de amorfe delen in het polymeer worden dan zacht. De kristallijne delen van pa6 verweken pas bij de smelttemperatuur van 220 °C. Bij de luchtvaart, waarbij het gaat om gebruikstemperaturen van tussen -50 °C en 80 °C, gebruikt men daarom onder meer het polymeer pps (polyphenylene sulfide); dat pas boven de 120°C verweekt en smelt boven de 280 °C. Een nadeel van dit type polymeren met een hoger temperatuurbereik is dat ook de verwerkingsprocedures, zoals persen van de composietplaten, bij veel hogere temperaturen moet worden uitgevoerd. Een hogere verwerkingstemperatuur leidt tot hogere kosten en geeft altijd achteruitgang van de eigenschappen van het polymeer door degradatie. Door toevoeging van nanoklei aan pa6 schuift wel de maximale gebruikstemperatuur omhoog, maar niet de temperatuur waarbij het polymeer smelt en dus verwerkt moet wordt. Dat is het bijzondere. Vlasvelds nanocomposiet vereist dus geen nieuwe (dure) verwerkingstechnieken.

was gemaakt met een thermoharder (glasvezel epoxy met een schuimkern). Dit roer is nu herontworpen in thermoplastische composiet (koolstof/PEI, CETEX van Ten Cate Advanced Composites). Volgend jaar komt er een nieuw herontwerp van het roer, dan om te worden uitgevoerd in glasvezel-nanocomposiet.

Samenbouwmal waarin het richtingsroer is gebouwd. In de V-vorm wordt de huid (de buitenkant) aangebracht,

Vochtig Polyamide staat in de vliegtuigindustrie ook bekend als een laagwaardig polymeer omdat het vocht aantrekt. Maar de kleiplaatjes hebben nog een gunstige uitwerking op de eigenschappen van het polymeer: ze belemmeren het transport van water en gas door het polymeer heen. Picken: “Met onze methode kunnen we dergelijke diffusie-eigenschappen heel fijn afregelen. Het nadelige effect van vochtabsorptie, waardoor het gebruik van polyamide voor een aantal toepassingen wordt vermeden, is hiermee grotendeels verdwenen. Dit is voor meerdere gebieden interessant, denk bijvoorbeeld aan verpakkingsmateriaal. Zo zijn nanocomposieten zeer geschikt voor plastic bierflesjes,” oppert hij. “Het nanocomposiet werkt perfect als barrière tegen oxidatie en voorkomt smaakverlies.” Door deze eigenschappen kan pa6-nanocomposiet straks de competitie met het peperdure pps aan. “pps zit bijvoorbeeld in de vleugelvoorrand van de Airbus A 340 en de dubbeldekker Airbus A 380. En dat gaat toch om tonnen materiaal,” zegt Bersee, naast hoofddocent composieten ook hoofd van het Delft Aerospace Structures and Materials Laboratory (dasml). “Voor vliegtuigbouw is Nederland hèt materialenland. We hebben dsm, ge Plastics, Corus, Glare en de thermoplastische composieten van Ten Cate Advanced Composites. Nederland is de enige leverancier van thermoplastische composieten met continue vezels. Fokker, Airbus en Boeing komen hier naar Delft om hun kennis te vergroten.” 2005.3

daarna worden de ribben (die voor de vormvastheid zorgen) er in geplaatst en vastgelast.

Om de ribben aan de huid vast te zetten, wordt het zogeheten weerstandlassen toegepast. In de rib wordt een mal geplaatst met een flexibele slang er omheen. Een strookje gaas wordt om de buitenkant van de rib gewikkeld. Vervolgens wordt het geheel op een bepaalde plek in de huid geplaatst. Door perslucht in de slang te blazen, wordt de rand van de rib tegen de huid aangedrukt. Een elektrische spanning van enkele minuten op het gaas veroorzaakt zeer lokale verhitting en zorgt er voor dat de rib en de huid samensmelten.

(Compositiefoto Ten Cate Advanced Products)

8 De meeste vliegtuigbouwers werken al jaren met panelen van thermoplasten. De Airbus A340-500/600 wordt deels gemaakt met panelen van CETEX-glas- en koolstofvezels van Ten Cate Advanced Composites.

WETENSCHAP

& O N D E R ZO E K

Nanopow(d)er

Testvlucht Voor het vervolgonderzoek aan vezelnanocomposiet heeft Bersee een spiksplinternieuwe extruder in de hal staan. Hij heeft duidelijke plannen. “We beginnen de technologie te demonstreren bij kleine vliegtuigen. Als het hier met succes kan worden toegepast, kan het ook bij grotere vliegtuigen.” L&R heeft hiervoor een eigen testvliegtuig, de Eaglet. Een tweepersoons toestel, ooit ontworpen door Chileense vliegtuigbouwers en volledig van kunststof en glasvezel gemaakt. Het prototype is door de faculteit gekocht. “We hebben de Eaglet speciaal om experimentele materialen uit te testen die nog niet op de markt worden verkocht.” Bersee heeft het richtingsroer aan de staart van het vliegtuig volledig van thermoplastische composieten laten maken. “Normaal worden thermoplastische composieten alleen in secundaire onderdelen van het vliegtuig toegepast. Als het kapot gaat, kun je nog steeds veilig op de grond komen. Nu hebben we het voor het eerst toegepast in een primair onderdeel: het richtingsroer van het staartstuk. De volgende stap, volgend jaar, zal zijn om het composiet te vervangen door een vezelversterkt pa6 nanocomposiet” Het project is ook bij Airbus gepresenteerd. De Europese vliegtuigbouwer was zeer geïnteresseerd maar hapte nog niet onmiddellijk toe. Bersee gaat nu in samenwerking met de groep van Picken verder met de resultaten van Vlasveld. Het College van Bestuur van de TU Delft heeft het project goedgekeurd en geeft voor 2 jaar financiële ondersteuning. Ook Ten Cate Advanced Composites en het consortium duwind\ ecn\ wmc ondersteunen dit project. Het wachten is nu op de eerste testvlucht. Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met prof. dr. Stephen Picken, tel.(015) 278 6946, e-mail [email protected] of met Dr.ir. Daniël Vlasveld, tel. (015) 278 8013, e-mail [email protected] of met Dr.ir. Harald Bersee, tel. (015) 278 8175, e-mail [email protected]

Korte vezels kunnen een willekeurige oriëntatie aannemen in een vloeistof, maar lange vezels hebben de neiging zich gezamenlijk te richten. Een fenomeen dat bekend staat als vloeibaarkristallijn-gedrag.

Zelforganisatie op nanoschaal Gewoonlijk blijven deeltjes van minder dan een duizendste millimeter, zogeheten

synthetische nanodeeltjes met een

colloïdale deeltjes, zweven in water. Maar soms kunnen die spontaan grotere structuren

diameter van 10 nanometer en een

– vloeibare kristallen – vormen waarbij de wanorde overgaat in orde. Dit is afhankelijk van de vorm en concentratie. Hoe colloïdale staafjes zich in water als vloeibare kristallen

lengte van zo’n 200 tot 300 nanometer. “Bij een concentratie van 1 volumeprocent

zelf organiseren, is aan de hand van boehmiet uitvoerig onderzocht en beschreven door

lijnt boehmiet al uit in water. In het

fysisch chemicus prof.dr. Henk Lekkerkerker van de Universiteit Utrecht en indertijd

monomeer caprolactam treedt bij 3% zelforganisatie op.

promotor van Picken. Picken: “Wij waren benieuwd wat er nu gebeurt wanneer we deze boehmiet staafjes in

“Dit komt omdat een organische vloeistof

een organisch oplosmiddel stoppen. Met name wannneer zo’n oplosmiddel bestaat uit

andere eigenschappen heeft dan water.

TEM-opname van boehmiet-deeltjes met een

het monomeer caprolactam en we dit vervolgens laten polymeriseren. Wat is het effect

Het monomeer vormt een mantel dat

doorsnede van 10 nanometer en een lengte

op de mechanische eigenschappen en zijn er ook optische effecten? In de literatuur is

om het staafje heen komt te liggen. Dit

van 20 nanometer.

vrijwel niets te vinden over het gedrag of zelforganisatie in nanocomposieten.”

verlaagt de asverhouding en daarmee de

Hij laat twee buisjes met in stukjes geknipt visdraad zien. Een buisje met lange en

neiging tot zelforganisatie,“ vertelt Pickens promovenda Ceren Özdilek die naar Utrecht

een buisje met korte stukjes draad. Het resultaat van een weekendje knippen. Bij het

trok om het bereiden van boehmietstaafjes te leren. “Verder hebben we zelf manieren

schudden zie je direct het verschil. In het buisje met de korte stukjes blijft het een grote

bedacht om de boehmiet staafjes te modificeren en dan zie je de interactie met het

chaos. De langere nemen een duidelijke ordening aan.

polymeer anders worden.”

“Zelforganisatie van staafjes is afhankelijk van de verhouding van de lengte ten opzichte van de diameter. Hiervoor is een verhouding van 6:1 of meer nodig,” aldus Picken. De boehmietstaafjes van Lekkerkerker hebben een as-verhouding van 20:1. Het zijn

Om tijdens het polymeriseren de zelforganisatie te behouden, is minimaal een concentratie van 7% boehmiet nodig. De uitgelijnde staafjes worden anders door de polymeerketens uit elkaar geduwd. Is de concentratie hoog genoeg, dan komen bij afkoelen ook de polymeerketens gestrekt naast elkaar te liggen. Özdilek: “De staafj es

Hoe groter de verhouding is

fungeren als een soort mal, waardoor de polymeerketens zich in die richting oriënteren

tussen de grootste en de kleinste

en gestrekt naast elkaar komen te liggen. Dit uitlijnen van het polymeer is met

dimensie (as-verhouding), hoe

polarisatiemicroscopie en röntgendiffractie goed aan te tonen.”

effectiever de deeltjes bijdragen

Dat de georiënteerde staafjes en de polymeerketens de mechanische eigenschappen

aan de stijfheid. Dat geldt zowel

verbeteren, is duidelijk. Een plaat van dit nanocomposiet wordt in de x-richting, de

voor plaatjes als voor vezels.

richting waarin de staafjes en de polymeren liggen, veel stijver dan in de y-richting.

De plaatjes werken in twee rich-

Dat zou interessant kunnen zijn voor sterkere vezels waar trekbelasting in één richting

tingen, terwijl de vezels slechts in één richting aan de stijfheid bijdragen.

belangrijk is. “Het is nog wel een vrij onontgonnen terrein. We hebben het materiaal nu op kleine schaal getest. Optimalisatie van eigenschappen en methode moet nog gebeuren,” zegt Picken.

2005.3