De recyclebaarheid van onderdelen staat bij het ontwerpen van auto’s steeds hoger op de agenda. Dit geldt bijvoorbeeld voor de versteviging van het carrosseriepaneel tussen motorkap en voorruit. Die is cruciaal voor het garanderen van de veiligheid van een voetganger bij een aanrijding en moet daardoor aan heel specifieke mechanische eisen voldoen. Momenteel wordt dit onderdeel bij de Spaanse tier-1 producent Maier gemaakt uit een polypropyleen-glasvezelcombinatie.
‘Zowel voor het petrochemische PP als de glasvezels, kun je PLA als grondstof gebruiken. Met deze biobased variant heb je een enorm voordeel qua duurzaamheid, terwijl de mechanische en functionele eigenschappen tenminste gelijkwaardig zijn aan die van composieten op basis van PP. Bovendien, omdat het onderdeel uit één en hetzelfde materiaal gemaakt is, is het veel makkelijker te recyclen’, stelt Guy Buyle, coördinator van BIO4SELF, dat 1 maart 2016 van start is gegaan.
Witgoed
BIO4SELF bouwt voort op bestaande expertise op het gebied van SRPC’s, onder meer bij één van de initiatiefnemers en coördinator Centexbel, het Belgisch onderzoekscentrum voor textiel en plastics, waar Guy Buyle werkzaam is als manager Europese projecten. ‘Naast het maken van nieuwe blends en de karakterisering er van, willen we in dit project samen met eindgebruikers tot echte toepassingen komen. Eén van die eindgebruikers is Maier dat al een concrete toepassing voor de PLA-composieten voor ogen heeft, namelijk als stijf en schokabsorberend materiaal voor bepaalde auto-onderdelen. Een ander voorbeeld is de Turkse witgoedproducent Arcelik. Die heeft een aantal componenten gespecificeerd, maar zal, afhankelijk van de eigenschappen die we met de composieten kunnen verkrijgen, in een later stadium de concrete toepassingen bepalen’, vertelt Guy Buyle. Dat zal onder andere te maken hebben met de temperatuur waaraan de nieuwe componenten kunnen worden blootgesteld. Bij PLA is dat tot nu toe beperkt tot ongeveer 50 °C. ‘Een van de doelen is om die specificatie te verbeteren. Ook willen we tot meer generieke producten komen, die breder kunnen worden toegepast dan alleen bij de partners in het programma. We willen laten zien wat je kunt doen met 100 procent biobased materialen en bedrijven aansporen om ze toe te passen.’
Belangrijke voorwaarde voor grootschalige productie van de PLA-gebaseerde SRPC’s is dat de polymeren kunnen worden verwerkt met de bestaande productie-apparatuur. ‘Het concept van materiaalversteviging is duidelijk, maar we moeten zien hoe dat zich gedraagt in de waardeketen en dat verder optimaliseren, bijvoorbeeld door het aanpassen van procesparameters’, aldus Guy Buyle.
AMIBM en partners
Een belangrijke rol in het BIO4SELF project is weggelegd voor het sinds eind vorig jaar op de Brightlands Chemelot Campus gevestigde internationale onderzoeksinstituut AMIBM (Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials). Dit samenwerkingsverband tussen Universiteit Maastricht, RWTH Aachen en Fraunhofer IME heeft een onderzoeksprogramma dat is gericht op duurzame en efficiënte productie van biobased materialen en hun innovatieve toepassingen in medische en technische applicaties. Van de € 6,7 miljoen subsidie die is toegekend aan BIO4SELF, is bijna € 1,2 miljoen voor de partners Universiteit Maastricht en RWTH Aachen van het AMIBM.
Omdat bij de partners van het BIO4SELF-project bedrijven uit de hele waardeketen betrokken zijn, kan de expertise van AMIBM-medewerkers ook direct worden toegepast in de praktijk. Zo zijn er bedrijven die zich bezighouden met extrusie, twijnen, spinnen, spuitgieten en thermoforming, allemaal deelprocessen die voor de biobased composieten moeten worden geoptimaliseerd. ‘Voordeel van deze ketenbrede samenwerking is ook dat er bij succes direct een productieketen klaar staat voor grootschalige producten en we met grote eindklanten als Maier en Arcelik een flinke impact op de markt kunnen hebben’, stelt Guy Buyle.
IKEA
Dietmar Auhl, docent bij de onderzoeksgroep ‘biobased materials’ en projectleider binnen AMIBM voor BIO4SELF, legt uit hoe AMIBM waarde toe wil voegen aan het Horizon2020-project. ‘We hebben veel ervaring met polymeeronderzoek, materialen en process design. Ons multidisciplinaire team dekt de gehele waardeketen van biobased materialen af en kan voor elke fase fundamentele expertise inbrengen. De selectie van de grondstof PLA en ideeën over bestaande grades of variaties daarbinnen zijn cruciale stappen voordat je met je processing en product design kunt starten. Door praktijkonderzoek te verrijken met (simulatie)modellen, kunnen we nog efficiënter materialen, processen en producten ontwerpen.’
Op basis van de grondstofprijzen zal het hoogstwaarschijnlijk de komende vijf jaar niet lukken om qua kostprijs te concurreren met de klassieke SRPC’s, tenzij de huidige lage olie- en daarvan afgeleide grondstofprijzen snel veranderen. ‘Maar bedenk dat SPRC’s sowieso nog niet zoveel worden toegepast, dat het concept nog niet helemaal is doorontwikkeld, ook niet voor de klassieke polymeren. Door in dit project die doorontwikkeling voor biobased SPRC’s wel te realiseren, kun je op basis van mechanische en functionele eigenschappen een uitstekend alternatief ontwikkelen voor conventionele oplossingen’, stelt Guy Buyle.
Hij schat, alleen al op basis van de deliverables uit BIO4SELF, dat er over een jaar of drie, vier een markt van 35 kton per jaar voor PLA-gebaseerde SPRC’s is. ‘Maar dat kan veel meer zijn, als ik alleen al af ga op de belangstelling van inmiddels vijf bedrijven die zijn toegetreden tot de Innovation Support Group, bijvoorbeeld omdat ze geïnteresseerd zijn om materialen te testen. Wetende dat onder andere IKEA interesse vertoont, zou de impact van biobased SPRC’s wel eens een stuk groter kunnen worden.’
Spelen met ketens en vezels
Het maken van self-reinforced PLA’s komt neer op het bij elkaar brengen van twee verschillende PLA polymere vezeltypen. Voor de matrix is een PLA nodig met relatief lage sterkte en smelttemperatuur, de andere polymeer, eveneens PLA, moet juist een hoge sterkte en hoge smelttemperatuur hebben. Als beide uitgangsstoffen worden samengevoegd, zal onder een bepaalde druk en bij een bepaalde temperatuur het polymeer met de lage smelttemperatuur smelten en de matrix vormen, terwijl de andere intact blijft en de sterkte aan het materiaal geeft.
De eigenschappen van de uiteindelijke composieten worden door verschillende factoren bepaald. Zo kun je variëren in bijvoorbeeld de verhouding van de twee polymeren (blends) en in de lengte van de ketens. Ook zal in dit project door combinatie van de PLA met biobased LCP (Liquid Crystalline Polymer) worden geprobeerd om tot nog sterkere materialen te komen.
Met speciale additieven kunnen verder allerlei extra eigenschappen worden toegevoegd. Bij BIO4SELF ligt wat dat betreft de focus op drie ‘smart’ functionaliteiten: self healing, cleaning en sensing. Bij self healing worden microcapsules toegevoegd aan het polymeer, die bij beschadigingen voor een herstellende polymeerreactie kunnen zorgen. Bij cleaning worden bepaalde componenten onder invloed van licht (UV) afgebroken zodat ze inclusief het aangehechte vuil van het materiaal kunnen worden afgespoeld. Bij sensing worden geleidende nanodeeltjes aan het mengsel toegevoegd, waardoor het materiaal in een elektrisch circuit kan worden opgenomen en bijvoorbeeld breuk kan worden gedetecteerd. BIO4SELF streeft er ook naar om voor deze additieven zo veel mogelijk biobased materialen te gebruiken.
