De hightech kunststoffen van vandaag

Het is vanzelfsprekend: slangen en koppelingen van kunststof voor het laboratorium. (Afbeelding: MCH Messe Schweiz (Basel) AG)

U bent een vanzelfsprekendheid: slangen en verbindingen van kunststof voor het laboratorium. (Afbeelding: MCH Messe Schweiz (Basel) AG)

Zelfs bij klassieke glazen pipetten – hier met praktische pipettehulp – zijn er alternatieven: ze komen niet vaak voor, maar in het laboratorium zijn ze soms een robuuste, inert en minder breekbare optie: volle pipetten en maatpipetten van kunststof. (Afbeelding: MCH Messe Schweiz (Basel) AG)

Het is ingewikkeld: talrijke beelden van vervuilde stranden hebben kunststoffen voor een aanzienlijk deel van de bevolking tot een gevaarlijke vijand gemaakt. Dit is echter slechts één manier van bekijken. Want kunststoffen bieden niet alleen een breed scala aan eigenschappen en toepassingsmogelijkheden, maar kunnen ook grotendeels worden gerecycled – en dat in de praktische bedrijfspraktijk.

De visie richt zich op «groene» materialen: actuele hightech-kunststoffen binden CO2 in milieuvriendelijke textielproducten of verhogen de prestaties van windturbines. Medische toepassingen staan momenteel bijzonder in de schijnwerpers: bijvoorbeeld hygiënemaskers van polypropyleen (FFP-maskers), beschermkleding van kunststof gecoate cellulose of spuiten, slangen en ventilatoronderdelen.

Het zal echter vooral belangrijk zijn om een zo groot mogelijk aandeel van het kunststofafval als secundaire grondstof te gebruiken. Niet voor niets heeft BASF anderhalf jaar geleden geïnvesteerd in de Noorse pyrolyse- en raffinagespecialist Quantafuel, om gemengde kunststofafval te recyclen.

Herbruikbaar materiaal – bijna zo goed als het origineel

Een veelbelovend toekomstidee is het gebruik van steamcrackers voor het kunststofrecycling. In deze bekende installaties zouden in plaats van olie en gas ook verzamelde en gesorteerde kunststofafvalstoffen als grondstoffen kunnen dienen, evenals biobased oud materiaal (bijvoorbeeld papier, hout en kleding). In het laboratorium worden al materialen voor 3D-printen gemaakt uit oud papier en sinaasappelschillen.

Bij grootschalig gebruik van recycling-steamcrackers leidt een vakkundige temperering tot succes (bijvoorbeeld 850 °C, op de juiste opwarmingssnelheid voor de grondstof). De teruggewonnen kunststoffen kunnen dan zelfs dezelfde kwaliteit hebben als de verzamelde originele kunststoffen.

Vakkundig tempereren maakt ook een flexibelere productie van kunststofverpakkingen mogelijk. Daarbij worden op basis van keramische dikke-laagtechnologie kleine verwarmingselementen zeer nauwkeurig geregeld om kunststoffolies lokaal te temperen.

Puntgewijs tempereren en kunststof besparen

Concreet bevinden zich bijvoorbeeld op het oppervlak van een ongeveer 1 millimeter dik keramisch substraat verwarmingsgeleidingslussen in de vorm van pixels of ringelementen. Zij geven hun warmte af bij fysiek contact met een kunststofvormmassa. In een moderne standaarduitvoering hebben 40x40 mm verwarmingsmodules 64 pixels met een pixelgrootte van 5x5 mm, gerangschikt tot een vierkant van 8x8 pixels («cera2heat», Watttron, Freital).

De serieproductie van dit energiezuinige en hoogdynamisch regelbare matrix-systeem is gepland voor 2021. Het slimme: de wanddikteverdeling van een vormstuk (bijvoorbeeld een yoghurtbeker) wordt egaler, en er kan een dunnere kunststoffolie worden gebruikt voor hetzelfde eindproduct (10 tot 30 procent materiaal- en kostenbesparing).

In een tweede uitvoering («cera2seal») kunnen verpakkingen voor thermisch gevoelige producten worden verzegeld zonder het product te beschadigen (bijvoorbeeld chocolade). Dit proces is momenteel bijzonder interessant voor spuitzakken. Onder andere kunnen dergelijke «zakken met schenker» nu voor het eerst worden gemaakt van monomateriaal (bijvoorbeeld voor bloedproducten en farmaceutische toepassingen).

Het matrixproces («cera2heat») kan blisters voor de farmaceutische industrie eenvoudiger en sneller produceren dan met traditionele stempels en een hoog materiaalgebruik. Ook kunnen zelfs bijzonder onregelmatig gevormde verpakkingen in één keer worden gemaakt. In de elektronica wordt de tempereringstechniek gebruikt voor het omvormen van tweedimensionaal op folie gedrukt circuits in stabiele driedimensionale geometrieën.

Intelligente cleanroomtechnologie: luchtstroom in de focus

De coating van kunststoffolies met functielaagjes speelt vooral in de fotovoltaïek een belangrijke rol.

Dat gaat bijvoorbeeld zo: de functionele stoffen worden opgelost en het resulterende vloeibare mengsel wordt als een bad klaargezet. Door deze lopen de folies nu, waarbij de functionele stoffen zich in de kortst mogelijke tijd netwerken en op het dragermateriaal blijven plakken. Tegelijk verdampt het oplosmiddel. Onder omstandigheden (en in praktische toepassingen) bevatten deze stoffen uiterst schadelijke en bij het inademen zeer onaangename stoffen. Daarom moet het oplosmiddel worden afgezogen.

Voor zo'n proces is geschikte cleanroomtechnologie nodig, hier met behulp van een minienvironment. In het voorbeeld is (tegenover de oorspronkelijke functionele specificatie) gekozen voor een horizontale (in plaats van verticale) luchtstroom volgens de geometrie van de folies. Daarnaast werd een drukgeregelde stromingsgeleiding toegepast; deze garandeert, in combinatie met een afzuiging in het kritieke procesgebied van de foliebescherming in het minienvironment, een gedefinieerd drukverschil ten opzichte van de omgeving van ± 0 Pa.

Biologische oceaan-sanering

Zo zijn kunststoffen al vandaag krachtig en worden ze met elke materiaal- en procesinnovatie nog beter.

Bij het verwijderen van restkunststoffen zouden idealiter kleine organismen ons kunnen helpen. Men weet bijvoorbeeld dat een motsoort polyethyleen kan verteren met behulp van plastic-eterende bacteriën.

Zelfs het verwijderen van het al in de oceanen terechtgekomen plastic lijkt nu mogelijk. In de toekomst zouden plasticzuiveringsinstallaties kunnen worden uitgerust met genetisch gemodificeerde diatomeeën, bijvoorbeeld Phaeodactylum tricornutum. In deze zeebewoners wordt de bouwinstructie voor het bekendstaande kunststofafbrekende enzym PTEase ingebracht. Dit enzym komt van een ander micro-organisme: Ideonella sakaiensis. Omdat Ideonella zich echter niet prettig voelt in zout water, wordt de omweg via de diatomee gevolgd. Vooral voor heel kleine deeltjes (zoekwoord: nanokunststof) zou deze oceaan-saneringstechniek geschikt zijn.

Het volledige scala van hier gepresenteerde trends rond toekomstgerichte kunststoffen en hun productie- en verwerkingsmethoden wordt dit jaar getoond op de Ilmac in Basel.