Zelfhelende materialen

Uit Technotheek
Versie door Gea (Overleg | bijdragen) op 7 aug 2012 om 14:10
Ga naar: navigatie, zoeken
Zelfhelende materialen
Zelfhelendematerialen.jpg
Eigenschappen
Categorie: Materialen
Handelsnamen: Revelink
Originele auteur: Ruben van den Hout en Niek van den Hout
Jaar: 2011
Wikipedia link: Self-healing material

Inhoud

Handelsnamen

Revelink - handelsnaam gebruikt voor zelfhelend rubber geproduceerd door het bedrijf Arkema.

Beschrijving

Een materiaal dat in staat is om schade door mechanische blootstelling spontaan, of met milde stimulus van buitenaf, te herstellen. De stimulus van buitenaf houdt in dat een materiaal niet alleen maar zelfhelend is als het de optredende schade spontaan herstelt, maar ook als het herstel pas optreedt na menselijk handelen, zoals het toevoegen van warmte. De zelfhelende eigenschappen worden bereikt door toevoegingen aan het basismateriaal waardoor zelfheling toegepast kan worden op vrijwel elke materiaalgroep.
Het principe van zelfhelende materialen bestaat uit drie stappen. Ten eerste treedt er een beschadiging op. Nadat de beschadiging is opgetreden, moet het materiaal detecteren waar het precies beschadigd is. De detectie houdt eigenlijk in dat er binnen het materiaal een werking is die ervoor zorgt dat de herstellende stof de schade bereikt. Bijvoorbeeld capillaire werking of aantrekkingskracht tussen moleculen. Daarna volgt de daadwerkelijke reparatie. De reparatie kun je zien als een chemische reactie die nieuw materiaal vormt of oorspronkelijke bindingen herstelt.
Een grote moeilijkheid bij zelfhelende materialen is dat de toevoeging die voor de zelfhelende eigenschap zorgt, de beschadiging moet kunnen bereiken. Wanneer de toevoeging bestaat uit een extra stof die aan het materiaal is toegevoegd, moeten de moleculen van deze stof door de structuur van het materiaal naar de beschadiging bewegen en daar reageren. Bij polymeren zijn de ketens relatief mobiel en kan een herstellende stof dus gemakkelijk de beschadiging bereiken. In het geval van metalen zitten de atomen in een hele starre structuur waar een toegevoegde stof veel moeilijke doorheen beweegt. Dit is een van de factoren die bepaalt hoe gemakkelijk een materiaal zelfhelend te maken is.
Er is een aantal technieken dat toegepast wordt om materialen zelfhelend te maken. Als eerste is er het toevoegen van capsules aan het basismateriaal. Dat is in de meeste gevallen een polymeer. Het principe is dat een beschadiging in het materiaal ook de capsule beschadigt waardoor de inhoud van de capsule de beschadiging opvult. De capsule kan gevuld zijn met een (epoxy-) lijm of met een oplosmiddel. In het geval van lijm is er in het materiaal ook een katalysator aanwezig. Bij het openbreken van de capsule hardt de lijm uit onder invloed van de katalysator. Wanneer een capsule met oplosmiddel wordt toegepast, verlaagt het oplosmiddel plaatselijk de glasovergangstemperatuur. Dat zorgt ervoor dat de ketens bij dezelfde temperatuur mobieler worden. Het materiaal vloeit in elkaar over en gaat nieuwe bindingen aan waarna het weer uithardt. Bij deze vorm van herstel heeft het herstel dezelfde sterkte als het oorspronkelijke materiaal. De toevoeging van capsules komt erg veel voor bij zelfhelende materialen. Onder andere bij de toepassing van zelfherstellend asfalt en zelfherstellende autolak.
Een tweede techniek is het aanbrengen van een vasculair netwerk. Dit is een soort vatenstructuur die door heel het materiaal loopt. In deze vaten loopt een vloeistof. Een optredende beschadiging bereikt het netwerk. Vanuit daar loopt de vloeistof door capillaire werking in de beschadiging en hardt uit. Een voordeel ten opzichte van capsules is dat met een vasculair netwerk grotere beschadigingen kunnen worden hersteld. Deze manier van zelfhelend maken vindt veel toepassingen in de lucht- en ruimtevaart. De techniek is gebaseerd op de bloedvatenstructuur in het menselijk lichaam. Bij bijvoorbeeld een snee in je vinger trekt er bloed in de wond die de benodigde bouwstoffen voor genezing aanvoert. Het vasculaire netwerk wordt toegepast bij composieten holle glasvezels, maar kan ook toegepast worden op polymeren. In dat geval wordt het netwerk voorgegoten. Het is zelfs mogelijk om meerdere netwerken aan te brengen waarbij er bijvoorbeeld door een netwerk warm water kan lopen dat de reactie bevordert. In dat geval is er een pomp op het netwerk aangesloten die zorgt voor een constante toevoer van warm water en herstelmateriaal. Zo wordt ook bereikt dat het materiaal een onbeperkt aantal keer kan herstellen.

Eigenschappen

De belangrijkste eigenschap van een zelfherstellend materiaal is dat het beschadigingen zelfstandig kan repareren waardoor het materiaal plaatselijk wordt versterkt. Het kan zijn dat het herstel zwakker, even sterk of sterker is dan het materiaal voor de beschadiging. Dit is afhankelijk van de manier van zelfherstel. In het ideale geval kan dit proces van zich een onbeperkt aantal keer herhalen.

Leveringsvormen

Omdat zelfherstellende materialen een overkoepelende term is voor materialen die naast een mechanische functie ook zelfherstellende eigenschappen hebben, zijn er geen specifieke leveringsvormen voor te definiëren. In het geval van beton en coatings zal het in vloeibare toestand worden geleverd, maar polymeren zijn gewoon beschikbaar in granulaatvorm. De leveringsvorm is dus niet afhankelijk van de zelfherstellende eigenschap maar van het materiaal op zich.

Be- en verwerkingstechnieken

Materialen met zelfherstellende eigenschappen kunnen op dezelfde manier be- en verwerkt worden als gewone materialen. De verschillen in mogelijke technieken zijn afhankelijk van het gebruikte materiaal.

Toepassingen

Er is een verscheidenheid aan toepassingen te noemen en hier zijn ze verdeeld in een aantal categoriën met voorbeelden van de toepassingen.

  • Plaatsen waar reparatie moeilijk/kostbaar is
Hoge gebouwen, windturbines op zee, onder de grond
  • Constructies die zeer lang mee moeten
Waterkering, tunnels
Hierbij is een veelgebruikte toepassing zelfherstellend beton. Beton kan op meerdere manieren zelfherstellend gemaakt worden. Één daarvan is het toevoegen van niet-gereageerd cement. Beton bestaat uit water, cement en zand/kiezels waarbij cement het bindmiddel is. Wanneer er een scheur optreedt in het beton, wordt het niet-gereageerde cement blootgesteld aan vocht waardoor het reageert en uithardt tot beton met initiële sterkte. Een andere manier is het toevoegen van bacteriën. Bij beschadiging zorgen lucht en vocht ervoor dat de bacteriën actief worden en calciumcarbonaat (kalk) afscheiden wat de scheur opvult. Als de scheur is opgevuld veranderen de bacteriën weer in sporen. Een voordeel van deze bacteriën is dat het herstel erg snel gaat en een onbeperkt aantal keren kan plaatsvinden. Het herstel is hierbij echter wel zwakker dan het basismateriaal.
  • Plaatsen waar reparaties zorgen voor maatschappelijk overlast
Wegen, infrastructuur
Onder deze categorie valt het zelfherstellend asfalt. Normaal asfalt bestaat uit bitumen en minerale aggregaten zoals steentjes en zand. Bitumen fungeert als bindmiddel en wordt vloeibaarder bij hogere temperaturen. Om asfalt zelfherstellend te maken worden er metalen vezels in het asfalt opgenomen. Door een enorme spoel over het asfalt te bewegen warmt het metaal op door inductie. Hierdoor warmt ook het bitumen op waardoor het vloeibaar genoeg wordt om de beschadigingen op te vullen. Hierbij kunnen scheuren van enkele millimeters opgevuld worden. Zelfherstellend asfalt werkt dus niet spontaan, maar heeft een extra stimulus nodig, in dit geval warmte, om zichzelf te herstellen.
  • Producten die schadevrij moeten blijven vanuit esthetisch oogpunt
Auto coatings, skibrillen
Om coatings zelfhelend te maken kan gebruik gemaakt worden van het biopolymeer chitosan wat onder andere voorkomt in de exoskeletten van krabben en andere schaaldieren. Bij een beschadiging wordt de structuur van het chitosan verbroken en onder invloed van UV straling vormt het nieuwe bindingen met het omliggende materiaal waardoor de scheur wordt opgevuld.
Het glas van skibrillen kan ook zelfhelend gemaakt worden zodat krassen automatisch worden hersteld. Dit is niet alleen vanuit esthetisch oogpunt maar ook voor de veiligheid. Bij het herstellen van de krassen moet bij voorkeur een techniek gebruikt worden waarbij er herstel plaatsvindt met eigen materiaal. Zou dit met een vreemd materiaal gebeuren, dan ontstaan gebieden met een andere brekingsindex waardoor het zicht verslechtert.
  • Hightech apparatuur
Machines die 24/7 draaien
Het gaat daarbij vooral om de elektronische componenten die zelfhelend gemaakt kunnen worden.

Voordelen

Door een zelfherstellend materiaal toe te passen is het in veel gevallen niet meer nodig om regelmatig reparatiewerkzaamheden uit te voeren. Dat kan helemaal voordelig zijn wanneer het materiaal zich op een plek bevindt waar heel moeilijk bij te komen is, bijvoorbeeld betonstructuren onder water. Tevens behoren deze materialen tot de duurzaamste die er zijn.

Nadelen

Op dit moment wordt er nog veel onderzoek gedaan en de productie van zelfherstellende materialen staat nog in de kinderschoenen. Dit heeft als gevolg dat de kostprijs relatief hoog is. Daarnaast zijn er veel vormen van zelfherstellende materialen die een invloed van buitenaf nodig hebben om zichzelf te gaan herstellen. Een voorbeeld hiervan is asfalt dat plaatselijk verwarmd moet worden voordat de zelfherstelling in werking treedt. Een ander nadeel is dat bij de polymeren waarbij capsules worden gebruikt voor zelfheling de plaats van de heling zichtbaar blijft. Daarnaast heeft het materiaal op deze manier niet een tweede keer de mogelijkheid om zichzelf te herstellen op dezelfde plaats. Het kan ook zijn dat door de zelfhelende eigenschappen van het materiaal het lastiger is om het te recyclen of te hergebruiken wat een nadeel zou kunnen zijn.

Milieuaspecten

Ook de milieuaspecten verschillen per zelfhelend materiaal. Als we kijken naar recyclebaarheid kan een toevoeging van zelfhelendheid hier invloed op hebben, maar dat hoeft niet per se. Wanneer een materiaal zichzelf herstelt met eigen materiaal, heeft dit geen invloed op de recycling ten opzichte van hetzelfde materiaal zonder zelfherstellende eigenschap. Wanneer er sprake is van herstel met een vreemde stof, zoals de capsules met lijm, heeft dit wel degelijk invloed. Om het materiaal goed te recyclen moeten de uitgeharde lijm en ongebruikte capsules van het basismateriaal gescheiden worden. Hoe moeilijk dit scheidingsproces is hangt weer af van de specifieke materialen.

Er wordt ook gericht onderzoek gedaan naar zelfhelende materialen waarbij de zelfherstellende eigenschap de recyclebaarheid bevordert. Een voorbeeld daarvan is een polymeer met reversibele bindingen. De bindingen tussen moleculen bestaat hierbij uit waterstofbruggen die tien keer zwakker zijn dan een covalente binding. Bij verhoging van de temperatuur worden de verbindingen verbroken en ontstaan er kleinere ketens. Daarmee wordt de viscositeit van het materiaal hoger en vloeien beschadigingen dicht. Bij een verlaging van de temperatuur worden de verbindingen weer hersteld met als gevolg langere ketens en lagere viscositeit. Deze los-vast schakeling van de ketens kan oneindig vaak herhaald worden. Door de reversibele eigenschap van de verbindingen is dit materiaal goed recyclebaar.

Overige

Op dit moment wordt er onderzoek gedaan naar zelfhelende materialen met een IOP (Innovatiegericht Onderzoeksprogramma) in Delft wat in ieder geval een vervolg zal hebben tot in 2015. De belangrijkste doelstellingen van dit onderzoeksprogramma zijn:

  • Hoe kunnen zelfherstellende eigenschappen in materialen worden ingebouwd?
  • Hoe kan het zelfherstellende mechanisme in productprestaties worden gekwantificeerd?
  • Hoe kan het potentieel van deze materialen optimaal worden benut?

Nederland speelt een leidende rol in het onderzoek naar zelfherstellende materialen en bevindt zich in de ideale positie hiervoor. Er zijn ruim 60 in Nederland gevestigde bedrijven die nauw betrokken zijn bij dit onderzoek en zij zorgen ervoor dat de resultaten hiervan al op middellange termijn kunnen worden toegepast.

Zelfhelend rubber
Het principe van reversibele bindingen wordt al toegepast op rubbers door het franse bedrijf Arkema. Binnen enkele minuten kan het materiaal zichzelf herstellen van beschadigingen en zelfs van volledige separatie. Het bedrijf heeft een video gemaakt waarbij ze laten zien hoe dit in de praktijk werkt.
Reverlink - by Arkema (filmpje)

Leveranciers en kenniscentra

  • Autonomic Materials Inc.
  • Arkema
  • Delft Center of Materials
  • NL Agency Ministry of Economic Affairs (2010), Selfhealing materials concept and applications
  • Zwaag, van der, Sybrand (2011) Zelfherstellende materialen, IOP Self Healing Materials
  • Wool, Richard P. (2008) Self healing materials: a review, Soft Matter
  • Yin, Tao (2006) Self-healing epoxy composites, Elsevier
Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen