Naar de content

Computermodel voorspelt gedrag materialen

Pixabay CC0

Bekende materialen versterken met vezels lukt nog niet altijd even goed. Met de hulp van een computermodel weten Zwitserse onderzoekers beter te voorspellen hoe de vezels en het materiaal zich gaan gedragen. Het model leidde al tot een verbeterde manier om PET te recyclen.

28 mei 2019

Met deze glasvezels kun je materialen een stuk steviger maken.

 Groman123 via CC BY-SA 2.0

Je pakt een materiaal dat je al kent, zoals een soort plastic, voegt wat stukken glasvezel toe en kijkt wat er gebeurt. Hoewel je het effect soms wel kan voorspellen, is het onderzoek naar dit soort materialen in veel gevallen nog een kwestie van trial and error. Maar onderzoekers van het Zwitserse Instituut voor Materialen en Technologie, Empa, hebben nu een manier gevonden om hun materialen als het ware te programmeren met de computer.

Sterker maken

Wetenschappers voegen graag glasvezel of kevlar toe aan materialen om ze sterker te maken. De materialen die je dan vormt noemen we composieten. In de praktijk maken we vaak composieten van kunststof voor bijvoorbeeld de luchtvaartindustrie. Maar voorspellen hoe je zo’n composiet het best kan maken, hoe lang de vezels moeten zijn om goed te werken en hoe het materiaal gaat reageren op deze toevoeging is niet makkelijk. Ook niet met de computer. “Het is lastig om de fysische eigenschappen van materialen goed in een computermodel te krijgen”, vertelt Empa-onderzoeker Ali Gooneie. “Je moet met veel elementen rekening houden en die kunnen ook weer variëren.”

Daarom bekijkt Gooneie de materialen altijd op verschillende schalen. “Je moet de moleculaire structuur van de vezel kennen, maar ook hoe het zich gedraagt ten opzichte van de rest van het materiaal.” Al deze elementen wisten hij en zijn collega’s uiteindelijk in een model te vangen. Dit model gebruikten ze onder andere om te berekenen wat voor koolstof nanobuisjes ze aan nylon toe moesten voegen om te zorgen dat het materiaal elektriciteit ging geleiden. De computer gaf aan dat ze het beste een mengsel van nanobuisjes met verschillende lengtes toe konden voegen, en het experiment bevestigde dat het model gelijk had. “Het is belangrijk om de resultaten van het model met experimenten te toetsen”, vertelt Gooneie. “Op die manier blijven we het model bijschaven.”

PET recyclen

Het team van Empa kijkt ook naar materialen die we al wel gebruiken, zoals het bekende plastic PET (Polyethyleentereftalaat). “We willen dit graag recyclen”, zegt Gooneie. “Maar een van de stoffen in PET-flessen lekt tijdens dat proces soms uit het plastic en kan ervoor zorgen dat er klontjes vormen en het gesmolten plastic stroperig wordt.” Dit gebeurt vooral met PET dat al vaker gerecycled is, en het maakt de verwerking lastig.

Door het computermodel kun je PET mogelijk vaker recyclen.

 Flickr, Steven Depolo (CC BY 2.0)

Gooneie simuleerde het proces en vond uiteindelijk een oplossing. “We zagen dat een vlamvertrager die Empa ooit heeft ontwikkeld, DOPO-PEPA, precies tussen de ketens van de PET in kon gaan zitten”, legt hij uit. “Op deze manier kon de PET niet klonteren en raakt het proces niet verstopt.” In de praktijk bleek de oplossing ook te werken, en een paar procent van de DOPO-PEPA bleek al genoeg om het PET-mengsel vloeibaar te houden. Op dit moment kijken de onderzoekers of ze het idee verder uit kunnen werken om het uiteindelijk op de markt te brengen.

Wat het computermodel verder allemaal nog op kan leveren weet Gooneie niet, maar hij is ervan overtuigt dat zijn aanpak veel materiaalonderzoek vooruit kan helpen: “Het is een belangrijk gereedschap, een sleutel waarmee we steeds nauwkeuriger kunnen voorspellen wat er in de experimenten zal gebeuren. Dat scheelt een hoop proberen.”

Bronnen:
ReactiesReageer