Je leest:

De blauwe supervezel

De blauwe supervezel

Auteur: | 1 oktober 2001

De basis voor succesvolle supervezels zijn harde, stijve moleculen. Om die tot een vezel te verwerken is een chemische ‘tour de force’ nodig. Bij AkzoNobel slaagde Doetze Sikkema er in om een nieuw materiaal met de codenaam M5 tot supervezel te spinnen.

Kunstvezels lopen als een rode draad door de geschiedenis van de chemische industrie. Eind negentiende eeuw al wordt van plantenvezels ‘kunstzijde’ gemaakt, waardoor zijden kousen niet alleen aan rijke vrouwen zijn voorbehouden. In de jaren veertig van de twintigste eeuw volgt het nylon, waardoor die kousen heel dun konden worden en parachutes mogelijk werden. Weer later komt polyester, waarin nu bijna iedereen rondloopt. En rondrijdt, op luchtbanden die met polyester sterkte krijgen. Cellulose vezels (katoen, rayon) zijn overigens goed overeind gebleven.

Medium

Nylon ( polyamide) en polyester (van ICI) zijn de eerste vezels die zijn uitgevonden vanuit verstand van chemie en fysica van lange moleculen of ‘polymeren’. Dat inzicht brak aan het eind van de dertiger jaren door en groeit nog steeds. In de jaren zeventig en tachtig ontwikkelden DuPont en later Akzo Kevlar en Twaron, net als natuurzijde polyamiden. Dit garen was driemaal zo stijf en sterk als alles wat er tot dan toe was, en kon alleen in bijzondere oplosmiddelen worden gepolymeriseerd en versponnen. Het vinden van een niet-kankerverwekkend oplosmiddel was de Arnhemse bijdrage: een jarenlange octrooistrijd tussen Arnhem en Wilmington (basis van DuPont) het gevolg.

M5

De nieuwe, gele, supervezel sloeg slechts langzaam aan en bleek ongeschikt voor composieten vanwege zijn lage weerstand tegen compressie. De investeringen, vele miljarden in totaal, werden te laat terugverdiend. In de jaren negentig raakten vezels uit de gratie van de aandeelhouders en die kregen het toen voor het zeggen: DuPont beëindigde zijn programma rond 1990. In Arnhem ging men door tot 1998. Juist in die periode leidde het onderzoek tot de uitvinding van een bijzonder garen dat nog steeds met zijn code (monomerenpaar nummer 5) wordt aangeduid: M5.

2. Structuur van M5

We wisten dat je volledig stijve moleculen moest maken, dus zonder de amidebinding van Kevlar en Twaron. Ook dat je moest zorgen voor chemische bindingen tussen de onbuigzame moleculen, want anders kreeg je geen compressiesterkte. Als de vezels van een touw niet aan elkaar zijn gelijmd, kan je wel touwtrekken, maar niet touwduwen.

Maar zulke harde moleculen lossen niet op, smelten ook niet en zijn dus niet te spinnen tot een draad. En al helemaal niet tot vezels van een honderdste millimeter, tien keer zo dun als een mensenhaar. En dat moet, wil je het goed kunnen uitwassen en er later mee breien, weven en wikkelen.

Vloeibaar kristallijn

Het was een vasthoudend persoon, de chemicus dr. Doetze Sikkema, die begin jaren negentig al die inzichten en kennis samen bracht tot het zout van tetra-aminopyridine en di-hydroxy-tereftaal-zuur. Zo exotisch als de namen klinken, maar wel te maken uit gewone grondstoffen. Het zout kneed je in heet polyfosforzuur, geconcentreerd fosforzuur waar water aan onttrokken is.

Bij 200 oC trekt het zuur vier moleculen water uit elk zoutmolecuul en er vormt zich een oplossing van een geheel nieuw polymeer, met om elk stijf molecuul een mantel van fosforzuur (het zuur dat cola op smaak brengt). Die mantel zorgt ervoor dat de onbuigzame moleculen wel netjes langs elkaar liggen, maar ook langs elkaar kunnen glijden. En dus makkelijk uit een kleine opening stromen, net als rauwe spaghetti uit het eind van het pak. ‘Vloeibaar kristallijn’ heet dat. Je kunt die oplossing spinnen, je kunt daarna met water het zuur uitwassen en terugwinnen. Het garen neemt tijdens het wassen de meest fantastische groene kleuren aan, om tenslotte blauw te eindigen, het blauw van een pauwenstaart.

Brandwerende vezel

Het garen blijkt een bijna volkomen moleculaire ordening te krijgen, met om elk lang stijf molecuul een hoesje van netjes gerangschikte watermoleculen. Dit garen is heel sterk en omdat het zoveel water bevat en niet smelt, is het de beste brandwerende vezel die we tot nu toe hebben gezien.

Stoken we dit water eruit, en dat moet bij temperaturen waarbij gewone organische stoffen al lang gesmolten of verkoold zouden zijn, dan ontstaat `M5´. Met een net raster van chemische dwarsverbindingen, in twee richtingen tussen de moleculaire draden, precies zoals gepland. En een weerstand tegen uitrekking, driemaal zo hoog als die van Kevlar of Twaron. En ditmaal ook een echte compressiesterkte, voor het eerst in een organische vezel.

Medium
3. Het ideale brandweerpak kan gemaakt worden van de M5, de blauwe supervezel

M5-project een succes

Vanuit het Arnhemse laboratorium zijn er grammen van dit garen de wereld rondgestuurd. De afdeling vliegtuigbouw van de Technische Universiteit Delft experimenteerde er mee en ontdekte dat je er ideale slagvaste composieten mee kon maken. In een paar jaar meldden zich tientallen enthousiaste klanten, die opeens zagen dat zij nu het ideale brandweeruniform of pilotenpak konden maken. Maar ook een vliegtuig dat je op de radar niet ziet, een ultralichte steunzool of LPG tank, de ideale hockeystick, een ultralichte trein of fiets, een ideaal zonnepaneel voor een satelliet, of blauwe zeilen voor een raceboot, rood als de zon er door heen schijnt.

Het M5-project heeft in 2000 de vorm aangenomen van een zelfstandige onderneming. Doetze Sikkema heeft de draad weer opgenomen. We zullen nog van hem horen.

Zie ook:

Literatuur:

  • D.J. Sikkema, Design, synthesis and properties of a novel rigid-rod polymer, PIPd or “M5” : high molecules and tenacity fibres with substantial compressive strength, Polymer 39 (1998), 5981
  • O.C. van der Jagt, A. Beukers, The potential of a new rigid-rod polymer fibre (’M5) in advanced composite structures, Polymer 40 (1999), 1035.
  • D.J. Sikkema, M.G. Northolt, Les Fibres artificielles résistantes, Pour la Science 266 (Dec. 1999), p. 112.
Dijken
KNAW

Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).

Dit artikel is een publicatie van KNAW/KNCV.
© KNAW/KNCV, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 oktober 2001

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.