Je leest:

Het ontwarren van spaghetti

Het ontwarren van spaghetti

Auteur: | 1 oktober 2001

Nederlands polymerenonderzoek leverde een cruciale bijdrage aan de ontwikkeling van supersterke kunststofvezels van polyetheen. Het materiaal wordt door DSM onder de naam Dyneema op de markt gebracht.

Plastic heeft iets van spaghetti weg. Plastics (chemici hebben het liever over polymeren) bestaan uit lange macromoleculen, te vergelijken met slierten gekookte spaghetti. Welnu, iedere spaghetti-eter weet dat die slierten nogal eens in war zijn. Daarom ook is het niet makkelijk om supersterke plastics te maken. Dan moeten de macromoleculen uitgerekt worden en keurig naast elkaar liggen. De geniale scheikundige Wallace H. Carothers van het Amerikaanse DuPont (o.a. uitvinder van nylon) presenteerde in één van zijn eerste publicaties over dit onderwerp reeds een schets van hoe een dergelijk ‘superpolymeer’ er uit zou moeten zien (fig. 5).

Hij probeerde zo’n supervezel te maken door aan plastic vezels te trekken. Daarbij ontdekte Carothers een grens: hij kon vezels niet verder dan vijf keer hun aanvangslengte uittrekken. Ook voor andere polymeren bleek dit op te gaan. De lezer kan het zelf vaststellen door aan het polyetheenbandje dat bierblikjes bij elkaar houdt, te trekken. Deze limiet – vijf keer de oorspronkelijke lengte – werd sinds Carothers als de natuurlijke strekverhouding van polymeren beschouwd.

Figuur 1. Het proces om supersterke polyetheenvezels te vervaardigen. Poedervormig polymeer wordt in een mengextruder opgelost in een oplosmiddel tot een concentratie van 5-15 gewichtsprocent bij een temperatuur van ongeveer 170 °C. Het geheel wordt door een zeefvormige plaat gedrukt. Daarbij vormen zich honderden continue strengen, die in een waterbad afgekoeld worden waarbij gelvezels ontstaan (fig. 2). Door verdamping van het oplosmiddel wordt de vezel gedroogd en verstrekt tot meer dan 40 keer zijn oorspronkelijke lengte. Tijdens dit laatste proces oriënteren de lange polymeermoleculen zich vrijwel perfect in de vezelrichting. Bron: P. Smith

In de zestiger jaren bleek de grens wel degelijk doorbroken te kunnen worden. Als de juiste temperatuur (70-100 graden) en treksnelheid (ongeveer tien procent rek per seconde) wordt gekozen, kan normaal polyetheen (van de bierblikjes) wel twintig keer verstrekt worden. Het aldus verstrekte materiaal heeft een tamelijk hoge stijfheid (vergelijkbaar met glas en aluminium) maar is niet echt sterk. Dat komt omdat het materiaal uit te korte macromoleculen is opgebouwd. Pogingen om polyetheen van veel langere ketens zover uit te rekken, faalden.

Roeren

Een tweede doorbraak kwam uit het Centraal Laboratorium van de toenmalige Staatsmijnen (nu DSM) in Geleen. Albert Pennings werkte met Ron Koningsveld aan de kristallisatie van zéér lange polyetheenketens tijdens het roeren in onderkoelde oplossingen. Begin jaren zestig vond hij dat deze macromoleculen soms vezels van parallelle ketens vormden. Als hoogleraar aan de Rijksuniversiteit Groningen zette Pennings dat onderzoek met zijn studenten (met name Arie Zwijnenburg) voort. Dit alles leidde in 1976 tot de eerste sterke polyetheenvezel.

Helaas resulteerde het werk niet in een commercieel proces. De vezels groeiden te langzaam (enkele meters per minuut).

Figuur 2. Gelvezel bestaande uit 5 gewichtsprocent polyetheen van hoog molecuulgewicht en 95 procent oplosmiddel. De dikte van de vezel is 1,5 mm. De opname is gemaakt met een optische microscoop met gekruiste polarisatoren waardoor kristallen en oriëntatie van polymeermoleculen zichtbaar zijn. Bron: P. Smith

Gel

In 1978 kwam de derde doorbraak, opnieuw bij DSM. Paul Smith en Piet Lemstra ontdekten dat wanneer zeer lange polyetheenketens uit geconcentreerde oplossingen kristalliseren, ze een gel vormen en veel verder verstrekt kunnen worden dan wanneer hetzelfde polymeer kristalliseert vanuit gesmolten toestand. De ketens bleken meer dan honderd keer hun eigen lengte verstrekt te kunnen worden: een enorme overschrijding van de ‘natuurlijke grens’ van vijf.

Figuur 3. Klossen Dyneema vezel en ‘haai-resistent’ visnet. Bron: P. Smith

Eindelijk was het gestelde doel bereikt. De spaghetti was letterlijk ontward. Door de zeer hoge strekverhoudingen worden de polymeerketens vrijwel volledig uitgerekt en in een hoge graad van perfectie naast elkaar en in de richting van de vezel gelegd.

Figuur 4. Deze grafiek laat zien dat alhoewel staal stijf en enigszins sterk is, het vanwege zijn hoge dichtheid geen goed materiaal is om sterke, lichtgewichtconstructies te maken. Aluminium, koolstofvezels, glas en sterke polymeervezels zijn daar wel geschikt voor. Bron: P. Smith

Dit proces kon dank zij het fundamenteel technologische werk van o.a. Han Meijer op industriële schaal uitgevoerd worden met snelheden van honderden meters per minuut. Sinds 1983 worden de supersterke polyetheenvezels commercieel geproduceerd door DSM/Toyobo en als Dyneema verkocht. Het materiaal wordt toegepast in kogelvrije vesten, helmen, sportkleding, handschoenen voor chirurgen, visnetten en vislijnen, zeilen, sleepkabels, enzovoorts.

Figuur 5. Schets van een superpolymeer. Bron: P. Smith

Zie ook:

Literatuur:

  • W.H. Carothers, J.W. Hill, Studies of polymerization and ringformation XV, Artificial fibers from synthetic linear condensation superpolymers, Journal of the American Chemical Society 54 (1932), pp. 1597-1587
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.