Doorbraak in veilige en circulaire ‘performance’ materialen

Nederland en Europa streven naar een 100% circulaire samenleving, maar soms is dat niet mogelijk. Hoe recycle je bijvoorbeeld de afbladderende verf van een tuinhek of ingrediënten in wasmiddelen nadat de was is gedaan? Daarvoor zijn materialen nodig die zijn ontworpen om te kunnen recyclen: ze zijn Circular by Design, veilig (Safe by Design), liefst uit biogrondstoffen gemaakt en ook nog afbreekbaar in de natuur.

Wageningen University & Research en University of York hebben nu een doorbraak bereikt in het onderzoek naar dit soort materialen binnen het Europese project CHAMPION. De wetenschappers uit Wageningen en York werkten samen met Circa Sustainable Chemicals en AVA Biochem aan de ontwikkeling van biobased chemische bouwstenen en polymeermaterialen, waarbij de aandacht zowel uitging naar de prestaties van de materialen als naar het sluiten van de kringloop en het einde van de levensduur.

“We ontwikkelen binnen CHAMPION een chemie die omkeerbaar is”, zegt onderzoeker en projectleider Daan van Es van Wageningen Food & Biobased Research. “Tegelijk willen we ook af van de toxische componenten die gewoonlijk in veeleisende toepassingen worden gebruikt , zoals isocyanaten en epoxyharsen in harsen, coatings en lijmen.”

Milde chemie

Om dat mogelijk te maken, wordt gebruik gemaakt van milde (‘klik’)chemie, zonder agressieve chemicaliën, hoge drukken of hoge temperaturen. “Het gaat om de zogeheten aza-Michael chemie. Het komt er in het kort op neer dat we gebruik maken van amines: een specifieke klasse van stikstofhoudende chemicaliën. Die reageren onder milde condities, vanaf kamertemperatuur tot net boven 100 graden. Met deze chemicaliën kunnen we materialen maken die voor hun levensduur voldoende sterk zijn, maar daarna niet persistent zijn. Aan het einde van de levensduur kun je ze weer uit elkaar halen. Bovendien zijn ze biologisch afbreekbaar. Mochten ze toch in het milieu belanden, dan hopen ze niet op maar breken ze gemakkelijk af.”

Materialen ontwikkelen die aan al deze eigenschappen voldoen én tegen een stootje kunnen, bleek een uitdaging. Rolf Blaauw, onderzoeker van Wageningen Food & Biobased Research: “Tot voor kort waren de resultaten zacht, kleverig en rubberachtig. Onze industriële partners hebben echter harde en sterke materialen nodig, bijvoorbeeld voor lakken voor kantoormeubels of lijmen voor windturbinebladen. Door de ingrediënten van de formulering aan te passen zijn we er nu in geslaagd een verdicht driedimensionaal netwerk van polymeren te maken. Hoe dichter het netwerk, hoe sterker en harder de materialen worden. Onze toolbox is dus flexibeler geworden en daarmee kunnen we beter inspelen op vragen vanuit de industrie.”

Materiaaltransitie

Om een vliegende start te kunnen maken met het onderzoek, worden binnen CHAMPION op dit moment deels commercieel verkrijgbare chemische bouwstenen gebruikt. Die zijn (nog) van fossiele oorsprong. Er wordt echter ook hard gewerkt aan de ontwikkeling van hernieuwbare, biobased alternatieven met vergelijkbare chemische eigenschappen. Daan van Es: “Op middellange termijn kunnen we al materialen maken die deels hernieuwbaar zijn. Op die manier stellen we de industrie in staat al binnen twee tot vijf jaar echt te gaan produceren. Onze visie voor de langere termijn is dat alle materialen volledig hernieuwbaar worden.”