ESTELLA-project ontwikkelt een nieuwe generatie recyclebare bio-composieten

ESTELLA is een onderzoeksproject gefinancierd door het Horizon Europe onderzoek- en innovatieprogramma van de EU. Binnen ESTELLA werken 13 onderzoeksinstellingen en bedrijven uit 8 Europese landen [zie kader 1] samen om epoxy-thermoharders en hun biocomposieten [zie kader 2] te ontwikkelen die circulair en veilig zijn, en bij voorkeur ook nog biobased en biologisch afbreekbaar: de zogeheten Safe-and-Sustainable-by-Design benadering.

De microstructuur van deze materialen maakt dat niet eenvoudig, legt Ghazal Tavakoli Gheinani uit. Zij is projectleider en onderzoeker bij Wageningen University & Research (WUR). “Traditionele thermoplastics bestaan uit min of meer parallelle, lange polymeerketens, die bij verhitting tegenover elkaar kunnen verschuiven. Dit stelt ons in staat ze te smelten, opnieuw te vormen en te recyclen. Thermoharders bestaan ook uit polymeerketens, maar die hebben onderlinge dwarsverbindingen: ze zijn vernet. Deze extra bindingen fixeren de positie van de polymeerketens ten opzichte van elkaar. Dus als je ze verhit, of als je een ander soort stimulans toepast, blijft de structuur van het materiaal stabiel. Het betekent dat je het niet kunt smelten, niet opnieuw kunt vormen, niet kunt recyclen, niets.”

Covalente aanpasbare netwerken

Als partner van het ESTELLA project zoekt Wageningen Food and Biobased Research (WFBR) naar mogelijkheden om de vernette structuur van thermoharders opnieuw te ontwerpen, door de introductie van Covalente Aanpasbare Netwerken (CAN). In tegenstelling tot traditionele thermoharders, zijn de verbindingen in thermoharders met CAN semi-permanent. Onder normale omstandigheden en in afwezigheid van stimuli zijn deze materialen stabiel en gedragen ze zich als traditionele thermoharders. Ze kunnen echter worden veranderd door het toedienen van specifieke stimuli, bijvoorbeeld hitte, UV-licht of chemicaliën met een bepaalde zuurgraad. Tavakoli: “In ons project passen we bijvoorbeeld zogeheten Diels-Alder chemie toe. Diels-Alder verbindingen zijn omkeerbaar doordat ze reageren op een stimulus, zoals verhoogde temperaturen. Als de dwarsverbindingen eenmaal zijn verbroken, gedraagt het materiaal zich als een thermoplastic en kun je het op dezelfde manier recyclen.”

Het is ook vermeldenswaard dat deze benadering in vergelijking met andere courante recyclingmethoden, zoals pyrolyse of solvolyse, veel minder energie vereist en het gebruik van schadelijke chemische oplosmiddelen overbodig maakt. Verder lag bij alle voorgaande recyclingtechnieken de nadruk vooral op het terugwinnen van de vezels in plaats van de polymeermatrix, omdat die het duurdere component van composieten vormen. “Hierdoor worden deze methoden geclassificeerd als down-cycling. Onze benadering biedt daarentegen de mogelijkheid voor efficiënte en effectieve scheiding en hergebruik van zowel de vezels als de harsen, waardoor een duurzamer recyclingproces mogelijk wordt.”

Op deze manier werkt het ESTELLA-project met uiteenlopende consortiumpartners aan het ontwerpen en ontwikkelen van een nieuwe generatie composieten, die biobased, circulair en milieuvriendelijk zijn, maar ook economisch haalbaar. De nieuwe materialen worden getest in twee concrete toepassingen: een scooterplatform en een raamkozijn. Deze producten zijn geselecteerd uit sectoren waar mechanische prestaties kritisch zijn, in dit geval mobiliteit en vrije tijd, en bouw. Als de prototypes succesvol zijn, kunnen de formuleringen ook worden gebruikt in andere toepassingen, die vergelijkbare mechanische en thermische eigenschappen vereisen.

Proefstukken

Inmiddels loopt het ESTELLA-project ruim twee jaar. Volledige prototypes zijn nog niet geproduceerd, wel enkele proefstukken. “We hebben nog een jaar te gaan”, zegt Tavakoli. “Hopelijk beschikken we eind dit jaar over een aantal veelbelovende formuleringen en dan kunnen we ons gaan richten op de toepassing en opschaling. We denken in ieder geval al na over een vervolgproject.”

Commerciële beschikbaarheid van de nieuwe materialen zal volgens Tavakoli echter nog wel een jaar of vijf tot tien op zich laten wachten. Belangstelling vanuit de industrie is er al wel. “Er is namelijk nog geen alternatief voor thermohardende composieten. En omdat ze niet recyclebaar zijn, legt de Europese regelgeving veel druk op verschillende industrieën om duurzame en minder milieubelastende opties voor deze materialen te vinden. Ik verwacht dan ook zeker dat er fondsen zullen vrijkomen voor vervolgonderzoek.”