Wonderbaarlijk zelfhelend plastic

Asfalt, metalen en plastics die zichzelf kunnen herstellen: het is geen toekomstmuziek meer. De eerste toepassing bestaat al, in de vorm van zelfhelende autolak. Straks zijn er ook zelfreparerende fietsbanden te koop en telefoons met een krasherstellende coating. Maar hoe werkt dat eigenlijk, zo’n zelfhelend plastic?

door

Boomschors

In de natuur zijn zelfherstellende materialen niets bijzonders. Neem boomschors, dat repareert zichzelf.

In de natuur zijn allerlei voorbeelden te vinden van dingen die zichzelf herstellen nadat ze een beschadiging hebben opgelopen. Denk bijvoorbeeld aan bomen die een nieuwe beschermlaag vormen op de plaats waar de schors beschadigd is. Of kijk eens naar je eigen lichaam: als je een wondje hebt, zal je lichaam dat herstellen.

De natuurlijke zelfhelende processen zorgen ervoor dat een beschadigd onderdeel zijn functie kan blijven vervullen. En dat is ook het uitgangspunt bij het ontwerp van niet-natuurlijke zelfhelende materialen. Alle kwaliteiten van het originele materiaal moeten bij het herstelproces behouden blijven. Zo moet bij gebruik van een zelfhelende coating het scherm van een telefoon transparant blijven en mag de werking van het touch screen niet verstoord worden. Een andere eis aan zelfherstellende materialen is dat het herstelproces – net als in de natuur – spontaan verloopt.

Plastics repareren zichzelf

Zelfherstellende processen in plastics verlopen in grote lijnen volgens hetzelfde principe. Mobiele deeltjes in het materiaal verplaatsen zich richting de beschadiging, waar ze zorgen voor een permanent herstel.

Wat is een plastic?

Plastic

Plastic materialen of kunststoffen zijn opgebouwd uit polymeren. Polymeren zijn lange molecuulketens die op hun beurt weer opgebouwd zijn uit monomeren. Monomeren zijn daarmee de moleculaire bouwstenen van plastics. De polymeerketens in het plastic zijn vaak met elkaar verbonden door middel van zogenaamde crosslinks, moleculaire verbindingen die het materiaal extra stevigheid geven.

Het eerste zelfhelende plastic is in 2001 ontwikkeld door de Amerikaanse wetenschapper Scott White. Hij bracht er minuscule bolletjes in aan, gevuld met losse monomeren. Bij beschadiging van het materiaal breken de bolletjes open en komen de monomeren vrij. Deze herstellen de beschadiging door bindingen aan te gaan met de rest van het plastic. Dit mechanisme kan in principe voor een snel herstel zorgen. Denk bijvoorbeeld aan het vizier van een motorhelm dat zichzelf na een steenslag direct herstelt, om zo doorscheuren van het sterretje te voorkomen.

Zelfhelendpolymeer1

Schematische weergave van het zelfherstellende plastic ontwikkeld door Scott White.

Een belangrijk nadeel van het zelfhelende plastic van White is dat er eigenlijk geen sprake is van optimale heling. Zo blijft de plek van het herstel meestal zichtbaar en werkt het mechanisme slechts één keer op dezelfde plaats.

Sinds de eerste ontwikkeling in 2001 heeft de wetenschap niet stil gestaan. Inmiddels zijn voor plastics een aantal nieuwe zelfherstellende concepten ontwikkeld.

Supramoleculaire polymeren

Eén van de nieuwe zelfherstellende plastics is gebaseerd op supramoleculaire polymeren. Daarbij zijn de monomeren in de polymeerketen niet met elkaar verbonden via covalente bindingen (de bindingen waarmee atomen in een molecuul aan elkaar zitten), maar via waterstofbruggen of Vanderwaalskrachten (relatief zwakke interacties tussen afzonderlijke moleculen).

De supramoleculaire polymeren bestaan bij de gratie van een dynamisch evenwicht tussen de toestand van organisatie (de polymeerketen) en wanorde (de losse monomeren). Een verbroken binding betekent een verstoring van dit evenwicht. Om dat te herstellen zal het materiaal vanzelf nieuwe bindingen vormen. Deze intrinsieke drang kan goed gebruikt worden om het materiaal zichzelf te laten helen. Een prachtig voorbeeld zie je op onderstaande video over Reverlink, een zelfherstellend supramoleculair polymeer van het Franse chemiebedrijf Arkema.

Supramoleculaire zelfhelende materialen zijn relatief zachte en rubberachtig, dus die kun je straks misschien in fietsbanden tegenkomen. Een gaatje plakken in een zelfhelende band is dan een kwestie van een paar seconden. Even een beetje druk uitoefenen, zodat de randen van het gaatje opnieuw aan elkaar vast komen te zitten, en je band is geplakt!

Manipuleren van crosslinks

Een ander herstelproces voor plastics is gebaseerd op het manipuleren van crosslinks tussen de polymeerketens. Deze moleculaire dwarsverbindingen zorgen normaliter voor een stabiel netwerk in bijvoorbeeld thermohardende plastics, waar ze bijdragen aan de stevigheid van het materiaal. Een kenmerk van thermoharders is dat ze resistent zijn tegen verhitting; ze worden er – in tegenstelling tot zogenaamde thermoplastische plastics – niet zacht of slap van.

Onderzoekers werken nu aan een nieuw soort plastic met crosslinks die relatief gemakkelijk met behulp van warmte te verbreken en opnieuw te vormen zijn. Daardoor is het materiaal op moleculaire schaal te repareren.

Zelfhelendpolymeer2

Schematische weergave van het breken en vormen van crosslinks: Bij verwarming krijgen de moleculen meer bewegingsvrijheid en kan er een herordening van de polymeerketens plaatsvinden.

Crosslinks zijn covalente bindingen, en om die te verbreken is meer energie nodig dan bij het herstel van de supramoleculaire polymeren. De verwarming levert die energie. Eenmaal bevrijd van de crosslinks kunnen de polymeerketens zich losmaken uit het grote netwerk. Ze krijgen meer bewegingsvrijheid en kunnen zich herordenen. Als het plastic vervolgens afkoelt, vormen zich nieuwe crosslinks tussen de ketens en herstelt het materiaal. Onregelmatigheden in het materiaal, zoals krasjes en scheurtjes, kunnen op deze manier verdwijnen.

Een dergelijk mechanisme zou goed werken in bijvoorbeeld de coating van brillenglazen: een nachtje op de verwarming of even föhnen, en de glazen zijn weer als nieuw.

Kruipende polymeerketens

Ook voor de traditionele thermohardende plastics, die bijvoorbeeld in autobumpers te vinden zijn, is een herstelmechanisme in ontwikkeling. Daarvoor proberen onderzoekers het polymeernetwerk van extra losse polymeerketens te voorzien. Deze ketens zijn niet gebonden aan de rest van het materiaal en kunnen daardoor met een soort slangachtige bewegingen vrij door het plastic ‘wandelen’. Het idee is ze in de richting van een breuk te ‘sturen’ om daar de vlakken opnieuw met elkaar te verbinden.

Zelfhelendpolymeer3

Schematische weergave van het herstel van een thermohardend plastic met behulp van lineaire polymeerketens.

Om de losse polymeerketens door het thermohardende plastic te laten kruipen zijn vooralsnog behoorlijk hoge temperaturen vereist. Daarnaast is het noodzakelijk om de gebroken delen tegen elkaar te drukken, anders kunnen de losse polymeerketens de delen niet opnieuw met elkaar verbinden.

Mogelijkheden genoeg

Behalve de hierboven aangegeven mechanismen om plastics zelfhelend te maken, zijn er nog allerlei andere benaderingen. Welk plastic met welk herstelmechanisme het meest geschikt is, is afhankelijk van de functie die het materiaal moet vervullen. Duidelijk is wel dat het arsenaal aan zichzelf reparerende kunststoffen de komende tijd alleen maar groter zal worden. Ook vanuit het oogpunt van duurzaamheid zijn zelfhelende plastics veelbelovend. Zelfhelende materialen hebben namelijk minder onderhoud nodig en zullen een langere levensduur hebben waardoor er uiteindelijk minder materialen, en dus minder grondstoffen, nodig zijn. Bovendien stijgt de betrouwbaarheid van producten, als beschadigingen straks als sneeuw voor de zon kunnen verdwijnen.

Een héél sterk staaltje van een zelfhelend plastic zie je in onderstaande aflevering van het Klokhuis. Het thema van de uitzending is de fabricage van vezelversterkte kunststoffen, maar vanaf 12:12 komt een spectaculair experiment met zelfhelend plastic in beeld.

Get Microsoft Silverlight
Bekijk de video in andere formaten.

Kogeldoorzelfhelendplastic

Hiernaast zie je een screenshot uit de Klokhuis reportage, met een kogel die op het punt staat een plaatje zelfhelend plastic te doorboren.


Lees meer over zelfhelende materialen op Kennislink:

Bekijk ook: