Sterkere vezels dankzij dwarsverbindingen

Als je er aan trekt tonen aramidevezels zich ontzettend sterk, maar wanneer je ze samendrukt, gaat de sterkte aanzienlijk achteruit. Alwin Knijnenberg ging op zoek naar een oplossing.

Alwin Knijnenberg. (Foto: Hans Stakelbeek / FMAX)

Aramidevezels, bekend van toepassingen in bijvoorbeeld kogelvrije vesten en autobanden, bestaan uit polymeerketens die onderling dwarsverbindingen vormen met waterstofbruggen. Door een bijna perfecte uitlijning van de polymeerketens hebben aramidevezels een hoge treksterkte. Nadeel is de middelmatige sterkte onder compressiebelastingen vergeleken met koolstof- of glasvezels. Dit beperkt grootschalige toepassing in bijvoorbeeld de vliegtuigindustrie. Simpel gezegd: als de drukkrachten in de vezelrichting liggen, zijn aramidevezels minder sterk.
Eén van de denkrichtingen om dit probleem op te lossen is om naast de aanwezige waterstofbruggen extra (covalente) bindingen tussen de moleculen aan te brengen. Die zijn sterker. Dat zou moeten gebeuren door aan de polymeren eindgroepen toe te voegen, die zich na het spinnen van de vezels als een soort moleculaire klemmetjes vasthechten aan naburig polymeerketens.
“Uit de literatuur hebben we een stuk of twintig potentieel interessante eindgroepen geselecteerd”, vertelt ir. Alwin Knijnenberg, die volgende week bij Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek promoveert op een manier om de compressiesterkte van aramide te verbeteren. “Een aantal daarvan kun je zo kopen, andere hebben we zelf gemaakt. Die hebben we gekoppeld aan de componenten waar aramidevezels van gemaakt worden.”
Aramidepolymeren worden tijdens het vezelspinproces opgelost in zwavelzuur en tot 85 graden verhit. Eindgroepen die daar niet tegen konden, vielen af. Zo hield Knijnenberg twee veelbelovende groepen over, die hij inbouwde in oligomeren, korte aramideketens (in contrast tot de lange polymeerketens die voor de sterkte van de vezels in de lengterichting zorgen). Ook die werden weer aan allerlei onderzoeken onderworpen om te kijken of de eigenschappen overeenkwamen met de verwachtingen. Dat bleek het geval.
Knijnenberg: “Toen hebben we verschillende mixen gemaakt door het variëren van de verhouding tussen polymeren en oligomeren. Bij meer oligomeren krijg je namelijk wel meer dwarsverbindingen, maar je loopt het risico dat de treksterkte minder wordt. Zo’n mix is vervolgens opgelost in zwavelzuur en vanuit de resulterende spinoplossing zijn uiteindelijk via bestaande processen vezels gesponnen.”
Het resultaat was een grote collectie vezels met verschillende verhoudingen oligomeren en polymeren. Ter referentie werden daar de mechanische eigenschappen en kristallijne structuur van vastgesteld voordat de finale processtap volgde: een thermische nabehandeling, die de eindgroepen moest activeren, zodat zij sterke dwarsverbindingen zouden gaan vormen.
Een aanzienlijk deel van Knijnenbergs tijd ging zitten in ingenieus meetwerk dat moest aantonen of de resulterende vezels nou echt sterker waren onder compressiebelasting. Eén methode legt een microscopisch kleine vezel in een lus. Als je die lus aan de uiteinden aantrekt, ontstaat aan de binnenkant ervan een drukspanning. Op een gegeven moment knikt de lus - een teken dat de kritische grens voor drukbelasting bereikt is. Een andere methode staat bekend als Ramanspectroscopie, waarbij een laser spanningen in de vezel op moleculair niveau meet. Beide methoden leverden informatie op over compressievervorming op zowel macroscopisch als moleculair niveau.
“Verbazingwekkend genoeg blijk je twintig procent – het maximum dat we testten – oligomeren aan de mix toe te kunnen voegen zonder noemenswaardige gevolgen voor de trekeigenschappen”, vertelt Knijnenberg. “De treksterkte neemt wel af door de hittebehandeling. Het soort eindgroep lijkt op dit moment niet zo belangrijk te zijn en de compressie-eigenschappen verbeteren significant na het uitvoeren van de hittebehandeling.
Missie geslaagd zou je zeggen, ware het niet dat het controlemateriaal, zonder oligomeren erin, bijna dezelfde verandering van eigenschappen toonde na de hittebehandeling. Misschien is het aantal vervangen waterstofbruggen naar verhouding zo gering dat het effect nauwelijks meetbaar is, en moet het percentage oligomeren in de mix verder omhoog. Belangstellenden kunnen na afloop van Knijnenbergs promotie op 27 maart mee zoeken naar nieuwe onderzoeksrichtingen tijdens een symposium over recente ontwikkelingen op het gebied van hoogwaardige vezels en vezelversterkte composiet materialen.