Biocomposiet

Fossil-based composieten vs. biobased composieten


Composiet als product en constructief materiaal

Hoewel composieten reeds in de jaren 60 van de vorige eeuw werden toegepast is in de laatste decennia het gebruik verder toegenomen. Composieten hebben een grote sterkte in verhouding tot gewicht, een hoge vormvrijheid en reproduceerbaarheid en een zeer lage behoefte aan onderhoud. Composieten zijn daardoor een groeimarkt; ze worden momenteel vooral toegepast in de sectoren automotive, bouw- en infrastructuur (pijpen, baden, keukens), marine (glasvezelcomposietboten), sportsector als ook in de bladen van windmolens. De totale composietenmarkt wordt geschat op 68 miljard euro en 7,9 miljoen ton (Cirris, 2012). Composieten worden toegepast in een aantal belangrijke markten en concurreren dan met name met staal, aluminium (en beton). Zie onderstaande afbeelding (Lucintel 2012).

Marktpenetratie van composieten in diverse marktsegmenten (bron: Lucintel, 2012)
Marktpenetratie van composieten in diverse marktsegmenten (bron: Lucintel, 2012)

Het overgrote gedeelte van de composieten zijn opgebouwd uit vezels zoals glas, koolstof of aramide die zijn gefixeerd door een fossiele grondstof gebaseerde matrix. De matrix kan bestaand uit thermoplastische plastics of thermohardende harsen. Doorgaans worden alleen thermohardende harsen gebruikt in zwaar belaste composieten.

Fossil-based composieten, biobased composieten en duurzaamheid

Een belangrijk nadeel van de bestaande fossil-based composietmaterialen is de doorgaans negatieve impact op het milieu. Gezien de eindigheid van fossiele grondstoffen is het sluiten van de keten via recycling van de matrix tot gelijkwaardige grondstof van uiterst belang. Voor fossil-based thermoplastische plastics in composieten zijn er echter problemen bij het recyclen door degradatie van de polymeerkwaliteit door het korter worden van de polymeerketens. Dit probleem wordt ook wel downcycling genoemd. Ook voor fossil-based thermohardende harsen in composieten zijn er nog geen op grote schaal toegepaste vormen van recycling tot grondstof voor zowel het productieafval alsmede de end-of-life producten. De momenteel toegepaste vormen van recycling zoals het bijmengen van gehakselde composieten in cementproductie zijn beter te classificeren als downcycling vanwege de vervuiling en verlies van de polymeer grondstof. Het alternatief van thermisch ‘recyclen’ van composieten in verbrandingsovens zorgt voor verlies van waardevol fossiele grondstoffen. Daarnaast is het overgrote gedeelte van de composieten gemaakt met glasvezel wat in de verbrandingsovens zorgt voor verstopping.

Composiet opgebouwd uit glasvezel gecombineerd met fossiele grondstof gebaseerde matrix (hars)
Composiet opgebouwd uit glasvezel gecombineerd met fossiele grondstof gebaseerde matrix (hars)

In sectoren zoals de automotive worden de veel toegepaste glasvezels meer en meer vervangen door natuurvezels zoals hennep en vlas. Dit mede vanwege de aantrekkelijke eigenschappen van natuurvezels zoals lager gewicht, absorberen van trillingen en het dempen van geluid. Hoewel dit enkele van de end-of-life problemen oplost worden deze natuurvezel nog voornamelijk toegepast met fossil-based harsen of plastics. Dergelijke composieten worden ook wel hybride biocomposieten genoemd. Zoals reeds hierboven toegelicht zorgt dit nog altijd voor uitdagingen en problemen in het volledig tot grondstof recyclen van de matrix.

Deurpaneel van thermoplastisch hybride composiet bestaat uit non-woven hennepvezels en fossil-based polypropeen als matrix. (bron: Türinnenverkleidung Hanf-PP nova" by Christian Gahle, nova-Institut GmbH - Work by Christian Gahle, nova-Institut GmbH.)
Deurpaneel van thermoplastisch hybride composiet bestaat uit non-woven hennepvezels en fossil-based polypropeen als matrix. (bron: Türinnenverkleidung Hanf-PP nova" by Christian Gahle, nova-Institut GmbH - Work by Christian Gahle, nova-Institut GmbH.)

Een potentievolle oplossing voor de bovenstaande problemen ligt in de ontwikkeling en toepassing van 100% biobased composieten ook wel biocomposiet genaamd. 100% biocomposieten zijn opgebouwd uit:

  • natuurlijke vezels zoals vlas, hennep, sisal of jute;
  • 100% biobased hars of plastic;
  • optioneel: een biobased kernmateriaal zoals biofoam (PLA), mycelium materiaal (FungiBlocks) of kurk gemaakt van een eindige grondstof zoals fossiele olie.

Foto's van links naar rechts: vlasweefsel snijden, biohars, biofoam (Synbra), vacuüm-infusie van biocomposiet, biocomposiet sandwich met biofoam met biohars en vlasweefsel, FungiBlocks (mycelium materiaal).

Biocomposiet een relatief nieuw en onbekend materiaal

Hoewel het principe van een fossil-based composiet gelijk is aan dat van een biocomposiet zijn er significante verschillen in de ontwerp, constructie, verwerking en onderhoud. Zo zijn natuurvezels bijvoorbeeld hygroscopisch, dit in tegenstelling tot glasvezels. Maar ook de ontwikkeling van biobased harsen staat in vergelijking met fossil-based harsen nog in het beginstadium. Hoewel er enkele 100% biobased harsen beschikbaar zijn, zijn de meeste biobased harsen slechts gedeeltelijk biobased en bestaat het overige gedeelte uit fossil-based componenten zoals bijvoorbeeld styreen. Dit heeft vaak te maken met een te hoog oplopende viscositeit bij het verder verhogen van het gehalte biobased. Ondanks deze uitdagingen zijn er potentievolle ontwikkelingen op het gebied van biobased harsen en plastics.

 

Foto's van links naar rechts: trekproef, biocomposiet proefsample na trekproef, uitlezen van resultaten van de trekbank , onvolledige impregnatie na vacuüm-infusie, biocomposiet sandwich samples na impactproeven, vlasvezel braid (buisvormig), biocomposiet met vlasvezel braid (buisvormig) en biohars.