Een weg naar nieuwe materialen: elektrisch geleidende polymeren via compatibilisatie

De laatste tijd komen plastics, ook kunststoffen of polymeren genaamd, vooral negatief in het nieuws. Krantenkoppen als “Strand Mexico ligt vol met plastic” (Knack, 10 augustus 2018) zijn schering en inslag en met campagnes als ‘Mei plasticvrij’ proberen we als samenleving de afvalberg van plastic verpakkingsmateriaal te verkleinen. Kunststoffen hebben natuurlijk veel meer toepassingen dan enkel verpakkingsmateriaal. In de transportsector vervangen kunststoffen metalen onderdelen om zo het gewicht van het voertuig te verlagen en de brandstof-efficiëntie te verhogen. PET-flessen zijn lichter dan glazen flessen en breken niet, wederom belangrijk voor het transport. De vraag dient zich aan voor welke toepassingen kunststoffen nog meer een oplossing kunnen bieden.

De polymere blend

Zoals in de inleiding al vernoemd, is een groot voordeel van kunststoffen hun lage dichtheid. Wat ze nog aantrekkelijker maakt, is het feit dat hun andere eigenschappen op verschillende manieren gefinetuned kunnen worden voor een specifieke toepassing. Op moleculair niveau zijn kunststoffen of polymeren lange ketens, bestaande uit een groot aantal monomeren die steeds herhaald worden. Ten eerste kan een copolymeer gemaakt worden uit verschillende monomeren. LEGO®-blokjes bestaan uit een terpolymeer genaamd ABS, wat wil zeggen dat ze zijn opgebouwd uit 3 soorten monomeren of moleculaire bouwblokken: acrylonitril, butadieen en styreen. Ten tweede kunnen zogenaamde vulstoffen aan het polymeer toegevoegd worden om bijvoorbeeld de kleur te veranderen of de mechanische eigenschappen te verbeteren. Een derde optie is het mengen of blenden van twee of meer polymeren om zo synergetisch de eigenschappen van dezen te combineren. Dit gebeurt door de polymeren te smelten of in een gemeenschappelijk oplosmiddel op te lossen. Deze techniek is sneller en goedkoper dan een nieuw polymeer te proberen ontwerpen, maar een probleem hierbij is dat de meeste polymeren niet of slechts gedeeltelijk mengbaar zijn. Gedeeltelijk mengbare polymeren zijn enkel mengbaar in bepaalde composities en bij bepaalde temperaturen. Minstens even belangrijk als de afzonderlijke polymeren voor de finale eigenschappen van de blend, is de microstructuur van de blend. Deze microstructuren worden onderverdeeld in twee grote groepen: een druppel-matrix structuur (gebieden van polymeer A vormen druppels in polymeer B) en een co-continue structuur (gebieden van polymeren A en B zijn verweven in elkaar en vormen een netwerk). Een mooi voorbeeld hiervan is het maken van plastic bierflesjes. Een probleem met plastic bierflesjes is het feit dat ze makkelijker CO2 uit de fles laten ontsnappen en zuurstof laten binnendringen vergeleken met glazen flessen. Een oplossing zou een polymere blend kunnen zijn waarbij het ene polymeer eilandjes vormt in het andere polymeer die het diffunderen van de gassen door de fles sterk vertraagd. Deze drie technieken laten toe een polyme(e)r(e) (blend) te ontwerpen voor elke nieuwe toepassing. Zo is het zelfs mogelijk een polymere blend elektrisch geleidend te maken. Maar, hebben we met z’n allen in de middelbare school niet geleerd dat kunststoffen elektrisch isolerend zijn?

V.l.n.r.: Druppel-matrix microstuctuur, co-continue microstructuur en schematische structuur van een blok-copolymeer

Ontwerp van een elektrisch geleidende blend

 Voor het ontwerp van een elektrisch geleidende polymere blend is inderdaad een elektrisch geleidend materiaal nodig als vulstof. Intrinsiek geleidende polymeren bestaan, maar hebben nog geen grootschalige toepassingen wegens een moeilijke verwerkbaarheid of chemische instabiliteit. Een geleidend materiaal dat voor deze toepassing dikwijls gebruikt wordt is koolstof, en in dit geval meer bepaald koolstof-nanobuisjes. De simpelste methode lijkt nu de volgende: neem uw koolstof-nanobuisjes en uw polymeer, meng deze goed tot de koolstof-nanobuisjes mooi verdeeld zijn en klaar is Kees. Helaas, met deze benadering is er een te grote hoeveelheid koolstof-nanobuisjes nodig om het volledige polymeer te bestrijken, hetgeen leidt tot slechtere mechanische eigenschappen en een te hoge kostprijs. Het ideaalbeeld zou zijn dat de koolstof-nanobuisjes een netwerk vormen binnen het polymeer, zodat er een lagere concentratie voor nodig is, maar er toch elektrische geleidbaarheid wordt gerealiseerd. De aandachtige lezer onder u voelt al waar dit naartoe gaat. De oplossing van dit vraagstuk is om een polymere blend te maken die een co-continue structuur bezit, waarbij de koolstof-nanobuisjes selectief oplossen in het polymeer dat een netwerk vormt. Er steekt echter een nieuw probleem de kop op: de oppervlaktespanning. Dit is het welbekende verschijnsel dat sommige insecten toelaat om over water te lopen. Op het grensvlak tussen twee fasen ontstaat er een spanning, in dit geval tussen polymeer A en B van de blend. Bij een co-continue structuur is er veel contactoppervlak tussen de twee polymeren. De oppervlaktespanning zorgt ervoor dat het contactoppervlak geminimaliseerd wordt, en dat na verloop van tijd het netwerk van de co-continue structuur opbreekt in verschillende domeinen. De co-continue structuur verandert dus in een druppel-matrix structuur. Met de overgang naar een druppel-matrix structuur gaat het netwerk en bijgevolg de elektrische geleidbaarheid verloren. Om de oppervlaktespanning te verlagen en zo de co-continue structuur te stabiliseren, wordt nog een extra component in kleine hoeveelheid toegevoegd, namelijk de compatibilizer. Dit is een (co)polymeer dat zich naar het grensvlak begeeft. Zeer simpel voorgesteld ‘niet’ de compatibilizer de twee fasen polymeer aaneen en zorgt dat ze naast elkaar kunnen bestaan. De klassieke compatibilizer is een blok-copolymeer, bestaande uit een keten monomeren die goed oplosbaar is in polymeer A van de blend, chemisch gebonden met een keten andere monomeren die goed oplosbaar is in polymeer B van de blend. Verder kan de compatibilizer een effect hebben op de temperatuur en compositie intervallen van de mengbaarheid van de polymeren (thermodynamische effecten), alsook op de vormingssnelheid en uitzicht van de finale microstructuur. Kortom, zeer veel parameters moeten (jaren) onderzocht worden alvorens een nieuw materiaal op industriële schaal geproduceerd kan worden. Het finale verdict van de elektrisch geleidende polymeren? Hun elektrische geleidbaarheid ligt voorlopig nog ordegroottes lager dan een gewone koperdraad, maar ze hebben al wel toepassingen gevonden in het beschermen van apparaten tegen elektrostatische ontlading, die vervelende schokjes wanneer je met wollen sokken over een tapijt hebt gelopen kunnen bepaalde elektronische apparaten beschadigen, en in het afschermen van elektrische circuits tegen elektromagnetische straling. Terwijl er vast en zeker iets gedaan moet worden aan de vervuiling door plastic, toont dit artikel hopelijk aan dat kunststoffen meer zijn dan ronddrijvend afval in de zee.