Autonoom zelfhelende systemen gebaseerd op maleïmide-chemie

Plastic wordt eigen dokter

Vandaag de dag zijn polymeermaterialen (plastics) niet meer uit het dagelijkse leven weg te denken. De kleren die je draagt, auto’s, de iPhone waarmee je jouw vrienden op de hoogte houdt van alles wat je doet… bestaan voor een groot deel uit plastic materialen. Dit zijn natuurlijk niet de gewone plastic zakjes uit de winkel, maar speciaal gemaakte, hoogwaardige materialen die lang moeten meegaan. Hoe langer die materialen hun eigenschappen bewaren, hoe langer je kan genieten van je nieuwe T-shirt of de muziek die uit je iPhone komt.  Niet alleen wil je dat al die zaken langer meegaan, je wil ook dat ze voor die lange tijd even veilig blijven, denk maar aan een vliegtuigvleugel. Maar hoe kan je een materiaal langer zijn functie laten uitoefenen? Hiervoor zullen we even moeten spieken bij de beste wetenschapper die er bestaat: Moeder Natuur zelf. In de natuur zijn er immers veel voorbeelden te vinden van materialen die na een beschadiging weer terug zichzelf worden, denk maar aan een boom die na een fikse snoeibeurt weer nieuwe scheuten krijgt, of jouw eigen huid die na die lelijke valpartij terug dichtgroeit (zonder litteken). Hier vonden wetenschappers hun inspiratie voor zelfherstellende materialen. Een materiaal dat zichzelf herstelt na een breuk of scheur klinkt misschien als toekomstmuziek maar toch zijn er al enkele materialen op de markt die zichzelf kunnen genezen. Zo hebben enkele autoconstructeurs zelfherstellende banden en lakken uitgebracht die momenteel te vinden zijn op een aantal automerken. Ruwweg kunnen de zelfherstellende materialen onderverdeeld worden in twee klassen: de autonome en de niet-autonome systemen. Bij autonome systemen zal het materiaal zichzelf herstellen zonder tussenkomst van een externe stimulus of zelfs een persoon. Niet-autonome systemen daarentegen hebben wel een duwtje in de rug nodig om zich te kunnen genezen. In 2001 ontdekte een Amerikaanse professor (Scott White) als eerste een autonome manier om plastic materialen zichzelf te laten herstellen. Hiervoor ontwikkelden hij en zijn medewerkers microcapsules (kleine holle bolletjes) die een vloeibare lijm bevatten. Op het moment dat het materiaal scheurt, komt de lijm vrij en wordt de scheur opgevuld. De ontwikkelde lijm is echter nog niet volledig op punt gesteld aangezien de scheur wel opgevuld wordt maar echt goed plakt deze lijm nog niet aan het origineel materiaal. Hiervoor werd in mijn onderzoek, uitgevoerd in de Polymeerchemie onderzoeksgroep aan de Universiteit Gent  (Prof. Filip Du Prez, www.PCR.UGent.be) een oplossing gezocht.

Het onderzoek werd onderverdeeld in drie grote delen. Eerst werd een studie gemaakt op voorbeeldreacties. Dat wil zeggen dat er met kleine moleculen reacties uitgevoerd werden om zo de snelheid en efficiëntie van de chemische reacties te bepalen. Op deze manier konden de omstandigheden geoptimaliseerd worden op gebied van reactiviteit (hoe graag de moleculen reageren met elkaar) en het gebruik van een katalysator (een extra component die de reactie versnelt).

Het innovatieve aan de gebruikte chemie is dat er een onderscheid gemaakt wordt tussen de reactie die plaatsvindt aan het oppervlak van de scheur en deze in de bulk van de scheur, d.w.z. waar geen origineel materiaal meer te vinden is. De reacties aan het oppervlak van de scheur maken gebruik van de reactieve groepen van het originele materiaal, die reageren met een toegevoegde maleïmide-component (een molecule die gemakkelijk kan ‘aangevallen’ worden door andere reactieve moleculen). Uit de eerste testen bleek dat deze reacties zeer snel verliepen (in ongeveer 5 minuten) en dit zonder de hulp van een extra stof (katalysator). De reacties van het nieuwe materiaal met het origineel materiaal is dus verzekerd (de lijm kleeft!).

Voor de reacties in het midden van de scheur worden opnieuw de maleïmide-groepen gebruikt maar nu in combinatie met een vernetter, een zwavel-bevattende molecule, die additioneel toegevoegd wordt. Deze reactie gaat eveneens zeer snel en het originele materiaal versnelt deze reacties zelfs nog. Uit dit eerste deel bleek dus dat het toevoegen van twee specifieke stoffen (maleïmiden en een zwavel-vernetter), een perfect uitgangspunt was om een lijm te ontwikkelen die een scheur goed herstelt en ook goed kleeft aan het origineel materiaal.

In de tweede fase van het onderzoek werd nagegaan of de reacties die uitgevoerd werden in het vorige deel wel tot een mooi, homogeen materiaal kunnen leiden. De modelreacties in het eerste deel dienden echter alleen maar om de reactiviteit en snelheid na te gaan. De gebruikte molecules waren ook nog niet diegene die gebruikt zullen worden in het zelfherstellende materiaal. Hiervoor moesten we dit dus eerst testen op de molecules die we zouden willen gebruiken. Opnieuw waren de resultaten zeer goed, aangezien het gevormde materiaal op beide plaatsen (aan het oppervlak en in het midden van de scheur) een stevig nieuwe film vormt in maximum 2 dagen.

Als laatste werd de nieuwe lijm (in verschillende combinaties) getest om plastic te laten genezen. Eerst werd dit gedaan op kleine stukjes plastic: hier werd een druppel van een mengsel opgedaan en een ander stukje plastic opgedrukt. Als de twee plaatjes na een aanvaardbare tijd aan elkaar bleven plakken, kon ervan uitgegaan worden dat het een goed mengsel was en dat we dit meer in detail moesten onderzoeken. Het meer gedetailleerde onderzoek werd gedaan aan de hand van een goed gekende trektest. Hierbij wordt een stuk plastic gemaakt in een vooraf gekozen vorm dat reeds een scheur bevat. Dit stuk plastic wordt daarna door een trekmachine kapot gescheurd waarbij de kracht wordt gemeten. Daarna vullen we met een spuit de scheur van het plastic op met onze lijm. Na enkele dagen zullen we het herstelde plastic opnieuw kapot scheuren. Aan de hand van de kracht die nodig is om het herstelde materiaal terug te scheuren, kunnen we nagaan hoe effectief onze lijm is.. Dit werd in dit onderzoek gedaan voor twee plasticsoorten: met de beste lijm verkregen we voor beide plasticsoorten een efficiëntie tussen 80 en 120 %, m.a.w. het materiaal is dus bijna zo sterk of zelfs sterker als voor de beschadiging.

We kunnen dus besluiten dan een alternatieve chemie is ontwikkeld die kan gebruikt worden in microcapsules voor zelfherstellende (polymeer)materialen. De ontwikkelde lijm biedt een verbetering ten opzicht van de bestaande lijmen, zeker doordat een betere ‘kleefkracht’ met het origineel materiaal kan bekomen worden. Verder onderzoek op zelfhelende polymeermaterialen, momenteel aan de gang in onze onderzoeksgroep zal moeten uitwijzen of de gevonden lijm ook werkelijk in microcapsules kan geplaatst worden om zo te leiden tot reële, zelfherstellende plastics.