Download het artikel in 
ENGINEERINGNET - Dat zegt Prof. Sybrand van der Zwaag, die aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van TU Delft aan nieuwe materialen werkt. «De onderhandelingen lopen nog.» Op de Waalse Métamorphoses-vakbeurs gaf hij een opgemerkt overzicht van de ontwikkelingen in zelfherstellende materialen.
«Voorkomen is beter dan genezen maar ... schade is onvermijdelijk en dan kan je dat maar beter meenemen in je design», poneerde van der Zwaag op Métamorphoses. De professor pleit voor een paradigma shift van schadevoorkoming naar schadebeheer. Niet evident, maar «ook de natuur gaat er blijkbaar van uit dat genezen zekerder is dan voorkomen. Als een mens gewond geraakt, werkt het lichaam via zeven verschillende processen aan de zelfgenezing.»
Hoe ontwerpen voor zelfherstel?
«Je hebt mobiliteit nodig. Tijdelijk én plaatselijk moeten ionen vloeien!» Hij verwees naar het werk van de Amerikaanse Scott White die - zeer recent nog, in 2001- vloeibare lijm en een katalysator encapsuleerde in een epoxy.
Het concept: bij het optreden van scheuren in het materiaal zouden noodzakelijkerwijs ook de capsules met lijm en katalysator gebroken worden, beide producten zouden elkaar ontmoeten en de scheur 'dichtlijmen'. Deze benadering kan succesvol zijn bij vermoeidheidsscheuren, bijvoorbeeld. Mits voldoende tijd kan een traagzame breuk op die manier herstellen, zelfs meerdere keren na elkaar.
Zelfherstellende polymeren
Polymeren hebben een eigen 'glas transitie temperatuur'. Gebruikmakend van de Diels-Alder reactie is het mogelijk om met weinig energie op moleculair niveau een diversiteit van 'ringsystemen' te bereiden met polymeren. Door de temperatuur iets te verhogen kan je die reactie omkeren (een retro Diels-Alder reactie) en de oorspronkelijke reactanten bekomen.
Bij het afkoelen gaan die opnieuw met elkaar reageren om bindende ringsystemen vormen. «De zwakkere, secundaire bindingen tussen de moleculen breken maar niet de moleculen zelf.» van der Zwaag vergelijkt het proces met klittenband of velcro. Sommige wagens hebben vandaag al krasherstellende coatings.
Even opwarmen en de kras dicht zich. Daarbij is het niet de polymeerbekleding die smelt. Wel gaan de moleculen die uit elkaar gekrast werden, elkaar weer opzoeken.
Zelfherstellende metalen en keramieken
Is men al een heel eind gevorderd met zelfherstellende polymeren, zelfherstellende metalen staan nog in de kinderschoenen, geeft de professor toe. Wel is het zo dat sommige metalen zelfhelende eigenschappen vertonen. Wanneer bijvoorbeeld aluminium oxideert, wordt een zelfherstellende buitenlaag gevormd die corrosiebescherming biedt.
Om nanodefecten in aluminium op te vullen wordt onderzocht of, door het toevoegen van elementen als koper, zink, magnesium of zilver in het metaalrooster van het aluminium, een 'instabiel' materiaal kan opgebouwd worden dat gaat reageren op prikkels of druk. De idee is dat deze vreemde atomen naar nanoscopische scheurtjes zouden migreren en die dichten.
«Als je dat kunt realiseren dan zou je de prijs van een vliegtuig als de A380, dat veel aluminium gebruikt in zijn structuurelementen, met zo’n 30% kunnen verminderen. Dan wordt koolstofvezel in verhouding weer een duur materiaal.»
Keramische hittebeschermende bekleding op turbinebladen van vliegtuigmotoren en in de energiesector, delamineert en scheurt mettertijd. Het draagmateriaal en de bekleding zetten immers anders uit bij hitte - meer dan 1.200°C - en onder hoge druk waardoor de coating gaat afbladderen.
Oplossing: aan de coating MoSi2-gebaseerde (molybdeen disilicide) partikels toevoegen. Bij scheurtjes vloeit er zuurstof doorheen de MoSi2 en wordt er SiO2 gevormd - wat de scheurtjes herstelt - en vluchtig MoO3. van der Zwaag wees gelijkaardige eigenschappen van ZrSiO4 dat een turbineblad tot wel 7 keer toe automatisch blijkt te kunnen herstellen.
Zelfherstellend asfalt
Wat hem bij zelfherstellend asfalt en tenslotte ook beton brengt. De structuur van het in Nederland veelgebruikte Zeer Open AsfaltBeton (ZOAB), dat regenwater maar ook geluid goed absorbeert, wordt bij vorst echter uit elkaar gedrukt. «In Nederland moeten autowegen om de 7 à 12 jaar vernieuwd worden.»
Herstellen van die weg zorgt voor verkeersellende. Maar voeg je metalen vezels aan dat asfalt toe, dan kan je de baan herstellen door er eenvoudig met een wagen met inductiespoel over te rijden. De metalen vezels zullen inductief geladen worden en opwarmen. Door die hitte zal de bitumen er omheen vloeibaar worden en scheuren dichten. In 2010 werd een proefstrook van 300 meter zelfherstellend asfalt gelegd in de buurt van Vlissingen.
«Een jaarlijkse kostenbesparing van meer dan €50 miljoen is mogelijk als je de levensduur van de ZOAB-banen in Nederland met een kwart kunt verlengen en meer dan €100 miljoen als je die met de helft kunt verlengen.»
Daarin is tegelijk het fileleed ook becijferd. Zelfs als er hiervoor andere bitumen nodig is die twee keer zo duur zou zijn, dan nog wordt €90 miljoen bespaard. De bitumen moet al 13 keer duurder worden om niet voor deze (bijna) zelfherstellende oplossing te kiezen.
Zelfherstellende beton
Beton, tenslotte kan zelfherstellend gemaakt worden door in de mix van water en cement, die uithardt, genoeg niet-gereageerd cement mee te nemen. Komt er vocht door microscheurtjes naar binnen dan zal dat cement alsnog reageren en de scheurtjes herstellen.
Grotere scheuren vormen echter een probleem. Bewapening kan helpen. Bij gewapend beton moet de stalen versteviging echter voldoende diep steken, minstens 7 centimeter. Anders doet insijpelend vocht via haarscheurtjes het staal roesten en uitzetten wat nog meer en grotere problemen veroorzaakt.
Men kan polymere microvezels in het beton mengen waardoor scheurtjes beperkt blijven in grootte. Zo kan het beton zich alsnog herstellen. Maar dat is een vrij traag proces. Het kan echter versneld worden met 'sporenvormende bacteriën'. Ook die worden in het beton gemengd.
Deze bacteriën gaan zich onder kwade omstandigheden - droogte, hitte, kou - omvormen tot 'sporen'. Die kunnen zelfs eeuwenlang sluimeren... tot hun milieu 'gunstiger' wordt. Bijvoorbeeld bij vocht dat doorheen scheuren sijpelt... Dan worden de sporen weer wakkere bacteriën die gaan 'eten' en calciumcarbonaat uitscheiden. «Hun excrement is in feite een keramische lijm die de breuk dichtlijmt.»
(foto's: LDS, Collé Rental.)
door Luc De Smet, Engineeringent
