Epoxide: de chemie achter sterke lijmen, composieten en windmolenbladen
Epoxide is geen apparaat en geen app, maar een stukje scheikunde dat overal om ons heen verstopt zit: in de lijm die twee stukken metaal onverwoestbaar aan elkaar plakt, in de romp van een modern vliegtuig en in het blad van een windturbine. Een epoxide is een heel klein, ringvormig molecuul dat van nature "gespannen" is, een beetje zoals een opgewonden veer. Die spanning maakt het molecuul erg reactief: het wil die ring openbreken en nieuwe, stevige verbindingen aangaan met andere stoffen.
Die eigenschap maakt epoxiden ideaal als bouwsteen voor zogeheten epoxyharsen, de bekende tweecomponentenlijm uit de doe-het-zelfwinkel. Je mengt een hars met een harder, de epoxidegroepen reageren, en binnen een paar uur heb je geen vloeistof meer maar een glashard, chemisch resistent materiaal. Dat simpele principe, van vloeibaar naar keihard door een scheikundige reactie, vormt ook de basis van veel geavanceerde technologie: van printplaten in je telefoon tot composietmateriaal in vliegtuigen en windturbines.
Wat is het precies?
Een epoxide, in de vaktaal ook wel oxiraan genoemd, is een ring van drie atomen: twee koolstofatomen en één zuurstofatoom. Een normale koolstofbinding heeft een hoek van ongeveer 109 graden, maar in deze driehoekige ring worden de atomen gedwongen in een hoek van ongeveer 60 graden. Dat is onnatuurlijk krap, en die "ringspanning" is precies de reden waarom epoxiden zo reactief zijn: het molecuul wil die krappe ring het liefst openen om weer een natuurlijkere vorm aan te nemen.
Epoxyhars bestaat uit grotere moleculen met aan de uiteinden zo'n epoxidegroep, vaak gebaseerd op de grondstof bisfenol-A. Op zichzelf hardt deze hars niet uit; daarvoor is een tweede stof nodig, de harder of crosslinker. Dat is meestal een stof met aminegroepen (stikstofverbindingen) of met een zogeheten anhydride. Zodra hars en harder gemengd worden, "bijt" de amine in de gespannen epoxidering, die ring gaat open en er ontstaat een nieuwe, stevige binding. Dit proces herhaalt zich duizenden keren per molecuul, waardoor een driedimensionaal netwerk van verknoopte ketens ontstaat.
Het resultaat heet in de scheikunde een thermoharder: eenmaal uitgehard, kun je het materiaal niet meer smelten of opnieuw vormen, in tegenstelling tot plastic zoals PET dat wel telkens opnieuw gesmolten kan worden. De reactie is exotherm, ze geeft warmte af, en daarom heeft epoxylijm maar een beperkte "werktijd" voordat het mengsel te heet en te stroperig wordt om nog te verwerken. Een bijkomend voordeel is dat epoxidegroepen ook goed hechten aan hydroxylgroepen (OH-groepen) op oppervlakken zoals metaal, glas en hout, wat verklaart waarom epoxylijm zo ongeveer alles aan elkaar plakt.
Wat wil men ermee bereiken?
De aantrekkingskracht van epoxy zit in een combinatie van eigenschappen die je zelden allemaal tegelijk in één materiaal vindt: het is licht, mechanisch sterk, bestand tegen chemicaliën en vocht, en hecht uitstekend aan andere materialen. Die combinatie maakt epoxy de voorkeurskeuze als "matrix", het bindmiddel, in vezelversterkte composietmaterialen. Glasvezel of koolstofvezel geeft de sterkte, epoxy houdt de vezels op hun plek en beschermt ze.
Voor de industrie is het doel vaak simpel: metaal vervangen door iets dat even sterk maar veel lichter is. In de luchtvaart en windenergie betekent minder gewicht minder brandstofverbruik of meer opbrengst per turbine. In coatings gaat het vooral om corrosiebescherming: een epoxylaag op een pijpleiding, scheepsromp of brug houdt water en zuurstof buiten en voorkomt roest.
Een nieuwer doel, dat de afgelopen jaren steeds belangrijker is geworden, is duurzaamheid. Klassieke epoxy is gemaakt uit fossiele grondstoffen en kan na gebruik niet makkelijk gerecycled worden, omdat de verknoopte structuur onomkeerbaar is. Onderzoekers en bedrijven zoeken daarom naar grondstoffen uit plantaardige olie in plaats van aardolie, en naar chemische trucs waarmee uitgeharde epoxy later toch weer uit elkaar te halen is.
Voorbeelden uit de praktijk
Een paar concrete toepassingen laten zien hoe wijdverspreid deze chemie is:
- De Boeing 787 Dreamliner, die sinds 2011 in commerciële dienst is, bestaat voor ongeveer de helft van zijn gewicht uit met koolstofvezel versterkte epoxycomposiet, onder meer in de romp en vleugels, als vervanger van traditioneel aluminium.
- De Airbus A350 XWB, operationeel sinds 2015, gebruikt op vergelijkbare wijze koolstofvezel-epoxycomposieten voor grote delen van de romp en vleugelstructuur.
- Windturbinebladen van fabrikanten als Vestas, Siemens Gamesa en LM Wind Power (onderdeel van GE Renewable Energy) zijn doorgaans opgebouwd uit glasvezel of koolstofvezel in een epoxy- of vinylesterhars, met bladen die inmiddels ruim meer dan honderd meter lang kunnen zijn.
- Vrijwel elke printplaat (PCB) in computers en telefoons is gemaakt van FR-4, een laminaat van epoxyhars met geweven glasvezel, al decennialang de industriestandaard in de elektronica.
- Bedrijven zoals het Franse Sicomin (met de Greenpoxy-lijn) en het Amerikaanse Entropy Resins (Super Sap) brengen epoxyharsen op de markt waarvan een deel van de grondstoffen plantaardig is, gebruikt in onder meer surfplanken, fietsframes en kleine bootrompen.
Hoe ver is de techniek?
De kernchemie van epoxiden en epoxyharsen is volwassen technologie: ze wordt al sinds het midden van de twintigste eeuw op industriële schaal toegepast en is inmiddels overal te vinden, van de bouwmarkt tot de ruimtevaart. Op dat vlak is er weinig onzekerheid; dit is bewezen, betrouwbare chemie.
De grootste uitdaging van dit moment is niet het maken van epoxy, maar het opruimen ervan. Omdat het verknoopte netwerk permanent is, kan uitgeharde epoxycomposiet niet simpelweg omgesmolten en hergebruikt worden zoals gewoon plastic. Dit wordt een steeds urgenter probleem nu de eerste generaties windturbines, met bladen vol epoxycomposiet, het einde van hun levensduur naderen en als afval verwerkt moeten worden.
Op onderzoeksniveau lopen twee interessante sporen. Het eerste zijn zogeheten vitrimeren: epoxynetwerken met bindingen die bij verhitting tijdelijk kunnen "loslaten" en weer vastklikken, waardoor het materiaal in principe toch herverwerkbaar wordt. Dit onderzoek loopt sinds het begin van de jaren 2010 in diverse academische labs, maar grootschalige industriële toepassing is er nog niet. Het tweede spoor is zelfherstellende epoxy, waarbij microscopische capsules met vloeibare hars in het materiaal verwerkt zitten en bij een scheurtje openbreken om het defect te dichten; dit idee stamt van onderzoek aan onder meer de University of Illinois uit het begin van de jaren 2000 en bevindt zich nog grotendeels in de proeffase.
Bio-based epoxy wint terrein, maar het is eerlijk om te zeggen dat de huidige producten meestal slechts deels uit plantaardige grondstoffen bestaan; een volledig fossielvrije, grootschalig geproduceerde epoxyhars bestaat op dit moment nog niet.
Wie werken eraan?
Aan de grondstoffenkant zijn de belangrijkste producenten van epoxyhars grote chemieconcerns zoals Dow, Olin Corporation (dat de epoxytak van Momentive overnam), Hexion/Westlake Epoxy, Huntsman, BASF en Covestro. Deze bedrijven leveren de basisharsen en harders die elders tot eindproduct verwerkt worden.
Aan de toepassingskant zijn het vooral de grote gebruikers die meefinancieren aan materiaalontwikkeling: vliegtuigbouwers als Boeing en Airbus, en windenergiebedrijven als Vestas, Siemens Gamesa en GE Renewable Energy (met dochterbedrijf LM Wind Power, een van de grootste producenten van windturbinebladen).
Op onderzoeksgebied spelen onder meer de TU Delft (compositematerialen en lucht- en ruimtevaarttechniek), diverse Fraunhofer-instituten in Duitsland, DTU Wind Energy in Denemarken en NREL in de Verenigde Staten een rol, vooral op het gebied van duurzaamheid en recycling van composietmaterialen. Onderzoek naar vitrimeren en zelfherstellende epoxy is verder verspreid over tientallen universitaire laboratoria wereldwijd, zonder dat één instituut of bedrijf hierin duidelijk de leiding heeft.