Glasvezelcomposiet: het lichte, sterke materiaal achter windmolens, bruggen en boten
Glasvezelcomposiet is een materiaal dat bestaat uit twee onderdelen die samen sterker zijn dan los. Het eerste onderdeel zijn dunne, flexibele draadjes van glas — glasvezels — die zelf al opvallend sterk zijn, maar op zichzelf net zo buigzaam als garen. Het tweede onderdeel is kunststof, meestal een soort hars die als vloeistof wordt aangebracht en daarna uithardt tot een vast omhulsel. Samen vormen ze een materiaal dat licht is, niet roest, en toch bestand tegen grote krachten.
Een bekend voorbeeld helpt om het te begrijpen: een kajak of surfplank. Die voelt licht aan, buigt een beetje mee, maar breekt niet snel. Dat komt doordat er in de kunststof een weefsel van glasvezels verwerkt zit, ongeveer zoals wapeningsstaal in beton zorgt dat een betonnen balk niet zomaar doorbuigt of scheurt. Alleen is glasvezelcomposiet veel lichter dan gewapend beton en roest het niet — een eigenschap die het bijzonder geschikt maakt voor bruggen, windturbinebladen en boten.
Wat is het precies?
De basis van glasvezelcomposiet is gesmolten glas dat tot extreem dunne draden wordt uitgetrokken, dunner dan een mensenhaar. Eén enkele glasvezel is bros en breekt snel, maar gebundeld tot duizenden draden in een weefsel of mat ontstaat een sterk, buigzaam textiel. Dit textiel wordt de versterking genoemd: het onderdeel dat de trekkracht opvangt.
Die glasvezelmat wordt vervolgens gedrenkt in een vloeibare kunsthars, meestal epoxy, polyester of vinylester. Deze hars is de matrix: de kunststof die de vezels op hun plaats houdt, drukkrachten opvangt en het geheel zijn vorm geeft. Zodra de hars uithardt — vaak met warmte of een chemische reactie — ontstaat een stijf, duurzaam onderdeel. Het resultaat combineert de treksterkte van glas met de vormvrijheid en lichtheid van kunststof.
Fabrikanten kunnen sturen hoe sterk en in welke richting een onderdeel belast mag worden, door de oriëntatie en dikte van de glasvezellagen aan te passen. Een windturbineblad heeft bijvoorbeeld andere belastingen dan een bootromp, en de opbouw van de vezellagen wordt daar specifiek op afgestemd. Dat maakt composiet fundamenteel anders dan een homogeen materiaal zoals staal: de sterkte zit in de architectuur van de lagen, niet alleen in het materiaal zelf.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter glasvezelcomposiet is gewichtsbesparing zonder aan sterkte in te boeten. Lichtere onderdelen betekenen minder energieverbruik in transport en beweging, minder materiaalgebruik voor dezelfde sterkte, en vaak lagere fundering- of constructiekosten bij bouwwerken.
Daarnaast is corrosiebestendigheid een grote drijfveer. In tegenstelling tot staal roest glasvezelcomposiet niet, wat het aantrekkelijk maakt voor bruggen, kademuren, sluisdeuren en andere constructies die permanent aan water, zout of vocht blootstaan. Onderhoud aan zulke constructies kan daardoor drastisch afnemen.
Ten slotte biedt het materiaal vormvrijheid: het kan in bijna elke vorm worden gegoten of gelegd, wat ontwerpers vrijheid geeft die met staal of hout lastiger te bereiken is. Voor windturbinebladen van tientallen meters lang is die combinatie van lichtheid, sterkte en vormvrijheid vrijwel onmisbaar.
Voorbeelden uit de praktijk
Windturbinebladen zijn wereldwijd de grootste toepassing van glasvezelcomposiet. Fabrikanten als Vestas, Siemens Gamesa en LM Wind Power (onderdeel van GE) bouwen bladen van soms meer dan 80 meter lang, waarbij glasvezel — en bij de allergrootste, duurste bladen soms deels koolstofvezel — de ruggengraat vormt.
In Nederland bouwt het Rotterdamse bedrijf FiberCore Europe al ruim twintig jaar bruggen en sluisdeuren van glasvezelcomposiet, onder de merknaam InfraCore. Deze constructies zijn vooral aantrekkelijk voor waterschappen en gemeenten omdat ze niet roesten en veel lichter zijn dan stalen of betonnen varianten, wat oude funderingen kan ontzien.
In de jachtbouw is glasvezelcomposiet al sinds de jaren vijftig en zestig de standaard voor scheepsrompen, en Nederland heeft hierin een sterke exportpositie met bedrijven die zowel kleine zeilboten als luxejachten bouwen.
In de lucht- en ruimtevaart worden neuskegels van vliegtuigen (radomes, de behuizing rond de radarantenne) vrijwel altijd van glasvezelcomposiet gemaakt. Dat is geen toeval: glasvezel laat radarsignalen door, terwijl koolstofvezel elektrisch geleidend is en signalen zou blokkeren.
Ook in de bouw wint glasvezelcomposiet terrein als wapeningsmateriaal in beton, als alternatief voor stalen wapeningsstaven, met name in kademuren, parkeergarages en kustconstructies waar corrosie van staal een chronisch probleem is.
Hoe ver is de techniek?
Glasvezelcomposiet zelf is geen nieuwe technologie: het wordt al sinds de jaren veertig en vijftig van de vorige eeuw industrieel toegepast, eerst in de scheepsbouw en later breder. In die zin is het een volwassen, bewezen materiaal, geen doorbraaktechnologie.
Waar op dit moment wel volop ontwikkeld wordt, is de recyclebaarheid van het materiaal. De gangbare hars is een thermoharder: een kunststof die na uitharding niet meer kan smelten of opnieuw gevormd worden, wat hergebruik lastig maakt. Bij windturbinebladen die na twintig tot vijfentwintig jaar worden afgedankt, is dit inmiddels een serieus afvalprobleem geworden, en fabrikanten en onderzoeksinstellingen werken aan oplossingen.
Zo werkt Vestas aan een chemisch recyclingproces dat epoxyhars met een mild zuur afbreekt zodat glasvezels en hars gescheiden en hergebruikt kunnen worden, ontwikkeld met partners waaronder de Deense Aarhus Universiteit. In Frankrijk bouwde een consortium rond onderzoeksinstituut IRT Jules Verne, samen met onder meer Arkema, Engie en LM Wind Power, in het ZEBRA-project een prototype windturbineblad van een thermoplastische hars, die in tegenstelling tot thermoharders wél opnieuw gesmolten en hergebruikt kan worden. Dit soort technieken bevindt zich nog in de proef- en opschalingsfase; grootschalige, kosteneffectieve recycling van composiet is nog geen gangbare praktijk.
Een ander obstakel is de energie-intensieve productie van glasvezel zelf, die bij hoge temperaturen wordt gesmolten, en de moeite die het kost om exact te voorspellen hoe composietconstructies op lange termijn vermoeien en verouderen, iets wat bij metalen materialen na decennia ervaring veel beter in kaart is gebracht.
Wie werken eraan?
In de windenergiesector zijn Vestas (Denemarken), Siemens Gamesa (Spanje/Duitsland) en LM Wind Power, dat onderdeel is van het Amerikaanse GE, de grootste producenten van composieten windturbinebladen en tevens drijvende krachten achter recyclingonderzoek.
In Nederland doet TU Delft, met name de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, al decennia onderzoek naar composietconstructies, onder meer naar vermoeiing en levensduurvoorspelling. Ook het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) test en ontwikkelt composietmaterialen voor de luchtvaart.
Voor infrastructuurtoepassingen is FiberCore Europe in Nederland een belangrijke speler, terwijl internationaal onderzoeksinstituten als het Franse IRT Jules Verne en chemieconcerns als Arkema en Owens Corning werken aan nieuwe harssystemen die beter te recyclen zijn. Brancheorganisaties zoals JEC Group in Frankrijk brengen de wereldwijde composietindustrie samen via congressen en publicaties.