Natspinnen: hoe een vloeibare grondstof supersterke vezels wordt
Stel je een keukenapparaat voor dat deeg door een zeef met piepkleine gaatjes perst, waarna er dunne, lange sliertjes spaghetti uitkomen die meteen in koud water vallen om hun vorm te behouden. Natspinnen werkt in de basis hetzelfde, alleen is het 'deeg' een vloeibare oplossing van een polymeer (een lange keten van moleculen) en is het 'koude water' een chemisch bad waarin de sliert verandert van vloeistof in een vaste, draadvormige vezel. Het resultaat is textielgaren, maar ook hightech materiaal zoals kogelwerend vezelweefsel, kunstmatig spinrag of ultrasterke koolstofvezel.
De techniek zelf is niet nieuw: fabrikanten gebruiken natspinnen al meer dan een eeuw om bijvoorbeeld viscose (kunstzijde) te maken. Wat het onderwerp actueel maakt voor toekomsttechnologie, is de nieuwe generatie materialen die nu via dit proces wordt ontwikkeld: biologisch afbreekbare vezels als alternatief voor plastic, kunstmatig spinnenzijde dat sterker is dan staal per gewicht, en geleidende vezels van koolstofnanobuisjes die ooit koperdraad zouden kunnen vervangen.
Wat is het precies?
Natspinnen begint met het oplossen van een polymeer in een oplosmiddel, zodat er een stroperige, honingachtige vloeistof ontstaat, de zogeheten spinvloeistof. Dit polymeer kan van alles zijn: cellulose uit hout, een synthetisch polymeer zoals polyacrylonitril, of tegenwoordig ook een eiwit dat lijkt op het eiwit waarmee spinnen hun draad maken.
Deze spinvloeistof wordt onder druk door een spindop geperst, een metalen plaatje met soms wel honderden microscopisch kleine gaatjes. Elk gaatje produceert één dunne straal vloeistof. Het cruciale verschil met bijvoorbeeld pastadeeg is wat er daarna gebeurt: de straaltjes komen niet in de lucht terecht, maar direct in een stolbad, een bad met een andere vloeistof die het oplosmiddel aan de straal onttrekt of ermee reageert. Daardoor stolt het polymeer bijna onmiddellijk tot een vaste draad.
Na het stolbad wordt de vezel meestal nog gerekt (waardoor de polymeerketens zich uitlijnen en de vezel sterker wordt), gewassen om restanten oplosmiddel te verwijderen, en gedroogd of opgewonden op een klos. Dit hele proces onderscheidt natspinnen van twee verwante technieken: smeltspinnen, waarbij het polymeer eerst wordt gesmolten in plaats van opgelost (gebruikt voor bijvoorbeeld polyester), en droogspinnen, waarbij het oplosmiddel simpelweg verdampt in warme lucht in plaats van in een bad te worden opgevangen. Sommige geavanceerde vezels, zoals het aramide Kevlar, gebruiken een tussenvorm die droogjet-natspinnen heet: de straal gaat eerst kort door lucht en dan pas het stolbad in, wat een betere uitlijning van de moleculen geeft.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter modern onderzoek naar natspinnen is het combineren van hoge sterkte met laag gewicht. Vliegtuigbouwers, de auto-industrie en de bouwsector zoeken voortdurend naar materialen die minder wegen dan staal of aluminium, maar minstens zo sterk zijn: minder gewicht betekent minder brandstofverbruik en minder CO2-uitstoot.
Een tweede doel is verduurzaming van textiel. De meeste synthetische kleding wordt gemaakt van polyester of nylon, afkomstig uit aardolie, en smeltspinnen kost relatief veel energie omdat het polymeer tot honderden graden verhit moet worden. Natspinnen bij kamertemperatuur, met vernieuwbare grondstoffen zoals houtcellulose of gefermenteerde eiwitten, belooft een kleinere ecologische voetafdruk, mits het oplosmiddel op een verantwoorde manier wordt teruggewonnen en hergebruikt.
Een derde, meer futuristische ambitie is het namaken van natuurlijke wondermaterialen. Spinnendraad is, gewicht voor gewicht, sterker dan staal en elastischer dan de meeste kunstvezels, maar spinnen op grote schaal houden en melken is onbegonnen werk. Door het eiwit waaruit spinrag bestaat na te bouwen met gefermenteerde micro-organismen en het vervolgens nat te spinnen, hopen onderzoekers de eigenschappen van spinrag te evenaren zonder een spin te hoeven gebruiken.
Voorbeelden uit de praktijk
Kevlar (DuPont, sinds 1971): de Amerikaanse chemica Stephanie Kwolek ontdekte in 1965 een vloeibaar-kristallijne polymeeroplossing die via droogjet-natspinnen tot het beroemde kogelwerende aramidevezel Kevlar kon worden versponnen. Het is een van de oudste en bekendste voorbeelden van hightech natspinnen.
Lyocell/Tencel (Lenzing AG, Oostenrijk, sinds de jaren negentig): dit is een cellulosevezel gemaakt van houtpulp, opgelost in het relatief milde oplosmiddel NMMO en nat versponnen in een gesloten kringloop waarin meer dan 99 procent van het oplosmiddel wordt teruggewonnen. Het wordt gepromoot als duurzamer alternatief voor katoen en viscose.
Microsilk (Bolt Threads, Verenigde Staten, sinds 2009): dit bedrijf laat gist fermenteren tot een eiwit dat lijkt op spinnenzijde-eiwit, en verwerkt dit vervolgens tot vezel. In 2017 bracht modehuis Stella McCartney er een eerste jurk mee uit als demonstratieproject.
Biosteel (AMSilk, Duitsland, opgericht 2008): ook dit Duitse bedrijf produceert spinrag-achtig eiwit via fermentatie. In 2016 toonde Adidas een schoenprototype, de Biosteel Sneaker, gemaakt met dit materiaal.
Koolstofnanobuisjesvezels (Rice University, Verenigde Staten, onderzoek sinds begin jaren 2010): de onderzoeksgroep van chemicus Matteo Pasquali publiceerde in 2013 in het tijdschrift Science over het natspinnen van koolstofnanobuisjes tot vezels die elektriciteit geleiden en tegelijk sterker zijn dan koolstofvezel, met als einddoel lichtgewicht elektrische bekabeling voor bijvoorbeeld vliegtuigen.
Hoe ver is de techniek?
Voor klassieke toepassingen is natspinnen allang geen toekomsttechnologie meer: viscose, acrylvezel en aramiden als Kevlar worden al decennialang op industriële schaal geproduceerd, met jaarlijkse volumes in de miljoenen tonnen. Lyocell heeft inmiddels ook een stevige, groeiende marktpositie in de kledingindustrie.
De nieuwere toepassingen staan minder ver. Kunstmatig spinrag van bedrijven als Bolt Threads en AMSilk zit vooral in de fase van kleine, dure oplages en showcase-producten; opschalen naar betaalbare massaproductie blijkt lastig, onder meer omdat het fermenteren van grote hoeveelheden eiwit en het daarna consistent natspinnen ervan technisch veeleisend is. Bolt Threads richtte zich de afgelopen jaren dan ook meer op een verwant materiaal, Mylo, gemaakt van schimmeldraad in plaats van spinrag-eiwit.
Koolstofnanobuisjesvezels bereiken in het laboratorium indrukwekkende waarden voor sterkte en geleidbaarheid, maar de productiekosten liggen nog ruim boven die van koperdraad of koolstofvezel, en het opschalen naar kilometers lange, gelijkmatige vezel is nog een onderzoeksuitdaging. Het belangrijkste obstakel bij vrijwel alle nieuwe natspintoepassingen is dus niet de chemie zelf, die is grotendeels bekend, maar het betaalbaar en betrouwbaar opschalen van laboratoriumproces naar fabrieksproductie, plus het verantwoord terugwinnen van de gebruikte oplosmiddelen.
Wie werken eraan?
Op het gebied van duurzame cellulosevezels is het Oostenrijkse Lenzing AG wereldwijd toonaangevend met zijn Lyocell/Tencel-technologie. In Japan werkt Spiber al sinds 2007 aan gefermenteerd eiwitvezel onder de naam Brewed Protein, met eerdere samenwerkingen met kledingmerken als The North Face. In de Verenigde Staten en Duitsland richten Bolt Threads en AMSilk zich op vergelijkbare spinrag-geïnspireerde materialen. Op het gebied van geavanceerde aramiden blijft het Amerikaanse DuPont, de bedenker van Kevlar, een belangrijke speler.
Fundamenteel onderzoek naar nieuwe spinvloeistoffen en spintechnieken, zoals de koolstofnanobuisjesvezels, gebeurt vooral aan universiteiten, met de groep van Matteo Pasquali aan Rice University in de Verenigde Staten als een van de bekendste voorbeelden. Daarnaast investeren landen als China fors in onderzoek naar geavanceerde vezeltechnologie, mede omdat vezelmaterialen een sleutelrol spelen in zowel de textiel- als de defensie- en luchtvaartindustrie.