Nog is alles niet van plastic

Onlangs begon Shell met de produktie van Carilon, een nieuwe kunststof bedoeld voor technische toepassingen. Er bestaan al honderden plastics. Voor speciale toepassingen wordt tegenwoordig eerder een bestaande plastic aangepast.

Het houten tennisracket heeft inmiddels een plaatsje gekregen in het museum, waar het terecht is gekomen naast de houten ski. Er is al ruimte overgelaten voor het houten kozijn en alleen een recente oprisping van nostalgie heeft de houten tuinstoel weer teruggebracht bij Blokker. Wat begon met hout, zet zich door bij andere materialen, zoals glas, staal en beton. Technische kunststoffen zijn interessante materialen om auto's en huizen van te bouwen.

Om te beginnen moet er een hardnekkig misverstand uit de weg worden geruimd. Het idee namelijk dat het bij technische kunststoffen gaat om nieuwe materialen. De 'engineering plastics' zijn voor het overgrote deel gebaseerd op kunststoffen die in de jaren veertig en vijftig zijn ontdekt. Perspex of plexiglas respectievelijk de Engelse en de Duitse handelsnaam voor PMMA (polymethylmetacrylaat) is halverwege de jaren twintig ontdekt. Polyamide (nylon) dateert uit de jaren dertig en polycarbonaat is voor het eerst ontwikkeld in 1958.

Sommige kunststoffen worden al heel lang als technische kunststof toegepast. Zo was de koepel voor de bommenrichter van de Amerikaanse B25 bommenwerper in de Tweede Wereldoorlog van Perspex. En de uit de jaren vijftig daterende lego-steentjes, constructiemateriaal bij uitstek, zijn gemaakt van een copolymeer van acrylonitril butadieen styreen, ABS.

Een tweede misverstand is dat technische kunststoffen een aparte klasse van materialen vormen. Weliswaar zijn er kunststoffen die alleen voor technische toepassingen worden gebruikt, maar ook de zogeheten 'bulk'-polymeren (PVC, polyetheen, polypropeen en polystyreen) worden vaak in technische toepassingen gebruikt. Soms onbedoeld, overigens. Wat te denken bijvoorbeeld van een bierkratje, gemaakt van polyetheen. Aan sterkte en stijfheid van de constructie worden hoge eisen gesteld, zeker als de kratjes, gevuld met bierflesjes, twintig hoog worden gestapeld.

Dat ook bulkpolymeren aan hoge mechanische eisen moeten voldoen, brengt prof.dr.ir. Leen Struik, directeur van DSM Research tot de stelling dat technische kunststoffen eigenlijk niet bestaan: 'Er bestaan alleen technische toepassingen van kunststof.'

Als voorbeeld noemt hij polyetheen. Struik: 'Daar maken we boterhamzakjes van, maar ook surfplanken. Op een speciale manier gesponnen (gel spinnen) maken we er de sterkste vezel ter wereld van. Zo sterk dat er zelfs kogelvrije vesten en pantserplaten van worden gemaakt. Verder wordt polyetheen ook gebruikt als coating, als rubber en als schuim.'

Recente ontwikkelingen in de industrie bevestigen het beeld dat je niet een bepaalde soort kunststoffen als 'technisch' kunt bestempelen. Steeds meer grote kunststofproducenten trekken zich terug op hun kernactiviteit, het produceren van 'bulkpolymeren'. Tegelijkertijd echter, zo zegt prof. Gerhard Wegner, directeur van het Max Planck Instituut voor Polymerenonderzoek in Mainz, zien we dat die gewone polymeren steeds vaker worden gebruikt als technische kunststoffen. Door toevoegen van bepaalde stoffen of door een speciale manier van verwerken, worden ze voorzien van eigenschappen, waarmee ze de speciale, vaak duurdere engineering plastics verdringen.

In weerwil van die internationale trend heeft Shell Chemie onlangs toch haar nieuwe (technische) kunststof gelanceerd: Carilon. Evenals veel andere kunststoffen is ook Carilon bij toeval ontdekt. In Nederland nog wel. Eind jaren zeventig, ten tijde van de tweede energiecrisis, zochten Eite Drent en zijn medewerkers van het Koninklijke Shell Laboratorium in Amsterdam (KSLA) naar mogelijkheden om synthesegas (een gas dat onder meer vrijkomt bij kolenvergassing en dat koolmonoxyde bevat) te gebruiken als grondstof voor chemische produkten. Meer in het bijzonder methylpropionaat, een oplosmiddel. Daarvoor gebruikten ze een katalysator-systeem bestaande uit palladium ingebouwd in een organisch molecuul, een ligand, en een sterk zuur. De katalysator werkte prima; uit etheen, koolmonoxyde en methanol ontstond zeer selectief methylpropionaat.

Door te sleutelen aan de katalysator hoopten Drent en zijn medewerkers een nog betere omzetting te krijgen. Een van die veranderingen had tot gevolg dat de reactie geen oplosmiddel opleverde maar een wit poeder. Bij nader onderzoek bleek dat men een polymeer had gemaakt, bestaande uit afwisselend koolmonoxyde en etheen. Een polymeer dat al heel lang op het verlanglijstje stond vanwege zijn veronderstelde goede eigenschappen.

Volgens Dick Medema en Arend Noordam van het KSLA worden die veronderstelde eigenschappen meer dan bewaarheid. In het Chemisch Magazine (maart) beschrijven ze Carilon als een polymeer dat zowel hard als taai is. De stijfheid is vergelijkbaar met andere technische kunststoffen, terwijl de slagvastheid (zeg maar de weerstand tegen een met kracht gestoken schroevedraaier) hoog is in vergelijking met andere semikristallijne kunststoffen. Verder kan Carilon een redelijke hoeveelheid energie opslaan ook bij langdurig gebruik. Dat maakt het geschikt voor gebruik onder wisselende belastingen, zoals bijvoorbeeld buigen. Dit jaar is Shell begonnen met de bouw van een fabriek in het Britse Carrington, die vanaf 1996 zo'n 20.000 ton Carilon per jaar moet gaan leveren, onder meer aan de automobiel-industrie.

In die sector is Carilon zeker niet de eerste kunststof. Een beetje middenklasser bestaat al voor 10 tot 12% uit kunststof. Volgens optimisten loopt binnenkort het 'stalen tijdperk' in de automobiel-industrie op zijn einde. Dat dat einde nog niet is gekomen, is niet zozeer te wijten aan het ontbreken van andere materialen als wel aan het feit dat 'sortir de l'age de l'acier signifierait une rupte du schema industriel actuel', zoals de mensen van het Mosaic team van Renault het omschrijven. Ofwel, het afscheid betekent een te grote overgang voor de op staal gebaseerde auto-industrie.

Mosaic staat voor Materiaux Optimises pour la Structure d'une Automobile Innovant dans la Conception. In dit Eureka-project is gekeken naar prijs en prestatie van respectievelijk een Renault Clio in staal en een van aluminium en kunststof.

DSM ontwikkelde een front chassis voor de hybride Clio. 'Daarmee hebben we voor de eerste keer een structureel deel van de auto in kunststof gemaakt', zegt ir. Wim Adriaens, projectleider binnen DSM voor het Mosaic-project. 'Althans voor een auto die in principe in serie vervaardigd moet worden. Race-wagens zijn al een paar jaar voor een groot deel van kunststof.'

Voor race-auto's worden de structurele delen meestal gemaakt van met dure koolstofvezel versterkte al even dure kunststoffen, zoals PET(polyetheentereftalaat). Voor de Clio uit het Mosaic-project is gekozen voor glasvezelversterkte polyester, in principe hetzelfde materiaal als waar bootjes van worden gebouwd.

Hoewel het materiaal nog steeds vier keer zo duur is als staal, blijkt het chassis-gedeelte als geheel goedkoper. Adriaens: 'Het verschil zit hem in de assemblage. Als je zo'n frontchassis in staal uitvoert heb je het over zestig onderdelen die aan elkaar moeten worden gelast of geschroefd. Bij kunststof gaat het om negen delen die grotendeels worden verlijmd.'

Constructief zijn de verschillen met staal nagenoeg nihil. Een structuur van glasvezelversterkte kunststoffen is even stijf als van staal. Ook als de Clio langdurig met een voorwiel op het trottoir wordt geparkeerd, verbuigt het front chassis niet. Opvallend is dat de opname van energie zelfs beter is dan die van staal. Per kilo kan kunststof drie tot vier keer meer energie opnemen dan staal. Dat maakt dat de auto een grotere botsingsveiligheid heeft.

Het verschil zit hem volgens Adriaens in het feit dat staal bij een botsing verfrommeld wordt. Als de snelheid van de botsing maar groot genoeg is, is het chassis op een gegeven moment een massief blok ijzer geworden. Bij kunststof wordt de energie door het materiaal zelf opgenomen. De combinatie van hars en glasvezel brokkelt geleidelijk af.

Het grote voordeel van kunststof in auto's is de gewichtsbesparing en daarmee de besparing op brandstof. Elke honderd kilo gewichtsbesparing levert een besparing van minstens 5% op op het benzine-verbruik. Omdat het gewicht van een auto voor een belangrijk deel in het chassis zit, levert vervanging van chassis-delen een grotere gewichtsbesparing op dan vervangen van carosserie-delen. De kunststof- en aluminiumconstructie bleek 20% tot 25% lichter te zijn dan de gewone Clio. Een variant in staal, geoptimaliseerd op brandstofverbruik, leverde 'slechts' een besparing op van 7%.

Hoewel de resultaten van het Mosaic-experiment gunstig uitvielen voor kunststof, gaat Renault (nog) geen kunststof Clio op de markt brengen. De reden is dat al eerder genoemde omwenteling die daarvoor nodig is in de infrastructuur van de automobiel-industrie. Toch ziet Adriaens wel kansen voor de kunststof automobiel. Hij denkt aan elektrische auto's van kunststof. 'Op dit moment komen elektrische auto's nauwelijks van de grond', meent hij. 'De actieradius is te klein en de accu neemt teveel plaats in. In kunststof wordt 'zo'n auto veel lichter. Dat betekent minder energie en een grotere actieradius. Bovendien geeft kunststof je de mogelijkheid om de vorm van auto aan te passen. Je zou bijvoorbeeld de accu's in de kokerbalk kunnen stoppen.'

Evenals in de automobiel-industrie moet in de bouw de echte doorbraak van kunststof nog komen. Weliswaar worden kunststoffen al tientallen jaren gebruikt in de bouw, maar meestal gaat het daarbij om toepassingen waaraan niet zeer hoge constructieve eisen worden gesteld, zoals plafond- en gevelplaten. Ook leidingmateriaal is tegenwoordig veelal van kunststof, evenals het bad en de toiletbril. Van recenter datum zijn de kunststof kozijnen en deuren.

General Electric Plastics, een volle dochter van het nog door Thomas Alva Edison opgerichte General Electric, wil nog een stapje verder gaan bij het constructief gebruik van kunststoffen. In de Verenigde Staten heeft men een huis gebouwd, dat nagenoeg geheel van kunststof is. Voor de Europese bouwmarkt zoeken we het echter, aldus Ingrid Smit, specialist bouwdelen, in integratie van kunststof met andere materialen.

Het vorig jaar gebouwde tentoonstellingscentrum van GE Plastics in Bergen op Zoom zelf laat zien dat kunststof meer mogelijkheden biedt dan het imiteren van dakpannen en bakstenen. De dragende constructie is van staal. De wanden bestaan uit dubbel glas aan de buitenkant en polycarbonaat aan de binnenkant. Daartussen bevindt zich een ruime spouw voor klimaatregeling. Voordeel van deze constructie is dat bij een explosie het glas wordt tegengehouden door de kunststof. Polycarbonaat heeft namelijk een enorme slagvastheid.

De combinatie biedt ook andere voordelen. Aan een zijde is de wand van de tentoonstellingsruimte melkachtig wit. Een druk op de knop maakt het glas weer helder. Hier bestaat de wand uit een laminaat van glas en polycarbonaat met daartussen een laag vloeibare kristallen, die ook worden gebruikt voor digitale horloges en computerbeeldschermen. Een klein elektrisch stroompje is voldoende om het glas transparant te maken.

Bijzonder is ook de 'energiemuur', een kunststof variant op de Thrombe-muur. De muur zelf is gebleven, maar in plaats van een glazen wand en zwarte verf, is deze voorzien van dicht opeengepakte 'rietjes' van kunststof. Aan de buitenzijde afgedicht met kleine glaskorreltjes. Als de zon op de wand schijnt, blijft de warmtestraling achter het glas gevangen en wordt via de 'rietjes geabsorbeerd door de muur, die deze later weer afgeeft in het gebouw. De warmte blijft gevangen omdat kunststof een slechte warmtegeleider is.

Uit het voorgaande blijkt dat kunststof niet zonder meer staal, beton en baksteen zal vervangen. Niet alleen is kunststof per kilogram duurder, ook de mechanische eigenschappen van het materiaal verschillen. Zo is de stijfheid van staal met 200 Gigapascal een factor 50 groter dan die van de meest stijve (niet versterkte) kunststof. De sterkte van staal is een factor vier hoger dan die van kunststof.

'Je moet dus anders leren construeren in kunststof', zegt Leen Struik van DSM. 'De extra materiaalkosten moet je zien te compenseren door slimmere assemblage, zoals bij het front chassis van de Clio. Daarnaast moet je gebruik zien te maken van de grotere vormvrijheid die kunststof biedt. Met kunststof kun je de eigenschappen aanpassen aan de uiteindelijke constructie. Bij traditionele materialen is dat veel minder het geval.'

Echter, zelfs al zou er geen prijsverschil zijn tussen staal en kunststof, dan nog is het volgens Struik een illusie, dat je alle materiaal door kunststof kunt vervangen. Afgezien van het feit dat heel weinig kunststoffen bestand zijn tegen temperaturen van meer dan 300 graden celsius, is er ook zoiets als gevoel van het materiaal. Struik: 'Bier drink je ten slotte het lekkerst uit een glas.'