Biobased polyamide Caramide weerstaat hogere temperaturen dan fossiel

Hoe kunnen nieuwe biobased en biohybride materialen met verbeterde eigenschappen sneller worden ontwikkeld? Zes Fraunhofer-instituten onderzoeken deze vraag, waarbij ze een innovatieve biobased polyamide als model gebruiken. De eigenschappen maken het een veelbelovend alternatief voor fossiele kunststoffen.

In het vlaggenschipproject SUBI²MA werken de instituten aan de versnelling van de ontwikkeling van nieuwe materialen die niet alleen milieuvriendelijk, maar ook functioneel superieur zijn. Ze richten zich op drie hoofddoelen: verdere ontwikkeling van nieuwe biobased materialen, de ontwikkeling van nieuwe biohybride materialen en digitale fast-track ontwikkeling.

Biologische componenten met functionele voordelen

De tak biobased materialen van het project richt zich op caramide, een nieuwe en volledig biobased vorm van polyamide. Polyamiden zijn hoogwaardige thermoplasten en caramide tilt de hele klasse naar een hoger niveau, zo claimen de onderzoekers. Het is afgeleid van 3-careen, een terpeen dat in grote hoeveelheden wordt geproduceerd als bijproduct van de celluloseproductie. Terpenen zijn natuurlijke organische verbindingen die in veel plantendelen voorkomen, zoals bladeren, bloemen en wortels, en die tevens de belangrijkste bestanddelen zijn van harsen en etherische oliën.

Onderzoekers van de Straubing-vestiging van het Fraunhofer Instituut voor Interfaciale Engineering en Biotechnologie (IGB) gebruikten 3-careen om de monomeren 3S-caranlactam en 3R-caranlactam te ontwikkelen, evenals twee soorten caramide die daar zo’n tien jaar geleden van zijn afgeleid. “In het SUBI²MA-project heeft de gedeelde expertise van met name zes instituten ons nu in staat gesteld een nieuwe mindset te ontwikkelen, de caranlactamen op te schalen en de caramiden te optimaliseren om ons te richten op specifieke toepassingen”, aldus Paul Stockmann van Fraunhofer IGB.

Ongewone thermische eigenschappen

Met zijn chemische structuur heeft caramide ongewone thermische eigenschappen die het een kandidaat maken toepassingen als tandwielen in de machinebouw, veiligheidsglas, lichtgewicht bouwpanelen, schuimen, beschermend textiel en chirurgische hechtmaterialen.

Monofilamenten, schuimen en kunststofglas zijn al gemaakt van het nieuwe polyamide, dat niet alleen bestand is tegen hoge temperaturen, maar ook zeer aanpasbaar is: “Tijdens het project ontdekten we dat de twee caranlactams leiden tot verschillende caramiden met significante verschillen in eigenschappen”, aldus Stockmann. “De eerste, Caramid-S®, heeft een deels kristallijne structuur, waardoor het geschikt is voor vezels, terwijl de tweede, Caramid-R®, amorf is, wat betekent dat het een onregelmatige structuur heeft, waardoor het geschikt is voor schuim.”

Een ander kenmerk is de chiraliteit, een specifieke ruimtelijke eigenschap van moleculen waarin twee structurele varianten voorkomen die elkaars spiegelbeeld zijn, maar niet congruent. Dit kan de fysische, chemische of biologische functies van een materiaal beïnvloeden. In het geval van caramide maakt chiraliteit het mogelijk om de materiaaleigenschappen te verfijnen, bijvoorbeeld voor specifieke toepassingen in de medische technologie of sensoren. “Het integreren van biobased componenten in hoogwaardige polymeren levert een functioneel voordeel op. De caramiden zijn niet alleen biobased. Ze bieden zelfs betere prestaties dan materialen op fossiele basis”, zegt Stockmann.

Biohybride materialen

Het tweede hoofddoel van het project is de ontwikkeling van nieuwe biohybride materialen. De integratie van functionele biomoleculen brengt nieuwe toepassingen voor conventionele materialen. Er zijn veel verschillende toepassingsgebieden, van biobased vlamvertragers voor materialen tot additieven of enzymen die de afbraak van PET op basis van aardolie versnellen. Diagnostische hulpmiddelen zoals innovatieve biosensoren en vezelcomposieten waarin biomaterialen zijn verwerkt, behoren ook tot de toepassingsgebieden.

“Een belangrijke eigenschap die mogelijk wordt gemaakt door de integratie van specifieke eiwitten is waterafstotendheid. Deze eigenschap wordt bereikt door het oppervlak van een materiaal bewust te veranderen”, zegt Ruben Rosencrantz uit, onderzoeker aan het Institute for Applied Polymer Research (IAP). Dit soort materialen wordt bijvoorbeeld gebruikt in veiligheidskleding voor op de werkplek, outdoortextiel en medische toepassingen, waar ze op de lange termijn milieuschadelijke stoffen zoals PFAS zouden kunnen vervangen.

Digitale transformatie geeft materiaalontwikkeling een boost

De onderzoekers weten uit ervaring dat materiaalontwikkeling en -vervanging veel tijd kosten en dat het in veel gevallen volstrekt onzeker is welke specifieke toepassingen het meest geschikt zijn voor een bepaald materiaal. Ze willen daar verandering in brengen door hun derde doel na te streven: versnelde ontwikkeling.

Daartoe maken ze gebruik van digitale oplossingen voor materiaalontwikkeling: “We gebruiken simulaties om een ​​uitgebreide, gestructureerde en digitale database in het lab te creëren”, zegt Frank Huberth van het Instituut voor Materiaalmechanica (IWM). “In de toekomst zal deze digitale waardeketen datagestuurde methoden en simulaties samenbrengen om eigenschappenprofielen en duurzaamheid in een eerder stadium te beoordelen, waardoor de ontwikkelingstijden van zowel materialen als producten aanzienlijk worden versneld.”

Konrad Steiner van het Instituut voor Industriële Wiskunde (ITWM): “Door digitale demonstratoren te gebruiken voor producten zoals beschermende textielproducten en banden, kunnen we ontwikkelingsstappen overslaan en de invloeden en prestaties van de nieuwe caramidevezels al vroeg evalueren, zonder dat we het lange en ingewikkelde proces van het produceren en testen van een textielproduct of een complete band hoeven te doorlopen.”

Vooruitzichten: van lab naar toepassing

De interdisciplinaire samenwerking stelde de zes Fraunhofer-instituten en een externe onderaannemer in staat om de syntheseprocessen op te schalen. De twee monomeren kunnen nu op kilogramschaal worden geproduceerd.

Extra financiering heeft het mogelijk gemaakt om extra demonstratoren te testen die geschikt zijn voor industrieel gebruik, in sommige gevallen in directe samenwerking met de industrie.

De plannen voorzien erin om de monomeren in de nabije toekomst aan een geassocieerde industriële partner te leveren, zodat deze zijn apparatuur en faciliteiten kan gebruiken om het uitgangsmateriaal voor een specifieke toepassing te verwerken.

“Dit is een cruciale stap in de verdere ontwikkeling van de caramiden tot het punt van marktrijpheid”, vat Stockmann samen. “Het project is een frisse kijk op geavanceerde materiaalontwikkeling die biobased stoffen afkomstig van bijproducten combineert met digitale technologieën in een interdisciplinaire aanpak.”