“Als je een polymeer belast, is de vraag niet óf het zal breken, maar wanneer en hoe precies”, zegt programmaleider dr.ir. Leon Govaert, universitair hoofddocent bij Werktuigbouwkunde. Hoewel sommige plastics en andere polymeren snel bros worden, zoals polystyreen (bekend van cd-doosjes) en andere zo taai zijn dat ze nauwelijks kapot zijn te krijgen (polycarbonaat, wordt gebruikt voor kogelwerend glas), zijn de oorspronkelijke eigenschappen van alle polymeren verbazingwekkend uniform. De verschillen ontstaan voornamelijk door veroudering. Als je maar lang genoeg wacht, wordt uiteindelijk alle plastic bros.

“Als je aan polystyreen trekt, rekt het nauwelijks op. Het breekt makkelijk en is erg bros. ‘Jonge’ polymeren kunnen bij vervorming effectief sterker worden, een effect dat ‘strain hardening’ wordt genoemd. Als strain hardening optreedt, wordt de uitgeoefende vervorming over het materiaal verdeeld, waardoor het minder snel breekt.” In brosse polymeren concentreert de kracht zich daarentegen juist in bepaalde gebieden - en dat zijn de plekken waar het materiaal het begeeft”, aldus Govaert.

Door veroudering kunnen taaie polymeren bros worden, en dat kan heel gevaarlijk zijn, zegt Govaert. “Airbags, bijvoorbeeld, zitten in een plastic behuizing die taai open moet scheuren als de airbag wordt opgeblazen. Als zo’n behuizing gemaakt zou worden van een polymeer die snel veroudert, zou het materiaal na verloop van tijd bros kunnen versplinteren in plaats van netjes afscheuren en daardoor de inzittenden verwonden.”

Wat dat betreft zijn polymeren net als mensen: jong zijn ze flexibel en taai, na veroudering hard en bros. Anders dan bij mensen is veroudering bij polymeren echter omkeerbaar. “Je hoeft polystyreen alleen maar even plat te walsen, dan verandert het van heel bros plastic in een veel taaier materiaal.” Polycarbonaat dankt zijn taaie karakter aan een bijzonder trage veroudering. In andere woorden: het blijft langer jong.

Het geheim van het mechanisch gedrag van polymeren schuilt dus in hun verouderingssnelheid. Veroudering gaat sneller bij hoge temperaturen en onder belasting (net als bij mensen). Bij sommige polymeren is de veroudering al tijdens het maakproces catastrofaal: die komen bros uit de spuitgietmachine, zegt Govaert. “Wij willen dit probleem voorkomen door op moleculaire schaal in te grijpen, maar op dit moment weten nog niet goed hoe we die veroudering van polymeren kunnen beïnvloeden.” Uit ervaring blijkt wel dat een zeer kleine aanpassing aan de samenstelling van een polymeer grote gevolgen kan hebben voor de eigenschappen van het materiaal, zowel positief als negatief.

Govaert doet al 25 jaar onderzoek naar de mechanische eigenschappen van polymeren. Indertijd was hij een van de eerste werktuigbouwers die zich in Eindhoven bezighield met de mechanische eigenschappen van deze materialen. Met de modellen die Govaert ontwikkelde, kan hij berekenen hoe je optimale producten maakt van bestaande polymeren. “Maar we willen nu een stap verder gaan”, zegt hij. “Je wilt eigenlijk weten waar de eigenschappen, bijvoorbeeld veroudering, precies door worden veroorzaakt, zodat je nieuwe, betere polymeren kunt ontwikkelen.”

De ontwikkelingen in de synthetische chemie zijn inmiddels zo ver voortgeschreden dat scheikundigen bijna alles kunnen maken - zolang je maar weet wat je wilt. Govaert: “De ultieme droom is om bij Scheikundige Technologie koffie te gaan drinken en dan simpelweg te kunnen vragen: kun je dit voor me maken?” Maar dan moet je natuurlijk wel precies weten wélke structuur je gemaakt wilt hebben. “Dat weten we nu helaas nog niet, omdat we nu nauwelijks kunnen voorspellen welke eigenschappen een polymeer met een bepaalde samenstelling zal hebben.”

Het project ‘Multi-scale Analysis of Intrinsic Properties of Polymer Systems’, dat door het College van Bestuur is bestempeld tot High Potential Research Program, moet in deze situatie verandering brengen. Een zevental onderzoekers van de faculteiten Werktuigbouwkunde, Scheikundige Technologie en Technische Natuurkunde gaan samen op zoek naar een model waarmee je de eigenschappen van polymeren kunt voorspellen. Programmaleider Govaert en zijn collega’s denken dat zogenaamde ab-initio moleculaire simulaties, waarin alle moleculen en de krachten die deze op elkaar uitoefenen worden doorgerekend, meer inzicht in de vervorming en veroudering van polymeren kan verschaffen.

Het zal geen gemakkelijke opgave worden, geeft Govaert toe. “Het gaat om ontzettend ingewikkelde berekeningen.” Zijn verwachtingen van het project zijn dan ook bescheiden: “Als de moleculaire simulaties ons een handvat kunnen bieden in welke richting we naar betere polymeren moeten zoeken, zijn we al tevreden. Door co-polymerisatie (waarbij polymeren uit meer dan één type bouwsteen worden gemaakt, red.) kunnen we dan mogelijk het gedrag in de gewenste richting aanpassen, wat ook al een belangrijke vooruitgang zou zijn.”

Het project leunt zwaar op de specialistische kennis op het gebied van thermodynamica die de fysicus dr. Markus Hütter meebrengt vanuit het Zwitserse Zürich. Ook zal er op afstand worden samengewerkt met de Griekse hoogleraar Doros Theodorou, een specialist in moleculaire simulaties. Dat gebeurt op inventieve wijze: “We financieren met dit programma een nieuwe universitair docent, Lambert van Breemen, die we een tijd in Athene stationeren, zodat we optimaal kunnen profiteren van de expertise van Theodorou.” (TJ)/.