spacer.png, 0 kB
Volg Cursor via Twitter Volg Cursor via Facebook Cursor RSS feed
spacer.png, 0 kB

spacer.png, 0 kB


“De veelzijdigheid van regeltechniek spreekt me aan. Het draait er om wiskundige theorieën, die ingewikkeld zijn, maar ook overal toepasbaar.”
Cursor in PDF formaatCursor als PDF
PrintE-mail Tweet dit artikel Deel dit artikel op Facebook

Schoon schuim voor de toekomst

2 oktober 2008 - Bij de vervaardiging van piepschuim als verpakkingsmateriaal wordt het schadelijke pentaan gebruikt. Als milieuvriendelijk alternatief is ook koolstofdioxide een optie. Scheikundig ingenieur Leon Jacobs onderzocht welke factoren bepalen of je hiermee schuim met de juiste structuur kunt maken. Hij promoveert op 10 oktober.

Hij keek rond bij andere universiteiten, zelfs tot in het buitenland, maar uiteindelijk besloot Leon Jacobs (30) toch te gaan promoveren op de plek waar hij afstudeerde, de capaciteitsgroep Procesontwikkeling van Scheikundige Technologie. “Ik was op zoek naar een project met een koppeling naar een herkenbaar product, zodat ik aan mijn vrienden zou kunnen uitleggen waar ik mee bezig was.” Het herkenbare product waarmee zijn professor, Jos Keurentjes, aankwam, was piepschuim. Om precies te zijn: piepschuimachtige verpakkingsmaterialen. Hiervan wordt alleen al in Europa jaarlijks zo’n drie miljoen ton geproduceerd. Dat getal wordt nog indrukwekkender als je bedenkt dat het bijna niets weegt: het is pas geschikt als verpakkingsmateriaal als het honderd keer lichter is dan water. Jaarlijks produceert Europa dus een berg piepschuim met een oppervlak van een vierkante kilometer, en ongeveer dezelfde hoogte als het Empire State Building in New York.

Het lage gewicht van piepschuim komt door de luchtige structuur, die traditioneel wordt verkregen door pentaan op te lossen in polystyreen. Jacobs legt uit: “Pentaan heeft een kookpunt van ruim dertig graden Celsius, dus als je het geheel verwarmt tot rond de honderd graden, verdampt het pentaan en zet het uit. Daardoor wordt de door de warmte flexibele polystyreen uitgerekt, en vormen zich holtes.” Het probleem van deze methode is echter dat het niet rendabel is om het gebruikte pentaan terug te winnen: dat is relatief duur en verpakkingsmateriaal moet nu eenmaal goedkoop geproduceerd worden. Het pentaan komt daardoor in de natuur terecht, zegt Jacobs. “Over de schadelijkheid van pentaan zijn de meningen verdeeld, maar de EU is van plan om het gebruik binnenkort te verbieden.” Vandaar dat er naarstig wordt gezocht naar alternatieven.

Biertje
Koolstofdioxide (CO2) is een veelbelovende vervanger voor pentaan, onder meer omdat het goed oplost in polystyreen en verwante polymeren. Het is echter een gas en daarom moet het samengedrukt worden om voldoende hoge dichtheden te bereiken. Met een overdruk van een paar honderd bar wordt het koolstofdioxide in het polystyreen geperst. “Als je vervolgens die druk wegneemt, zet het gas snel uit en rekt daarbij het polystyreen op. Zo maak je piepschuim.” Een van de problemen van deze methode hangt samen met temperatuur tijdens het proces. Die moet hoog blijven, boven de zestig graden, anders is het polystyreen niet langer rekbaar. Een snel uitzettend gas onttrekt echter warmte aan zijn omgeving. Dat is goed zichtbaar bij het opentrekken van een biertje. Het kooldioxide dat daarbij vrijkomt, zet snel uit en dat laat de omgevingstemperatuur ver genoeg dalen om de aanwezige waterdamp te doen condenseren, resulterend in het bekende ‘rookpluimpje’. Datzelfde gebeurt in extreme mate bij de productie van piepschuim met CO2. Daardoor koelt het polystyreen zover af dat het als het ware ‘bevriest’: het is niet langer flexibel genoeg om een luchtige structuur te vormen.

Jacobs gebruikte een minireactor van zeventig milliliter om zelf het polymeerschuim SMMA te maken. “Dat mag je eigenlijk geen piepschuim noemen, want het is geen polystyreen”, zegt hij. Zijn voornaamste doel was om vast te stellen welke parameters bepalen hoe de structuur van het schuim er precies uit komt te zien. Hij varieerde daarvoor de koolstofdioxidedruk en de temperatuur van de reactor. Ook varieerde hij hoe snel de druk werd afgebouwd bij het opschuimen. “Als je de druk langzaam laat afnemen, dan krijg je minder, maar grotere holtes in het materiaal.” Volgens hem heb je tien tot twintig moleculen nodig om een holle ruimte, of cel, te laten ontstaan. Wanneer de druk te snel afneemt, hebben de koolstofdioxidemoleculen weinig tijd om door het schuim naar een naburige cel te bewegen, en hebben ze eerder de neiging om zelf een cel te vormen, zegt Jacobs. Helaas bleken de stukjes schuim die hij in zijn minireactor produceerde nog te zwaar. Dat kwam volgens hem mede doordat hij de temperatuur van zijn reactor niet voldoende onder controle had. “Voor het beste resultaat moet je eigenlijk tijdens het aflaten van de druk extra warmte toevoegen om het afkoelen door de snelle expansie van het gas te compenseren.”

Spuitmondje
Om de effecten van de temperatuur beter te onderzoeken, deed Jacobs experimenten in het Zwitserse Lausanne. “Daar hebben ze een reactor waarvan ze de temperatuur heel goed kunnen regelen.” Uit de tests bleek dat de temperatuur tijdens het aflaten van de druk van cruciale invloed is op de vorming van de holle ruimtes in het schuim. “Je moet tijdens het aflaten wel warmte toevoegen, maar ook weer niet te veel.” Dan krimpen de holtes na de fase van het uitzetten namelijk weer, waardoor de dichtheid van het schuim te veel toeneemt. En dat is niet de bedoeling. “Schuim met een hogere dichtheid wordt wel gebruikt om bijvoorbeeld gebouwen te isoleren, maar is als verpakkingsmateriaal te zwaar.”

De bevindingen van Jacobs worden gebruikt door een promovendus in Delft, die moet onderzoeken of het gebruik van CO2 voor de productie van piepschuim ook haalbaar is op industriële schaal. Daarvoor is een reactor nodig die het schuim in een continu proces kan produceren: een zogeheten ‘extruder’. Die bestaat uit een holle buis waarin een schroef ronddraait. Binnenin de buis staat het aanwezige polymeer onder hoge CO2-druk. Continu wordt een gedeelte van het materiaal door een spuitmondje naar buiten geperst, waar de druk veel lager is en het polymeer door het uitzettende CO2-gas opschuimt.

Bioschuim
Als een zijsprongetje onderzocht Jacobs het opschuimen van een biopolymeer gebaseerd op cellulose, de stof die plantencellen stevigheid verleent. In tegenstelling tot piepschuim heeft dit ‘bioschuim’ een structuur met open cellen: de cellen zijn met elkaar verbonden. Het voordeel hiervan is volgens Jacobs dat het kan dienen als een raamwerk waarin weefsel kan worden opgekweekt. Vanwege de biologische afbreekbaarheid is het bovendien een veelbelovende kandidaat voor diverse biomedische toepassingen. “Je kunt er bijvoorbeeld een medicijn in aanbrengen, en het dan implanteren.” Het medicijn zou langzaam uit het schuim moeten vrijkomen, en zou over een langere periode werkzaam zijn.

De omslag van zijn proefschrift heeft Jacobs voorzien van een foto van een honingraat met hierop een bij. “De honingraat staat voor de structuur van de schuimen die ik heb gemaakt. De bij maakt de honingraat met grote toewijding en zorgvuldigheid. Dat vond ik een mooie metafoor voor mijn eigen werk.”/.

Piepschuim/Tom Jeltes
Foto/Bart van Overbeeke