Het is zoals moeder de vrouw zonder kookboek doet: zet een pan met water op het vuur, gooi wat ingrediënten erbij, roer een keer en leg het deksel erop. En na verloop van tijd heb je de lekkerste soep. Maar welke processen zich in het binnenste van dat pannetje afspelen, blijft verborgen.

Bij spuitgieten, folieblazen of vezelspinnen is het niet anders. Het gaat om gesloten productieprocessen die geen inkijk bieden. De productie van kunststof voorwerpen berust daarom vooral op ervaring. Met vallen en opstaan wordt de juiste formule gezocht. Maar welke, vaak gecombineerde, invloed temperatuur, stroming, druk of tijd hebben op de uiteindelijke structuur van het kunststofproduct, is lastig te achterhalen. Ook de samenstelling van de kunststof zelf is bepalend voor het resultaat.

Jan-Willem Housmans deed onderzoek naar beide aspecten. En hij bouwde een experimentele opstelling die realistische procescondities goed gecontroleerd toegankelijk maken voor onderzoek. Figuurlijk gesproken haalde hij het deksel van de pan.

Zijn onderzoek heeft vijf jaar geduurd. “Ik ben tijdens mijn promotie verder gegaan waar ik met afstuderen in 2003 eindigde. Destijds had ik een mal om mee te experimenteren en de kristallisatie van polypropyleen te bestuderen. Maar omdat we kampten met terugkerende lekkages, heb ik een andere mal ontworpen. Deels gebaseerd op andere opstellingen in ons laboratorium.”

In de tijd dat de Gemeenschappelijke Technische Dienst (GTD) de mal bouwde, voerde Housmans andersoortige ‘flow induced crystallization’ experimenten uit. Daarbij voerde hij de complexiteit van de procescondities zoals temperatuur, stroming en druk telkens op. Als opstellingen gebruikte hij een reometer, dilatometer en capillaire reometer die ieder fungeerden als een uitgeklede versie van een spuitgietinstallatie. Hierdoor kon de invloed van procescondities op de kristallisatie van isotherm polypropyleen uitstekend worden gemeten. “De reometer bestaat eigenlijk uit niet meer dan twee plaatjes. Als het materiaal in een oven smelt, zorgt het ene plaatje voor stroming, de andere meet de respons van het materiaal op die stroming.”

Met de dilatometer, een PVT-opstelling, wordt de dichtheid (V) gemeten van polypropyleen onder invloed van druk (P) en temperatuur (T). En de capillaire reometer, de meest complexe opstelling, duwt met een zuiger polymeren door een gaatje om zo de drukval te meten. “Zo kun je de viscositeit afleiden.”

Al experimenterend leverde de GTD Housmans’ eigen ‘multipass reometer’ af. Een vuistgrote opstelling met een soort kijkgaatje waardoor het mogelijk is om röntgenfoto’s te nemen van het kristallisatieproces van polypropyleen. De structuren van de kristallen vertellen hoe polymeren op moleculair en microscopisch niveau reageren op de procescondities.

Een mooi voorbeeld van een structuur die door stroming en sterke afkoeling ontstaat, is de zogeheten shish-kebab. “Gesmolten polymeren lijken net op een bord spaghetti met slierten van verschillende lengtes kriskras door elkaar. Als je er stroming op zet, komen ze in dezelfde richting te liggen en vormen fibers, de shish. Bij verdere afkoeling groeien kristallen hierop en krijg je een soort spies met schijven eromheen. Vandaar de naam shish-kebab.”

De procescondities bij spuitgieten, folieblazen of vezelspinnen zijn vaak extreem. Het materiaal wordt onderworpen aan hoge drukken, hoge deformatiesnelheden en hoge koelsnelheden. “Ik heb in mijn proefschrift de relatie tussen de molecuulstructuur, de materiaalcompositie en procescondities, en de microstructuur en de resulterende eigenschappen onderzocht. Het is een complex samenspel en mijn proefopstellingen zijn een stap in de richting. Het uiteindelijke doel is een computerprogramma te maken dat voor een combinatie van factoren kan voorspellen wat de eigenschappen van een product worden. Dan heb ik niet alleen over de sterkte of stijfheid van plastic. Ook hoe het materiaal optisch eruit komt te zien. Of hoe duurzaam dat het is. Is het bijvoorbeeld doorzichtig? Hoe lang gaat het product mee? Als een dergelijk model er komt, is het hele pad van trial and error niet meer nodig. Het is dan makkelijker om te focussen op de procescondities en het materiaal om het kunststof product de gewenste eigenschappen te geven.”

Fopspeentjes
Het zou inderdaad een ingrijpende verandering zijn. Sinds de introductie van polytheen in jaren dertig van de vorige eeuw en de opkomst van polypropyleen twintig jaar later, heeft de productie van polymeren een hoge vlucht genomen. Jaarlijks wordt wereldwijd ongeveer 250 miljoen kubieke meter plastic op de markt gezet. Van pakfolie tot hightech toepassingen als flexibele displays. En zachte fopspeentjes niet te vergeten. Housmans weet dat maar al te goed, want twee weken geleden is hij voor het eerst vader geworden. “Mijn dochter Fenne is mijn mooiste promotiecadeau”, klinkt het trots./.

Jan-Willem Housmans promoveert woensdag 10 december op zijn proefschrift met de titel ‘Flow induced crystallization of isotactic polypropylenes’. Dit gebeurt om 16.00 uur in zaal 4 van het Auditorium.