NWO-I

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.nwo-i.nl/fom-historie/jaarverslagen/hoogtepunten/hoogtepunten2013/de-kleinste-nanodeeltjes-zorgen-voor-de-sterkste-polymeren-nr-i27/

Geprint op :
17 december 2018
20:57:13

De wereldwijde polymeerproductie overstijgt sinds een paar jaar de twintig miljard kilogram per jaar. Vrijwel alle polymeersystemen zijn tegenwoordig versterkt met toegevoegde vulstofdeeltjes. Deze deeltjes zitten verwerkt in het raamwerk van de polymeren. Ondanks het grote industriële belang, zijn de mechanismen van deze versterking slecht begrepen. Meestal worden nanodeeltjes van silica (siliciumdioxide) of roet gebruikt. Er lijkt echter geen duidelijke reden te zijn om dergelijke kleine deeltjes te gebruiken, gezien de theorie stelt dat de elasticiteit van het materiaal onafhankelijk is van de grootte van de deeltjes. De onderzoekers van dit Industrial Partnership Programme hebben in 2013 echter laten zien dat dit experimenteel niet altijd het geval is.

Microstructuur
De FOM-onderzoekers bestuderen, in samenwerking met Michelin, SKF en het Dutch Polymer Insitute, met silica gevulde rubbers en polymeergels. Een van de belangrijkste resultaten van dit jaar volgt uit systematische experimenten: wanneer de relatieve hoeveelheid vulstofdeeltjes hoger ligt dan een kritische volumefractie, is het mechanische gedrag van het materiaal afhankelijk van het oppervlak van de vulstofdeeltjes. Bij kleinere  vulstofdeeltjes bevindt zich meer van de vulstof aan het oppervlak, wat leidt tot een grotere materiaalversterking. Deze vondst stelt de onderzoekers in staat om de mechanische eigenschappen  van het materiaal te voorspellen op basis van zijn microstructuur.

Stof tot nadenken
De bevinding stelt de onderzoekers echter ook voor een probleem: in 'normale' berekeningen met elasticiteitstheorie is de elasticiteit van een materiaal onafhankelijk van de grootte van zijn vulstofdeeltjes. Dat is omdat de theorie schaalvrij is: het maakt niet uit of je een microscopisch kleine hoeveelheid materiaal vervormt, of een macroscopisch grote hoeveelheid, de relatie tussen de kracht (stress) en de vervorming (strain) blijft dezelfde.

De bevindingen van de onderzoeksgroep stelt natuurkundigen daarom voor een fundamenteel probleem. De industrie en wetenschap zijn het erover eens dat nanodeeltjes de beste vulstofdeeltjes zijn, omdat hun versterkende effect het grootst is. Daarentegen gebruiken dezelfde onderzoekers vaak micromechanische modellen om voorspellingen te doen over deze versterking. Deze zijn gebaseerd zijn op elastische modellen, en kunnen de schaalafhankelijkheid dus niet kunnen verklaren of voorspellen. Er is dus voorlopig voldoende (nano)stof tot nadenken.