Chemici uit Frankrijk en Nederland (TU Eindhoven en DSM) hebben een slimme manier gevonden om kunstrubber – bekend van het postbode-elastiek – te versterken. Ze deden het door twee verschillende polymeren op moleculaire schaal met elkaar te vervlechten. Bovendien gaven ze hun materiaal lichtgevende eigenschappen. Nu is precies te zien waar de polymeerketens breken als ze belast worden. Het onderzoek, vorige week gepubliceerd in Science, legt de basis voor sterkere en breder toepasbare synthetische rubbers.
Elastomeren heten ze, de kunstrubbers die onder andere te vinden zijn in elastiekjes. Hun naam is een samentrekking van ‘elastische polymeren’. Inderdaad zijn ze enorm soepel en keren ze na uitrekking weer in hun oorspronkelijke staat terug. Maar er is een grens: bij te sterke vervorming knapt het materiaal.
Dat laatste zit polymeerkundigen niet lekker. Per slot van rekening zijn er ook allerlei kunststoffen die hartstikke sterk zijn. Denk aan een bierkrat, of de bumper van een auto. Ze zoeken daarom manieren om elastiek en andere elastomeren óók zo sterk te maken – maar wel elastisch, uiteraard.
Moleculair vlechten
Een oude oplossing voor het versterken van elastomeren is er minuscule harde deeltjes aan toe te voegen. Zo zitten er roet en andere ‘vulstoffen’ in het rubber voor autobanden. Maar dat is een beetje een ‘lompe’ manier van versterken die bovendien niet altijd even goed werkt.
In de nu gepubliceerde nieuwe aanpak wordt het elastomeer op moleculaire schaal vervlochten met een ander, stevig polymeer. Zo ontstaat een materiaal dat flexibel is maar toch sterk.
De combinatie van twee soorten polymeren resulteert in een materiaal dat de beste eigenschappen van beide materialen combineert. Dit principe werd eerder al toegepast bij de vervaardiging van hydrogels en is nu geschikt gemaakt voor elastomeren.
Het onderzoek werd uitgevoerd door chemici van de Parijse École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles (ESPCI ParisTech) in nauwe samenwerking met Rint Sijbesma, hoogleraar supramoleculaire polymeerchemie aan de Technische Universiteit Eindhoven, en polymeertechnoloog Markus Bulters van DSM Ahead uit Geleen.
Lichtflitsjes
De Nederlandse bijdrage aan het in Science gepubliceerde onderzoek lag vooral op het gebied van de ‘crosslinkers’, moleculen die de polymeerketens onderling verbinden. Het nieuwe materiaal werd voorzien van een speciale crosslinker die lichtflitsjes uitzendt als het kapot gaat.
De lichtsignalen maken het materiaal er niet sterker op, maar helpen de onderzoekers wel te achterhalen waar breuken ontstaan als het materiaal wordt belast. “Het uitgezonden licht laat precies zien waar de ketens breken”, zegt Rint Sijbesma.
Hij legt uit dat dit bij de meervoudige vervlochten netwerken in een veel groter gebied gebeurt dan bij het enkelvoudige elastomeernetwerk. “Dat is de reden dat er veel meer energie nodig is om het materiaal stuk te krijgen,” aldus Sijbesma. En dat maakt het materiaal per definitie sterker.
Onverwoestbaar is het nieuwe materiaal natuurlijk niet. Na verloop van tijd zullen steeds meer ketens van het stevige polymeernetwerk breken, zodat het materiaal veroudert. Maar dankzij de lichtgevende crosslinkers kunnen de ontwerpers van het nieuwe materiaal gericht werken aan de beste uitvoering voor toepassingen zoals autobanden, elastische handschoenen of schokdempers.