Het is een vraag die al heel lang speelt in de verfindustrie: hoe maken we verf milieuvriendelijker zonder dat het ten koste gaat van de kwaliteit? Chemici van de Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit Utrecht zoeken het antwoord in zelf ontworpen bindmiddeldeeltjes.
Hoe maak je verf milieuvriendelijker zonder dat het ten koste gaat van de kwaliteit?
Flickr/velo_cityOp dit moment is het fiftyfifty. De helft van alle verf die fabrikanten jaarlijks produceren, zo’n twaalf miljard liter, is gemaakt op waterbasis. Vooral wat we binnenshuis op de muren smeren is bijna altijd verf op waterbasis. Verven gebaseerd op organische oplosmiddelen als terpentine beslaan de andere helft.
Die laatste groep is slecht voor het milieu. In organische oplosmiddelen zitten vluchtige organische stoffen (VOS): koolwaterstoffen die snel verdampen. VOS dragen bij aan schildersziekte (een hersenaandoening die veel voorkomt bij schilders) de vorming van smog en opwarming van de aarde. Sinds 2007 is de hoeveelheid vluchtige organische stoffen in verf aan banden gelegd in Europa. De zorgen voor het milieu en de steeds strengere regelgeving stimuleert verffabrikanten om meer verf op waterbasis te maken.
Jammer genoeg lijkt verf op waterbasis doorgaans net wat slechter te presteren. “Dat willen wij gelijkwaardig maken. Of liever zelfs omdraaien, zodat de watergedragen verf hoogwaardiger wordt”, zegt Ilja Voets van de Technische Universiteit Eindhoven. In samenwerking met de Universiteit Utrecht en de bedrijven SyMo-Chem en DSM Coating Resins start haar onderzoeksgroep deze zomer een project om hoogwaardige ‘groene’ verf te maken.
Hoogwaardige verf
Wanneer noem je een verf eigenlijk hoogwaardig? Er zitten ongelooflijk veel aspecten aan hoogwaardigheid in zowel het gebruiksgemak als milieuvriendelijkheid, volgens Voets. “Als je per ongeluk met je nagels langs de muur krast, wil je niet de hele coating meenemen. Een verf moet dus krasbestendig zijn. En als er een vlek op zit, wil je dat met een doekje en wat water verwijderen zonder dat het nieuwe vlekken oplevert.” Je kan zeggen dat een verf hoogwaardig is als het zijn functionaliteit, zoals bescherming, verfraaiing, kleur en glans, lang behoudt.
Met name het type bindmiddel is verantwoordelijk voor de kwaliteit van de verf. En bij de eigenschappen van bindmiddeldeeltjes komt heel wat ingewikkelde chemie kijken waar Voets en haar collega’s wel raad mee weten. Zij gaan uitzoeken hoe de eigenschappen van bindmiddeldeeltjes nu precies de kwaliteit van de uiteindelijke coating beïnvloeden. Met die kennis kunnen de bedrijven waar ze mee samenwerken vervolgens aan de slag om hoogwaardige op watergedragen verven te ontwikkelen. Dit alles met als doel om de uitstoot van de milieuonvriendelijke VOS terug te dringen.
Bindmiddeldeeltjes
De samenstelling van verf is ongelooflijk complex. In alle verf zitten polymeren, superlange kettingmoleculen bestaande uit kleinere moleculen die aan elkaar geschakeld zijn. Polymeren zijn de bouwstenen voor bindmiddeldeeltjes. De polymeren haken in elkaar, oftewel assembleren, tot bolvormige objecten van slechts tientallen nanometers groot.
Die minuscule bolletjes zorgen er vervolgens voor dat je de verf goed kan smeren en dat er een dekkende coating overblijft op het moment dat het oplosmiddel, water in dit geval, verdampt. Verder zitten er in verf ook nog anorganische deeltjes die voor een goede dekking zorgen, zodat je de verf niet meerdere keren hoeft aan te brengen.
“Wij gaan proberen de chemie van die bindmiddeldeeltjes te sturen”, legt Voets uit. “We willen kijken of we een verband kunnen vinden tussen de structuur van verschillende deeltjes en de eigenschappen van een verf.” Het ene deeltje plakt bijvoorbeeld net iets beter. Het ander geeft weer een betere smeerbaarheid. De chemici zoeken naar de optimale verbinding voor allerlei eigenschappen. “Als je de structuur van de deeltjes niet kunt sturen, kan je er ook niet achter komen welk deeltje nu voor welke eigenschap zorgen”, legt Voets uit. Haar team gaat daarom zelf deeltjes ontwerpen en testen.
Eigenschappen voorspellen
Waar te beginnen? Het onderzoeksteam zet in op drie speelvelden. Ten eerste gaan ze aan de slag om nieuwe polymeren te maken, wat ook de expertise is van DSM en SyMo-Chem. De materialen worden gebaseerd op polyurethaan, een veelvoorkomend bestanddeel van verf en coatings. “We hebben al een goed idee wat de componenten van het polymeer moeten zijn, maar nog niet op welke plaats in de keten we deze het beste kunnen plaatsen. Verder weten we nog niet hoe vaak we een bepaalde bouwsteen moeten herhalen. Het tweede deel van het project richt zich op hoe de polymeren, als ze eenmaal van de tekentafel komen, nou assembleren tot zo’n bindmiddeldeeltje en welke eigenschappen dat oplevert.”
Polyurethanen zijn polymeren die toepassing kennen als schuim voor stoelbekleding.
Wikimedia Commons/Alice MarkhamDe derde stap is om samen met onderzoekers van het Van ’t Hoff laboratorium van de Universiteit Utrecht het gedrag van zo’n polymeer theoretisch te beschrijven. Voets: “Als we de assemblage van één polymeer succesvol kunnen beschrijven met algemene parameters, bijvoorbeeld hoe de morfologie afhangt van concentratie en zuurgraad, dan kunnen we wellicht ook voorspellen welke verandering de eigenschappen van een verf of coating verbetert. Het is de bedoeling dat we dan op de computer kunnen uitvogelen wat het gevolg is van een bepaalde wijziging in de samenstelling van een polymeer. Dat polymeer kunnen we dan gaan maken en de voorspelling toetsen. Deze aanpak gaat uiteindelijk veel sneller dan alle polymeren synthetiseren en experimenteel in het lab te testen.”
Zelfassemblage
Deze zomer start het onderzoeksproject. Het is niet de eerste keer dat Voets zal gaan werken aan zelfassemblage, het proces waarbij losse onderdelen vanzelf een georganiseerde structuur vormen. Zelfassemblage staat centraal in haar onderzoeksgroep. Ook in andere projecten onderzoekt ze wat er gebeurt als je een bepaald polymeer in water oplost. Wat voor deeltjes maakt het dan en waar hangt dat van af? Voets: “Zodra we dat voor deze polymeren voor watergedragen verf hebben uitgezocht, kan DSM de kennis benutten om de chemie van hun productieproces verder te optimaliseren.”