Minuscule vezels die zich gedragen als velcro openen de weg naar een nieuwe generatie lichte voertuigen.
Misschien heb je al gehoord van racefietsen uit vezelversterkte kunststoffen of carbon. Ze zijn superlicht in vergelijking met fietsen uit metaal, maar gaan relatief snel stuk. Nieuwe minuscule vezels die werken als een soort velcro bieden de oplossing, ontdekten we aan de Universiteit Gent. Deze minuscule vezels noemen we nanovezels. Nanovezels worden gemaakt uit elastische kunststoffen zoals rubber of nylon en zijn duizenden keren fijner dan een mensenhaar. Ze maken vezelversterkte kunststoffen schaderesistenter, en dus duurzamer, zonder dat ze zwaarder worden.
Maar het grootste voordeel zit hem wellicht in de onmiddellijke toepasbaarheid in de industrie. Om nanovezels toe te voegen aan vezelversterkte kunststoffen zijn er nauwelijks aanpassingen nodig aan de huidige productieprocessen. Een nieuwe generatie vezelversterkte voertuigen ligt dus binnen handbereik.
Nanovezels zijn duizenden keren fijner dan mensenhaar. Toch zijn ze van onschatbare waarde voor het optimaliseren van vezelversterkte kunststoffen
Vezelversterkte kunststoffen zijn niet nieuw en vind je al terug in toepassingen waarbij een laag gewicht noodzakelijk is, zoals bij vliegtuigen, racefietsen en windturbines. Elke gram die bij de bouw ervan wordt uitgespaard zorgt namelijk voor een energiezuiniger eindproduct. Hoewel de huidige generatie van vezelversterkte kunststoffen al erg licht en sterk is, raken ze vrij snel beschadigd. Regelmatige controles zijn daarom nodig om scheurvorming te voorkomen. Zelfs een klein scheurtje kan er ongemerkt voor zorgen dat de sterkte van het materiaal gehalveerd wordt.
Nanovelcro “in actie” tijdens een scheurtest. De fijne draadjes tussen de scheur zijn nanovezels. Net zoals velcro verhogen ze de weerstand van het materiaal en bemoeilijken ze de groei van een scheur.
De vezelversterkte kunststoffen van vandaag zijn opgebouwd uit verschillende op elkaar gestapelde lagen. Eén laag bestaat uit sterke vezels zoals glas- of koolstofvezels ingebed in een kunststof. Hierin schuilt de sterkte van het materiaal. Door te variëren in het aantal lagen en hun richting, kunnen de meest uiteenlopende toepassingen worden ontworpen. Maar de gelaagde structuur is tegelijk ook een zwakte, omdat de lagen van elkaar kunnen losscheuren. Nanovezels bieden een oplossing voor dit probleem.
Door nanovezels aan te brengen tussen de verschillende lagen in de vezelversterkte kunststoffen, komen de lagen minder snel los van elkaar. De nanovezels zijn zo fijn en zo talrijk aanwezig dat ze de lagen stevig bij elkaar houden en het ontstaan van scheurtjes bemoeilijken. Dit effect doet denken aan velcro, waarbij veel energie nodig is om de lagen uit elkaar te trekken.
Eén van de grootste uitdagingen tijdens ons onderzoek was het aanbrengen van de juiste nanovezels op de juiste plaats en in de juiste verhoudingen. We hebben letterlijk kilometers nanovezels gesponnen om daarna via experimentele proeven te bepalen welke samenstelling tot de beste resultaten leidde. Een grote doorbraak kwam er door onze experimenten te filmen met een microscoop. Voor het eerst legden we zo het “nanovelcro-effect” vast tijdens een scheurtest. Het filmen van deze testen was cruciaal om te begrijpen hoe de nanovezels zich gedragen in een vezelversterkte kunststof. De beelden toonden aan welke nanovezels het meeste energie absorbeerden en dus tot de grootste schaderesistentie zouden leiden.
Voor zijn onderzoek naar nanovezels is Lode Daelemans (ingenieurswetenschappen, UGent) genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup 2018. Stemmen kan HIER.
