© 2024 SURF
Er is onderzoek gedaan naar de circulariteit van thermoplastische composieten, nieuwe verwerkingstechnieken met deze materialen en de recyclingsmogelijkheden ervan. De thermoplastische composieten (hierna: TPC) zijn sterk in opkomst omdat hiermee licht kan worden geconstrueerd, wat tot CO2 besparing leidt in vooral de transportsector. Een actuele vraag is in welke mate deze materialen aan de laatste eisen van circulariteit voldoen. Allereerst zijn met behulp van een tape-pultrusielijn verschillende materiaalcombinaties verwerkt en onderzocht. De tapes bestaan uit uni-directionele vezels (UD) in een thermoplastische kunststof matrix zoals PLA, PET of PP. Voor het verwerken van deze tapes tot een laminaat en/of gevormd product was het nodig om de tapes tot een halffabricaat om te zetten in de vorm van een weefsel. Hiertoe is een geheel nieuw type weefmachine ontwikkeld, gebouwd en succesvol getest. Met de tapes en de hieruit verkregen halffabricaten zijn met behulp van verschillende verwerkingstechnieken demonstrators vervaardigd.
De ontwikkelde technieken zijn:
a) de insert-overmoulding techniek, hierbij wordt het laminaat of weefsel verwarmd, vervormd in een matrijs, direct gevolgd door een spuitgietproces, waarbij het schaaldeel wordt voorzien van details zoals verstijvingsribben en randafwerking.
b) de vacuümvormtechniek, dit is een bekende techniek voor het vormen van onversterkte kunststof platen, in dit project is de techniek aangepast en geschikt gemaakt voor het vormen van continu vezelversterkte platen
m. b.v. een rubber membraan.
c) 3D-printen, net als de voorgaande techniek wordt het 3D-printen tot nu toe hoofdzakelijk toegepast met onversterkte filamenten. In dit project zijn de UD-versterkte tapes door middel van pultrusie verwerkt tot filamenten die door 3D-printers kunnen worden verwerkt. Nieuwe printerkoppen en software voor de aansturing hiervan, is hiervoor ontwikkeld.
Van de hieruit resulterende demonstrators zijn tenslotte LCA analyses gemaakt om milieu-impact te kwantificeren.
In de tweede helft van het project zijn de volgende activiteiten uitgevoerd:
a) Er is een vervolg gemaakt met het onderzoeken van nieuwe materiaalcombinaties d.m.v. tape productie en door nieuwe aangeleverde halffabricaten zoals hybride garens en TPC laminaten,
o. a. op basis van bio-PE, rPET, PLA en de biobased cellulosevezels Biomid.
Single polymer composieten zijn vervaardigd op basis van PLA, PE en PET.
b) Mechanische testen op bovenstaande materialen zijn uitgevoerd
c.Recyclingtesten zijn uitgevoerd door componenten te vershredderen en ze vervolgens te extruderen of te spuitgieten
d. Demonstrators zijn gemaakt met diverse materialen in de vorm van een compression- en overmoulded schaaldeel, en in de vorm van een constructieve buis
e) Een volledig geautomatiseerde weefmachine is ontwikkeld en gebouwd, specifiek voor het weven van TPC tapes. Deze machine is uniek in zijn soort. De beoogde weefmachine heeft 64 tapes in de kettingrichting, en kan daarmee een weefsel met een breedte van 45 cm weven. Met 4 verschillende weeframen zijn vervolgens veel verschillende weefpatronen mogelijk.
f) Een vacuümvormmachine is ontwikkeld en gebouwd specifiek voor het vervormen van TPC laminaten. Continu-vezelversterkte laminaten hebben twee problemen bij het vacuümvormen; het materiaal kan niet rekken en het weefsel is niet altijd luchtdicht. Het gebruik van een membraan verhelpt dit. Op basis van deze principes is een proces ontwikkeld en zijn demonstrators gemaakt in de vorm van o.a. een kofferschaal
g) LCA analyses zijn uitgevoerd om een vergelijking te maken tussen diverse materialen en productietechnieken voor wat betreft hun milieu-impact.
Per bedrijf zijn de volgende vragen beantwoord:
CompTape: Zijn er duurzame materiaalcombinaties beschikbaar voor de tapes?
Antwoord: Ja, al blijken sommige materiaalcombinaties lastig te verwerken met de huidige tapelijn. Plastica: Kunnen de nieuwe circulaire composieten door Plastica worden verwerkt?
Antwoord: Met de nieuwe vacuümvormtechniek is aangetoond dat circulaire composieten te verwerken zijn. Al geldt ook hier dat verdere ontwikkeling noodzakelijk is.
Q-Nonwovens: Kunnen biobased of circulaire materialen in geschikte halffabricaten worden omgezet? Antwoord: Voor Q-Nonwovens zijn geen nieuwe halffabricaten ontwikkeld maar er is wel een nieuwe interessante toepassing ontwikkeld waar men de markt mee wil bedienen.
AC Ter Kuile: Kunnen biocomposieten of TPC tapes een nieuwe markt voor de textielindustrie betekenen? Antwoord: Ja, en m.b.v. nieuw ontwikkelde weeftechniek kan de markt door ACTK hiermee worden bediend
VEPA: Met welke materialen en processen kunnen 100% circulaire producten voor de meubelindustrie worden vervaardigd? Antwoord: Met de nieuwe PLA-PLA en PET-PET composieten kunnen met succes circulaire producten worden vervaardigd die tevens lichter geconstrueerd kunnen worden.
BNP Brinkmann: Welke natuurvezelversterking en biobased binders zijn geschikt in hun vliezen en matten? Antwoord: BNP heeft kennis kunnen maken met de nieuwe materialen maar er helaas zelf geen non-wovens van kunnen maken vanwege sluiting van hun Technikum door Corona
Dit project sluit naadloos aan op de Nationale transitieagenda circulaire economie voor de materialengroep ThermoPlastische Composieten (TPC):
(Ontwikkelrichting 1: Preventie): Dankzij de toepassing van vezels kan zaanzienlijk op het verbruik van materialen worden bespaard, hetgeen bovendien kan leiden tot kostenbesparingen en tot CO2 besparing tijdens de productiefase en de gebruiksfase.
(Ontwikkelrichting 2: Meer hernieuwbare kunststoffen): Door toepassing van gerecyclede en biokunststoffen, die vervolgens ook goed recyclebaar zijn en in de meeste gevallen bioafbreekbaar wordt een belangrijke bijdrage aan de hernieuwbaarheid geleverd.
Het Lectoraat Lichtgewicht Construeren verricht al meer dan 5 jaar onderzoek naar industriële verwerkingstechnieken voor TPCs ten behoeve van grootserie producten, maar tot nog toe is nauwelijks onderzoek verricht naar beoogde materialen.
Het Lectoraat Sustainable Polymers van de NHL Stenden hogeschool verricht al jaren onderzoek naar bio-gebaseerde en bioafbreekbaar thermoplasten en vezels. Hoewel er ook al veel toegepaste kennis is opgedaan met biocomposieten, zijn de cruciale verwerkingstechnieken in dit project geheel nieuw voor het betrokken lectoraat, en ook geheel nieuw in de TPC markt.
Nieuw in dit project betreft daarom de circulariteit van de te onderzoeken TPC materialen in combinatie met de nieuwste grootserie productietechnieken.
Iedere vezel-thermoplast combinatie heeft zijn specifieke eigenschappen ten aanzien van maakbaarheid, verwerkbaarheid en uiteindelijke eigenschappen bij gebruik. Deelnemende bedrijven willen de circulariteit van hun materialen nog verder vergroten en hebben daarom behoefte aan verder onderzoek. De centrale onderzoeksvraag luidt:
In hoeverre zijn circulaire thermoplastische composieten te ontwikkelen die seriematig te verwerken zijn met de nieuwste TPC-processen?
Bij de uitwerking van de onderzoeksvraag richten we ons concreet op onderzoek naar:
• Produceerbaarheid van halffabricaten (commingled weefsels, tape, inserts) van circulaire TPCs
• Verwerkbaarheid in producten en recyclebaarheid van circulaire TPCs
• Bepalen van materiaalprestaties, waaronder: mechanische eigenschapen, levenscyclus analyse (LCA) en bestendigheid tegen weersinvloeden van circulaire TPCs