Herman Terryn
(Beeld: Prof. Herman Terryn - VUB)

Digitale modellering moet coatings duurzamer en milieuvriendelijker maken

Kijk even om je heen. Op heel wat materialen en producten zit een beschermlaag.
Een beschermlaag of coating leg je op een product of materiaal om het te beschermen tegen invloeden van buitenaf. Sommige coatings worden ook toegepast voor hun esthetische kenmerken maar in dit artikel hebben we het over de beschermende lagen. Op zich is zo’n coating dus heel ‘duurzaam’ want het zorgt ervoor dat een materiaal langer meegaat. Denk aan behandelingen van materialen zoals metaal of hout tegen waterinsijpeling, roesten, zure omgevingen enzovoort. Maar ook papier en karton worden soms voorzien van een beschermlaag om er bijvoorbeeld voor te zorgen dat ze geen water opnemen. Zonder de bescherming zouden heel veel materialen snel aan het einde van hun leven zijn. Tenzij je ervoor kiest om alles in goud te maken natuurlijk.

De coatingindustrie zelf is niet altijd even duurzaam. Het gaat dikwijls om chemische stoffen die volgens bepaalde processen in baden of met sproeikoppen op een oppervlak gebracht worden. Er komt veel energie aan te pas om een beschermlaag op een oppervlak te krijgen. De milieu- en arbeidswetgeving is ondertussen erg streng maar vroeger hoorde ik ooit de uitspraak dat je ‘met een verkoudheid maar eens boven een galvanisatiebad moest gaan hangen, dan waren je luchtwegen en sinussen meteen terug vrij.’

De sector zelf neemt ook initiatief om de activiteiten milieuvriendelijker te maken. Op onderzoeksniveau werd recent het project VIPCOAT opgestart. VUBrussel maakt er deel vanuit. Onder coördinatie van het Helmholtz Center Hereon willen twaalf partners in zeven landen corrosiebeschermingstechnologieën sneller en duurzamer ontwikkelen. De Europese Unie financiert dit project vijf jaar binnen het kader van het programma Nanotechnologies, Advanced Materials, Biotechnology, and Advanced Manufacturing and Processing (NMBP). De VUB-onderzoeksgroep SURF en Elsyca, een VUB-spin-off, zijn partner in dit project. Prof. Herman Terryn:De VUB en Elsyca staan samen in voor het ontwikkelen van een innovatieve modelleringstool, die corrosiebescherming in 3D zal kunnen voorspellen. Deze tool zal kunnen gebruikt worden bij het ontwikkelen van nieuwe corrosiebeschermingssystemen. Het project VIPCOAT sluit aan bij het materiaalonderzoeksprogramma van de VUB, waarin de levensduur van materialen onderzocht wordt via modelleren op allerlei schalen.”

ecoTips had een gesprek met Prof. Herman Terryn over coatings in het algemeen en de zoektocht naar duurzame coatings in het bijzonder.

“Onze onderzoeksgroep legt zich vooral toe op corrosie en is dus vooral met metalen bezig. Corrosie is uiteindelijk niets anders dan een metaal dat naar zijn iontoestand wil evolueren. In de praktijk wil dat zeggen dat het corrodeert en er dus een roestlaagje verschijnt. Naast een esthetisch probleem, kan het metaal zijn structurele functie verliezen. Dat willen we uiteraard niet en daarom zoeken we naar manieren om het materiaal te beschermen. We zoeken dus een materiaal dat als barrière kan dienen tegen de invloeden van buitenaf. De manier waarop zo’n barrière (zoals bijvoorbeeld een verf) samengesteld is, bepaalt welke barrière-eigenschappen deze kan uitoefenen. Vroeger gebruikte men bijvoorbeeld vooral solventgebaseerde verven terwijl deze nu vervangen worden door watergebaseerde alternatieven. Die omschakeling is er gekomen vanuit ecologische overwegingen want solventen zijn toxisch. Maar vanuit de coating gekeken, zijn solventgebaseerde coatings stabieler. Ondertussen is er al wel heel veel onderzoek gebeurd om die omschakeling te kunnen maken.”

Eenzelfde soort onderzoek gebeurt volgens de VUB-professor om de gebruikte polymeren te kunnen vervangen door biopolymeren. “Daar probeert men dan polymeren te maken vanuit bijvoorbeeld lignine (een biopolymeer uit hout en papier) en zo hoeft men geen oliefracties meer te gebruiken om polymeren te maken.”

Een andere trend die Herman ziet, is het onderzoek naar de manier van aanbrengen van een coating. “Zo kan men ook beschermende lagen aanbrengen via atmosferisch plasma waardoor je geen solvent of water meer nodig hebt doordat men de verf rechtstreeks vormt op het voorwerp. Op die manier zoekt men steeds verder naar nieuwe en duurzamer manieren om coatings te ontwikkelen en aan te brengen.”

De corrosiesimulaties geven in dit voorbeeld gelijkaardige resultaten als de experimenten
Een coating kan zelf de bescherming tegen corrosie leveren. Komt er een kras in een oppervlak en komt er vocht in die kras terecht, dan loogt er een corrosiewerend pigment uit en beschermt het zo het onderliggende materiaal. Dat noemt men inhibitie, het vertragen van de corrosie.
“Traditioneel worden materialen op verschillende manieren getest. Ofwel is dat hoogtechnologisch in kleine reactoren aan onderzoekscentra, ofwel heb je versnelde verouderingstesten die de industrie uitvoert. Als derde staan er overal te velde panelen die verouderen door aan de weersomstandigheden blootgesteld te worden. Niet noodzakelijk geven deze drie manieren van testen, gelijkaardige conclusies. Via modellering kunnen we nu op een andere manier de systemen voorspellen en dat schept kansen.”

Het probleem Chroom6+

Zeg nooit zomaar coating tegen een actief protectiesysteem. Bij een coating voor metalen heb je namelijk de keuze: ofwel smeer je een heel dikke laag (bijvoorbeeld 500 micron) op een oppervlakte om er zeker van te zijn dat het materiaal goed beschermd is. Herman: “Die manier van beschermen gebruikt men bijvoorbeeld veel in de scheepsbouw. Maar in andere sectoren zoals in de automotive of de luchtvaart, heeft men veel dunnere lagen nodig. Dan moet de coating in staat zijn om de bescherming zelf te leveren. Dat kan zo’n verf omdat er verschillende soorten pigmenten aan toegevoegd worden. Komt er een kras in een oppervlak en komt er vocht in die kras terecht, dan loogt er een corrosiewerend pigment uit en beschermt het zo het onderliggende materiaal. Dat noemt men inhibitie, het vertragen van de corrosie. Het probleem is dat die inhibitie in het verleden gebeurde op basis van Chroom6+, een stof waarvan we nu weten dat die kankerverwekkend is. Men is dat massaal gaan gebruiken omdat het zo’n goede inhibitie-eigenschappen heeft. Maar er zijn ook een aantal calamiteiten mee gebeurd, bijvoorbeeld in de Verenigde Staten, waardoor de stof in het drinkwater terechtkwam en het aantal kankergevallen in de buurt van het bedrijf substantieel de hoogte in ging. De film Erin Brockovich is op dat voorval gebaseerd.”

De industrie moest dus op zoek naar een alternatief maar dat blijkt niet zo eenvoudig, ook mede door lobbywerk. In de bouw en de automobielindustrie mag Chroom6+, dankzij REACH, niet meer gebruikt worden. In de luchtvaart zijn er nog uitzonderingen. Herman: “Maar er zijn hevige discussies over wat er wel en niet nog mag en welke blootstelling nog kan. Denk bijvoorbeeld aan onderhoud waarbij er aan een oppervlak gewerkt moet worden met slijpschijven.”

De Europese Unie financierde al heel water grote projecten om chroomvrije inhibitoren te vinden en te ontwikkelen. “En die zijn er ondertussen ook, zelfs in de luchtvaart. Alleen is men zo vertrouwd met Chroom6+ en is dat zo robuust, dat men aarzelt om over te stappen naar alternatieven. Bijvoorbeeld voor de cruciale structurele elementen van een vliegtuig wil men het risico niet lopen dat de alternatieven minder goed zouden werken dan het origineel of dat de onderhoudsprogramma’s veel uitgebreider en dus duurder zouden worden. Eigenlijk ligt het probleem bij de voorspellingsmogelijkheid van de alternatieven. Voor Chroom6+ kan men dat perfect voorspellen en zijn alle processen erop afgestemd. Voor de alternatieven is dat nog niet zo. Maar vergeet niet dat men dat voor Chroom6+ in de eerste jaren van toepassing ook niet had. Men was gewoon minder ongerust en de standaarden lagen nog niet zo hoog als nu.”

Onder andere in de luchtvaart stelt men zeer hoge eisen aan de coating en de inhibitoren en is men niet snel geneigd om af te stappen van het vertrouwde, maar kankerverwekkende, Chroom 6+

Het onderzoek legt zich nu toe op het virtueel screenen van mogelijkheden en zo de inhibitie-eigenschappen te voorspellen. Herman: “Traditioneel worden materialen op verschillende manieren getest. Ofwel is dat hoogtechnologisch in kleine reactoren aan onderzoekscentra, ofwel heb je versnelde verouderingstesten die de industrie uitvoert. Als derde staan er overal te velde panelen die verouderen door aan de weersomstandigheden blootgesteld te worden. Niet noodzakelijk geven deze drie manieren van testen, gelijkaardige conclusies. Via modellering kunnen we nu op een andere manier de systemen voorspellen en dat schept kansen. Dat is precies wat we in VIPCOAT (www.vipcoat.eu) gaan doen. Verschillende onderzoeksgroepen zullen op verschillende manieren modelleren om dan te kijken of we tot eensluidende conclusies kunnen komen en uitspraken kunnen doen over alternatieve inhibitoren en de manier waarop ze zich gedragen in allerlei omstandigheden. De VUB werkt hiervoor samen met een spin-off, Elsyca, die koploper is in elektrochemische modellering.”

Volgens Prof. Terryn zijn er believers en non-believers van digitale modellering. “Maar de grote spelers, bijvoorbeeld in de luchtvaart en de automotive, gebruiken nu ook al virtuele modelleringen om hun voertuigen te ontwerpen. Waarom zouden ze dan ‘op ambachtelijke wijze’ willen blijven werken voor die testen? Zij zijn dus zeker vragende partij. Het is trouwens enkel door samen te werken dat we hier een doorbraak kunnen forceren. Ik vergelijk het graag met de COVID-19 problematiek en de ontwikkeling van vaccins. Dat is ook enkel gelukt omdat grote spelers zijn gaan samenwerken.”

Gevraagd of de alternatieve inhibitoren die nu al op de markt zijn, al werken maar het vertrouwen er gewoon niet is, antwoord Herman: “We zien dat bepaalde alternatieven zelfs beter werken dan Chroom6+. Alleen zijn we momenteel niet zeker of ze altijd beter werken en onder welke omstandigheden dan wel of niet. En daar moeten we dus nog stappen zetten.” 

Een voorbeeld van corrosie-inhibitie met Lithium in plaats van Chroom6+.

Gerecycleerd aluminium

In een heel andere branche is de problematiek gelijkaardig: bij het gebruik van gerecyleerd aluminium in de bouwsector. Herman: “In een circulaire economie hebben we er alle belang bij om onze materialen te hergebruiken. Aluminium leent zich daar perfect toe. Om 1 kg aluminium te produceren heb je 15 kW energie nodig. Het is dus een zeer duur materiaal en je kan het eenvoudig recycleren omdat het een laag smeltpunt heeft. Alleen komt dan het verhaal van de onzuiverheden boven water. Als je het terug naar een primaire legering moet omzetten, kost het weer handenvol geld en een serieuze CO2-uitstoot. Dus moeten we nu te weten komen welke mate van onzuiverheden met zink en ijzer nog toelaatbaar zijn om de eigenschappen van aluminium niet al te veel te compromitteren. Want nu neemt men geen enkel risico en wil men het gerecycleerd aluminium gewoon niet gebruiken omdat het uitgesloten wordt in het bestek dat men opmaakt. Niemand wil zijn hand in het vuur steken.”

Composietenvliegtuigen en 3D-geprinte metalen

Elke dag worden er nieuwe materialen en hybride systemen ontwikkeld en dat zowel bij de metalen als in de kunststoffen. Maar dat zorgt voor een extra uitdaging in de circulaire economie want hoe ga je al die nieuwe materialen hergebruiken en recycleren? Herman: “De nieuwe Airbus is een composietenvliegtuig. Maar die composieten brengen ook weer corrosieproblemen met zich mee. Voor de luchtvaart moet zo’n composiet geleidend zijn want het moet bliksem kunnen afleiden. Je moet de materialen dan wel weer afdoende kunnen beschermen tegen corrosie. Hetzelfde zien we bij 3D-geprinte metalen. Ook daar is er weinig aandacht voor de corrosie-eigenschappen van die metalen.”

Maar de lijmen en hechtingsmaterialen die gebruikt worden, zijn een probleem in de recyclage. “Je wil zo’n systeem en interface zo sterk mogelijk maken zodat het niet meer uit elkaar te halen is. Dus heeft diegene die het wil recycleren, een probleem. Daarom is circulair ontwerp zo belangrijk.”

Of je kan materialen zo ontwerpen dat ze onnoemelijk lang meegaan en niet moeten gerecycleerd worden. Herman: “Dat is de trend van de zelf-helende materialen en is die is ook erg interessant. Je hebt dan mobiliteit in het materiaal nodig en dan boet je in op andere eigenschappen. Dit is perfect te vergelijken met de menselijke huid. Als je een wondje hebt, dan geneest dat omdat er mobiliteit zit in de huid. Je zou ook een huid kunnen maken die supersterk is maar die niet te herstellen valt. Die kan dan lang meegaan maar eens die stuk is, is het ook gedaan. Je moet als ontwerper dan de keuze durven maken voor een materiaal dat misschien niet het meest performant is maar wel altijd herstelt, net zoals onze huid.”

Het is duidelijk dat er in de materialen en coatings nog heel veel interessante ontwikkelingen aan de gang zijn.

Meer ecoTips artikels over circulaire economie

Nieuwsbrief

In je mailbox: aankondigingen van opleidingen, events, nieuws en inzichten over duurzaamheid.

"*" indicates required fields

Consent*
This field is for validation purposes and should be left unchanged.