Voorbeeld projecten

Om meer te weten te komen over deze duurzame coating, gaan we eerst in op enkele belangrijke aspecten van poedercoating. In tegenstelling tot conventionele coatings zoals verven, die worden gevormd door de verdamping van een oplosmiddel, zijn poedercoatings doorgaans droge poeders die elektrostatisch worden aangebracht en uitgehard via temperatuur of met ultraviolet licht. Tegenwoordig worden deze coatings intensief gebruikt in de industrie om bescherming te bieden tegen agressieve omgevingsfactoren en/of voor decoratieve doeleinden. Enkele voorbeelden van gepoedercoate producten zijn te zien in figuur 1. Het bindmiddel of de hars is het hoofdbestanddeel van een typische thermohardende poedercoating (TPC) en is het filmvormende element van het product. Het zorgt voor hechting aan een ondergrond, bindt pigmenten en andere additieven samen en bepaalt belangrijke eigenschappen als duurzaamheid, flexibiliteit en hardheid. Bovendien kunnen kleuren, additieven en vulstoffen worden toegevoegd om bepaalde eigenschappen van de coating, zoals glans, dekking en stabiliteit, te wijzigen.

Figuur 1: Voorbeelden van gepoedercoate toepassingen die worden toegepast voor decoratieve en beschermende doeleinden, zoals onderdelen voor de auto-industrie (links) en gepoedercoate metalen voorwerpen zoals pijpleidingen (rechts).

Bij de synthese van TPC's kunnen verschillende soorten thermohardende poeders, afgeleid van epoxy's, acryl-, hydroxylgroepen (polyester) en carboxylgroepen (polyurethaan), worden gebruikt. Sommige van deze soorten hebben een slechte buitenduurzaamheid of een matige chemische weerstand. Een alternatief zou daarom een op polycarbonaat gebaseerde hars kunnen zijn die typisch amorf is en meestal eigenschappen vertoont zoals hoge transparantie en lage UV-absorptie, bijzonder geschikt voor gebruik buitenshuis. De keerzijde van commercieel gesynthetiseerd polycarbonaat is echter het gebruik van fosgeen (Cl₂C=O) een zeer giftig gas dat serieuze milieu- en veiligheidsoverwegingen vereist.

Limoneenoxide is een potentieel biobased epoxide afgeleid van limoneen en zou een goed alternatief kunnen zijn voor fosgeen/BPA. Limoneen is een belangrijk bestanddeel dat kan worden gevonden in de olie van schillen van citrusvruchten, zoals citroenen, limoenen en sinaasappels. Het is een kleurloze vloeistof die vaak wordt gebruikt als smaakstof bij de productie van levensmiddelen. De overvloed en de vele functionaliteiten maken het tot een aantrekkelijke, hernieuwbare bouwsteen voor polymeersynthese. Via een chemische reactie waarbij koolstofdioxide CO₂ betrokken is, kan een volledig recyclebaar poly(limoneencarbonaat) (PLC) worden gesynthetiseerd, met functionele groepen die kunnen worden gewijzigd of verknoopt om nieuwe functionaliteiten te introduceren, zoals antibacteriële activiteit, hydrofiliciteit en oplosbaarheid in water . Dit maakt CO₂, ook wel bekend als de belangrijkste aanjager van klimaatverandering, een nuttig molecuul dat als monomeer kan worden gebruikt om een duurzame polycarbonaat poedercoating te maken. Dit pad wordt schematisch weergegeven in figuur 2. Als gevolg hiervan heeft deze volledig van limoneen afgeleide PLC een groot potentieel als TPC-bindmiddel, dat een goede uitwendige duurzaamheid en chemische weerstand kan bieden. Deze twee eigenschappen maken dit type hernieuwbare binder tot een geweldig alternatief voor de productie van poedercoatings, waarbij alle relevante reactanten worden vermeden.

Figuur 2: een vereenvoudigd overzicht van het reactiemechanisme van een op limoneen gebaseerde coating. Hier wordt eerst limoneen geëpoxideerd tot limoneenoxide. Het laatste wordt gebruikt voor de synthese van poly(limoneencarbonaat) (PLC) in aanwezigheid van kooldioxide. Met behulp van een verknopingsmolecuul (op basis van thiol) en radicaalinitiator wordt onder invloed van ultraviolet licht een verknoopt netwerk (TEN) gevormd via een thiol-eenreactie met de aanhangende isoprenylgroepen van PLC. Het resultaat is, de vorming van een dunne laag op een bepaald oppervlak.

Of u nu de duurzaamheid van materialen wilt verbeteren, nieuwe materialen wilt ontwikkelen of materiaalonderzoek wilt doen, ons team heeft de kennis, expertise en ultramoderne infrastructuur om u te helpen uw doelen te bereiken. En met een groot netwerk binnen de TU/e kunnen we een schat aan kennis en middelen aanboren. Neem contact met ons op voor meer informatie over hoe we u kunnen helpen! Contact.

Heeft u interesse in de aanvullende technische details over deze publicatie, zie link: Limonene-derived polycarbonates as bio-based UV-curable (powder) coating resins

Bereik het onbereikbare!
Confocal Raman spectroscopie is een geschikte techniek om dit soort vervuilingen te analyseren. De meting kan uitgevoerd worden op minuscule deeltjes die volledig worden omsloten door een polymeermatrix (zie schematische afbeelding). Door twee voorbeelden belichten we de mogelijkheden met Confocal Raman spectroscopie.

1. Polyetheen zak
In het eerste voorbeeld hebben we een gesloten polyetheen (LDPE) zak met daarin Polyethyleentereftalaat (PET) korrels direct onder de confocal Raman microscoop geplaatst. Vervolgens hebben we een diepteanalyse uitgevoerd door de LDPE zak op de PET-korrels. Tijdens de diepteanalyse konden we continu de materiaalcompositie analyseren waardoor een duidelijke overgang van LDPE naar PET zichtbaar werd in de spectra hieronder. Via deze techniek hoeft de zak niet open omdat de inhoud door het verpakkingsmateriaal heen gemeten kan worden.

2. Glazen flesje met aceton
In het tweede voorbeeld hebben we een glazen flesje gevuld met aceton onder de microscoop geplaatst. Opnieuw hebben we een continue meting uitgevoerd dwars door het glas heen tot de aceton geanalyseerd kon worden. Hieronder is duidelijk de overgang te zien van glas naar aceton.

Confocal Raman spectroscopie kan worden gebruikt om onbekende materialen of vloeistoffen te identificeren. Ook zeer kleine deeltjes tot 1 µm kunnen gemeten worden, zelfs wanneer ze volledig worden omsloten door een ander materiaal.

Heb je een vergelijkbaar probleem, waarbij kleine deeltjes van een onbekend materiaal in een product terecht zijn gekomen? Confocal Raman spectroscopie biedt de oplossing. Mocht je vragen hebben of meer informatie hierover willen ontvangen, neem gerust contact met ons op!

We beschrijven dit belang aan de hand van twee bekende voorbeelden, weergegeven in Figuur 1, en bespreken kort hoe we deze eigenschap kunnen meten en beïnvloeden.

Figuur 1. Voorbeelden van toepassingen waarbij controle over thermische uitzetting van cruciaal belang is. Links: Antennetoren; rechts: reflector van een autokoplamp, zichtbaar achter de transparante kap.

Het eerste voorbeeld omvat 5G-antennes, die steeds belangrijker worden in het dagelijks leven omdat ze gegevens verzenden van onze telefoons, auto's en vele andere apparaten. In elke antenne is dataoverdracht het meest efficiënt wanneer de golflengtes van zender en ontvanger op elkaar zijn afgestemd. Omdat 5G in een hoog frequentiebereik (tot aan 54 GHz) werkt, kunnen deze antennes vrij klein zijn, aangezien de lengte van een antenne omgekeerd evenredig is met de frequentie. Dergelijke antennemodules zijn vaak compact ontworpen, wat als gevolg heeft dat de warmte van de geïntegreerde electronica zich kan ophopen. Bovendien worden veel van deze antennes blootgesteld aan allerlei weersomstandigheden en wisselende temperaturen. Dit betekent dat de antenne thermische uitzetting kan ondergaan, wat kan leiden tot verminderde efficiëntie of zelfs schade aan de antenne als gevolg van materiaalvervorming. Daarom is de thermische uitzettingscoëfficiënt een cruciale parameter bij de materiaalkeuze voor deze toepassing.

Het andere voorbeeld is een koplamp van een auto, met name gericht op het reflectorgedeelte (achter de transparante kap), dat als belangrijkste functie heeft om het licht op de weg te richten. Deze reflectoren zijn gevormde kunststof onderdelen, met aluminium gemetalliseerd om het licht te kunnen reflecteren. In zo'n onderdeel kan de temperatuur sterk variëren, niet alleen door weersinvloeden maar ook door de warmte die door de gloeilamp zelf wordt gegenereerd (hoewel dit bij moderne LED's minder een probleem is). Het plastic, vaak polycarbonaat (PC), zet echter veel meer uit bij toenemende temperatuur dan de metalen coating. Het is dus voorstelbaar hoe dit kan leiden tot delaminatie van de coating van het plastic, waardoor de reflector niet meer goed werkt. Dit voorbeeld toont dus ook aan hoe belangrijk het is om rekening te houden met het thermische uitzettingsgedrag van materialen, vooral wanneer ze worden gecombineerd in allerlei toepassingen.

Het uitzettingsgedrag van een materiaal kan worden beschreven met de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), welke kan worden gemeten met behulp van thermomechanische analyse (TMA). TMA is een techniek die lengteveranderingen in een monster nauwkeurig meet als functie van temperatuur (of tijd). Uitzetting wordt gemeten in compressie of rek met behulp van kwartssondes, maar andere geometrieën (3-puntsbuig, penetratie) kunnen ook worden gebruikt om bijvoorbeeld verwekingstemperaturen te meten. Onze TMA-monsterhouder en compressie-sonde zijn te zien in Figuur 2 hieronder.

Figuur 2. Links: Aluminium monster in de TMA-houder. De kwarts compressie-sonde meet nauwkeurig eventuele lengteveranderingen. Het thermokoppel aan de rechterkant controleert de temperatuur. Rechts: TMA-meetdata, met CTE-waarden voor elk materiaal.

Om verschillen in thermische uitzetting aan te tonen voor de materialen die in een autokoplamp worden gebruikt, hebben we verschillende materialen gemeten met onze PerkinElmer Diamond TMA: aluminium, PC en glas. De meetdata zijn ook weergegeven in Figuur 2.

We kunnen de CTE van de materialen berekenen uit de helling van de curves in Figuur 2, zoals weergegeven, welke tevens goed overeenkomen met waarden uit de literatuur. Bovendien kan TMA-data worden gebruikt om de glasovergangstemperatuur (Tg) van een polymeermonster te meten; dit PC-materiaal heeft een Tg 148 °C.

We zien duidelijk een groot verschil in de CTE voor PC en aluminium, wat het probleem voor het reflectorgedeelte van onze autokoplampmontage demonstreert en waar we dus een oplossing voor moeten bedenken. Een veelgebruikte methode om de CTE van polymeren te verlagen is het toevoegen van vulstoffen met een lage CTE, zoals glas. Een mogelijke oplossing zou daarom zijn om een PC-composiet te maken met glasvezels, omdat dit een goedkoop vulmiddel is en de vezels bovendien het polymeer versterken. Zo werd de CTE van een 30 % glasgevuld PC-composiet bepaald als 22 · 10-6 K-1, wat dicht bij de CTE van aluminium ligt en daarom een geschikt composietmateriaal zou zijn voor de toepassing van koplampreflectoren.

Bij het compounderen van dergelijke composieten moet echter met meer aspecten rekening worden gehouden, zoals vezeldispersie tijdens het compounderen of vezeloriëntatie tijdens verwerking van de onderdelen. Dit kan leiden tot anisotropie in de materiaaleigenschappen, wat sterk verschillende CTE's in de machine- of dwarsrichting tot gevolg kan hebben. Daarom is een zorgvuldige analyse van de CTE cruciaal in materiaal- en productontwikkeling.

We ondersteunen u graag met TMA-metingen voor al uw uitdagingen op het gebied van thermische uitzetting, dus neem gerust contact met ons op te nemen voor meer informatie.

Zo is bijvoorbeeld de hogere stijfheid van kunstgras de reden waarom het rechtop staat. En een hogere treksterkte is de reden waarom puin/bouwzakken en geweven shoppers zo sterk zijn. Naast deze alledaagse toepassingen is de composietindustrie ook zeer geïnteresseerd in de combinatie van materialen met een lage dichtheid (lichtgewicht) en hun verbeterde mechanische eigenschappen door verstrekken. Composieten op basis van verstrekte thermoplastische materialen vind je in allerlei extreme toepassingen, zoals lucht- en ruimtevaarttechniek, ballistische bescherming, transport van olie & gas en sport.

De stijfheid (elasticiteitsmodulus) van thermoplastische polymeren zoals polyolefinen, polyamiden of keton polymeren, kan verbeterd worden door de polymeerketens in het materiaal in één richting te oriënteren. Hiervoor wordt het materiaal verstrekt tussen de glasovergangs- en de smelttemperatuur van het polymeer, ook wel “solid-state-drawing” genoemd. Zie de afbeelding hieronder.

Hoe werkt een verstreklijn?
De verstreklijn bestaat uit een frame met 5 godet rollen, een frame met 3 godet rollen gescheiden door 2 verwarmingszones in een oven, nog een frame met 3 godet rollen en ten slotte een winder. De verstreksnelheid kan per frame worden aangepast, of zelfs per rol op het oven frame. De temperatuur van elke inductie verhitte rol en ovenplaat is afzonderlijk regelbaar tot 280 °C. Na het verstrekken worden de materialen om een metalen of kartonnen buis gewikkeld voor verdere analyse bij PTG/e of bij de klant.

Voordelen PTG/e verstreklijn
Doordat wij in staat zijn om kleine lengtes tape en vezels (vanaf 20 meter) op onze lijn te verstrekken, is er minder materiaal nodig voor uw testen. Ook kan uw eigen productielijn blijven draaien, aangezien u de testen in het PTG/e laboratorium uitvoert.
Wilt u meer weten over onze mogelijkheden, neem dan contact met ons op.

Het meten van het molecuulgewicht van een polymeer levert daarom cruciale informatie op voor het begrijpen van vele aspecten die verband houden met het gedrag van polymeren.

Zo kunnen chemisch identieke polymeren verschillende mechanische eigenschappen vertonen als gevolg van een verschillend molecuulgewicht. Dergelijke verschillen zijn vaak het gevolg van de afbraak van polymeren en zijn vooral relevant in de context van recycling. Ook bij de productie van polymeren is het molecuulgewicht een belangrijke parameter bij de kwaliteitscontrole. Vaak wordt alleen de melt flow index (MFI) gemeten, terwijl kennis van het werkelijke molecuulgewicht (verdeling) een gedetailleerder beeld geeft. Ten slotte is bij de ontwikkeling van nieuwe polymeermaterialen de beoordeling van het molecuulgewicht een sleutelfactor voor het optimaliseren van synthese omstandigheden.

Het molecuulgewicht van veel conventionele polymeren kan gemakkelijk worden bepaald met een techniek die Size Exclusion Chromatography (SEC) wordt genoemd. Deze techniek scheidt opgeloste polymeermoleculen op basis van hun grootte door ze door een kolom met poreuze deeltjes te leiden. Terwijl de grotere moleculen de poriën niet kunnen binnendringen en daarom relatief snel uit de kolom elueren, komen de kleinere wel in de poriën van het kolommateriaal en ervaren dus een netto vertraging. Het uiteindelijke resultaat is een chromatogram, dat de hoeveelheid materiaal toont die uit de kolom elueert versus de elutietijd, waarbij de elutietijd omgekeerd evenredig is met het molecuulgewicht.

Een belangrijk probleem met SEC is het feit dat polymeren moeten worden opgelost in een geschikt oplosmiddel. Echter zijn niet alle polymeren hetzelfde en hun oplosbaarheid hangt sterk af van hun chemische aard en molecuulgewicht. Hoewel veel gangbare polymeren (bijvoorbeeld perspex of polystyreen) gemakkelijk worden opgelost in tetrahydrofuran (THF), hebben meer polaire materialen zoals polyamiden of sommige polyesters hexafluorisopropanol (HFIP) nodig voor volledige oplossing. Zelfs water (H₂O) kan het enige geschikte oplosmiddel zijn voor bepaalde polymeren. Aan de andere kant kan de industrieel belangrijke klasse van polyolefinen (bijv. polyethyleen, polypropyleen) alleen worden opgelost in een gechloreerd oplosmiddel en wordt de volledige SEC-analyse uitgevoerd bij 160 ° C!

Het is duidelijk dat elk type materiaal specifieke meetomstandigheden nodig heeft om het molecuulgewicht te bepalen. Bij PTG/e hebben we jarenlange ervaring met polymeren van uiteenlopende aard. Onze moderne SEC-apparatuur, die op verschillende oplosmiddelen werkt, stelt ons in staat om molecuulgewicht bepalingen van bijna elk polymeer materiaal uit te voeren, inclusief die waarvan bekend is dat ze 'moeilijk' op te lossen zijn.

Neem contact met ons op als u wilt weten of molecuulgewicht bepaling door SEC een baanbrekend inzicht kan geven in uw materiaal!

Een van onze klanten had ons benaderd om een probleem met een uit te harden kunststof op te lossen. De toepassing van dit product vereist een vlakke ondergrond. De kunststof wordt eerst op een Teflon-film gegoten, om vervolgens het platte oppervlak van deze films op het kunststofproduct te 'kopiëren'. Met het blote oog lijkt zo'n film inderdaad vlak, maar oppervlakteprofilering onthulde dat de film diepteverschillen heeft van 1-1,5 micrometer (zie figuur 1). Een siliciumwafer, een bekend vlak substraatmateriaal, vertoont diepteverschillen van slechts 30 nanometer (zie figuur 2). Het gebruik van deze siliciumwafer als substraat voor de uit te harde kunststof leidde tot de gewenste gladheid van het eindproduct. Daarom stelde oppervlakte profielmeting onze klant in staat om het juiste substraat voor hun product te kiezen.

Figuur 1: Oppervlakteprofiel van teflonfolie.

Figuur 2: Oppervlakteprofiel van het silicium (Si) wafer met een lijnprofielanalyse, aangegeven door het roze raster. Het lijnprofiel wordt weergegeven in de grafiek.

Een ander voorbeeld hieronder toont een microchip, die te vinden is in alledaagse apparaten zoals laptops of smartphones. Een gedetailleerd beeld van het complexe oppervlakteprofiel kan worden gebruikt om de chip te inspecteren op eventuele schade of verkeerde montage. De oppervlaktebeelden in figuur 3 werden verkregen door een optische oppervlakteprofiel meting.

Figuur 3: Oppervlakteprofiel in 2D en 3D van een microchip in gewone elektronica.

Met deze techniek kunnen oppervlakken snel en nauwkeurig worden geanalyseerd. Oppervlakteprofiel meting kan optisch gebeuren (optische profilometrie), waarbij licht wordt gebruikt om een oppervlak te verlichten. Het gereflecteerde licht wordt gedetecteerd en vertaald naar een 2D/3D profielbeeld. Profielmetingen kunnen echter ook fysiek worden uitgevoerd (stylus profilometrie), waarbij een stylus wordt gebruikt om een oppervlak af te tasten. Beide technieken zijn uiterst gevoelig en kunnen diepteverschillen van minder dan 1 nanometer meten. Welke techniek de voorkeur heeft, hangt af van het monsteroppervlak. Voor een zacht oppervlak kies je voor optische profilometrie, zodat het oppervlak niet verandert als resultaat van de meting. Als een oppervlak (bijna) al het licht absorbeert, heeft stylus profilometrie de voorkeur.

Bij PTG/e bieden we zowel optische als stylus profilometrie aan, elke techniek heeft zijn voor- en nadelen (die vaak kunnen worden gecompenseerd door de andere techniek). We overleggen, en beslissen altijd samen met onze klant, welke techniek geschikt is voor hen.

Bent u geïnteresseerd in optische en fysieke oppervlakteprofilering? Neem dan contact met ons op, we bespreken graag de mogelijkheden.
Contact