Nieuws

Prof.dr. Piet Lemstra, mede-ontwikkelaar supersterke Dyneema-vezel

De supersterke kunststofvezel kent een lange voorgeschiedenis. In 1907 stopt de Belg Leo Baekeland (1863–1944) tijdens experimenten aan de Universiteit van Gent fenol en formaldehyde bij elkaar in een potje. Dat levert zwarte prut op. Zijn hoogleraar zegt dat hij daar niets mee kan.

Baekeland gaat naar de Verenigde Staten en experimenteert verder in zijn garage. Puur empirisch ontwikkelt hij bakeliet, de eerste synthetische polymeer, en richt de Bakelite Company op. Niemand snapt hoe het werkt.

In 1920 zet de Duitser Hermann Staudinger (1881–1965) de volgende stap. Hij bedenkt het concept van lange ketenmoleculen (polymeren), opgebouwd door het chemisch aan elkaar schakelen van laag-moleculaire bouwstenen (monomeren). Piet Lemstra: ‘Niemand geloofde hem, hij werd zelfs belachelijk gemaakt’. Niettemin krijgt hij de Nobelprijs voor de chemie, maar wel pas in 1953.

Weer een stap verder is de ontwikkeling in 1935 van nylon, door Wallace Carothers (1896 – 1937) van Dupont. Hij bewijst daarmee dat het concept van Staudinger klopt. Ook ontdekken chemici bij ICI in 1933 dat etheen (een gas) kan polymeriseren tot polyetheen (pe). De Amsterdamse hoogleraar Michels speelt daar nog een belangrijke rol bij.

 

GigaPascal

Pas na de Tweede Wereldoorlog komt de kunststoffenindustrie goed van de grond. Eerst nog langzaam, want plastics hebben in die tijd een slechte naam. ‘Made in Hongkong’ is de gangbare term voor slechte kwaliteit plastic speelgoed. Zonder veel kennis worden glas en metaal vervangen door kunststoffen.

Pas als die kennis toeneemt beginnen plastics aan hun grote opmars. Dat kan omdat ze goedkoop zijn, isoleren, niet roesten en er gemakkelijk en snel complexe vormen van te maken zijn. Pers gesmolten kunststofkorrels door een gaatje en er ontstaat een vezel, pers het door een ring en er ontstaat een buis, en duw het in een driedimensionale vorm – een matrijs – en er komt een bierkrat of tuinstoel uit. Lemstra: ‘Simpel en snel: opwarmen, vormgeven en afkoelen’.

Staudinger denkt oorspronkelijk dat polymeermoleculen qua vorm rechte staafjes zijn. Al snel blijkt echter dat een gesmolten polymeer op een kluwen spaghetti lijkt, lange ketenmoleculen die onderling met elkaar zijn verstrengeld.

In 1960 berekent de Engelsman David Treloar dat één gestrekt polyetheenmolecuul een modulus – stijfheid – heeft van 160 Gigapascal (GPa). Lemstra: ‘Bijna gelijk aan staal! Dat is de trigger om te zoeken naar methoden om moleculen uit te lijnen, te verstrekken’.

 

Potlood

De volgende twintig jaar richten onderzoekers zich op het verstrekken van moleculen, met polyetheen als modelstof omdat het het meest simpele polymeer is. Dat lukt echter niet zo goed. Lemstra: ‘De typische ingenieursaanpak is om een gesmolten polymeer met hoge snelheid door gaatjes – capillairen – te persen, maar de verstrengelde spaghetti moleculen laten zich niet verstrekken’.

Bij Du Pont start men daarom in de jaren zestig met het maken van starre polymeermoleculen, ‘potloodmoleculen’, te vergelijken met ongekookte spaghetti, die niet met elkaar verward kunnen raken. Dit resulteert in de supersterke– op gewichtsbasis sterker dan staal – aramidevezels (Kevlar van Du Pont en Twaron van Teijin, voorheen Akzo).

In de jaren zeventig komt de doorbraak voor wat betreft het uitlijnen van polyetheen. Aan de Rijksuniversiteit Groningen laat promovendus Arie Zwijnenburg zich door hoogleraar Albert Pennings inspireren en kruipt wekenlang in een zuurkast om draden te vissen uit een met paraffine verdunde oplossing van polyetheen. In zo’n verdunde oplossing zijn de moleculen weinig met elkaar verstrengeld.

Het lukt Zwijnenburg om heel langzaam, centimeters per minuut, een polyetheen-draad uit de oplossing te trekken. Deze draad, waarin de moleculen zijn verstrekt, heeft een stijfheid van meer dan 100 GPa. Lemstra: ‘Bingo, Treloar had gelijk!’ Maar de hamvraag is op dat moment hoe daar een industrieel proces van te maken.

 

Gel

In 1979 pakken Paul Smith, leerling van Pennings, en Piet Lemstra dit onderzoek op bij DSM. Lemstra, studievriend van Smith in Groningen, is daarvóór postdoc geweest bij professor Keller in Bristol, waar hij werkt met polymere gels. Een gel is een gestolde polymeeroplossing met eigenschappen tussen een vaste stof en een vloeistof, zoals gelatine-pudding.

Smith drukt een oplossing van hoogmoleculair polyetheen met decaline door een capillair en vangt de gesponnen draden op in water. De natte draden, bestaande uit slechts 1% polyetheen en 99% decaline, stollen tot geldraden. Vervolgens worden deze kleverige draden heet verstrekt, waarbij het decaline deels verdampt en deels uitzweet. Lemstra: ‘Het resultaat was direct verbluffend, vezels met een sterkte van 3 GPa en een stijfheid van meer dan 100 GPa, vergelijkbaar met de vezel van Zwijnenburg en Pennings’.

De verklaring lijkt triviaal. In de natte geldraden fungeren de decaline-moleculen als smeermiddel bij het verstrekken. Opschalen lijkt ook geen probleem want verspinnen uit oplossing is een standaardproces, zoals ook toegepast bij acrylvezels. Lemstra: ’Daarmee was het DSM-gelspinnen geboren’.

Door toeval doen ze nog een ontdekking. Op een vrijdagavond laten ze de natte geldraden op tafel liggen (tegenwoordig zou dat niet meer mogen vanwege de arbowet).

Lemstra: ‘Als we na het weekend ’s maandags terugkeren zijn de draden volledig uitgedroogd. Deze droge draden blijken net zo goed verstrekbaar als de natte geldraden. We begrepen de clou: je moet blijkbaar de lange moleculen uit elkaar halen, ontstrengelen. Dat gebeurt in een verdunde oplossing. Als je dan het oplosmiddel laat verdampen kruipen de moleculen weer tegen elkaar aan, maar niet echt ín elkaar. Je behoudt dus een verzameling ontstrengelde moleculen en als je daar aan gaat trekken laten ze zich gemakkelijk uitlijnen.’

‘Dat was het mooiste moment van mijn leven, toen we begrepen hoe we de moleculen konden uitlijnen. Achteraf is het zó simpel.’

Het dieptepunt van het hele project volgt echter bij de opschaling van het proces. Dat lukt namelijk helemaal niet. Met name het oplossen van het polyetheen is een probleem. Uiteindelijk slaagt Han Meijer van het DSM-lab (nu hoogleraar TU Eindhoven) erin om het polymeer op te lossen in extruders.

Lemstra: ‘Dat liep meteen als een scheet’.

Polyetheen heeft een soortelijk gewicht lichter dan water. Sleepkabels van supersterk polyetheen blijven drijven, een voordeel bij reddingsacties. Polyetheenvezels kunnen zeer veel energie opnemen, daarom kan het worden toegepast in kogelvrije vesten en cockpitdeuren. Een nadeel van het materiaal is dat het kruip vertoont, een langzame verstrekking tijdens het gebruik waardoor het verzwakt.

Lemstra: ‘Bij DSM vond men het allemaal wel mooi, maar het is geen vezelfirma. Wel hadden wij voortdurend de steun van het hoofd van het lab, Ron Koningsveld. Na publicaties toonden andere firma’s, waaronder Toyoba en Allied, belangstelling. Zij wilden licenties op onze octrooien. Daarbij werden bedragen genoemd die de interesse van de DSM-leiding wekten. Nu heeft DSM Dyneema-fabrieken in Heerlen en Amerika, en produceren Toyoba en Honeywell (voorheen Allied Signal) de vezel in licentie.’

 

Erkenning

Lemstra vindt zichzelf eigenlijk niet passen in de reeks Nieuwe Helden. Hij wil niet als held te boek staan. Hij wijst er met nadruk op dat de ontwikkeling van Dyneema teamwerk is geweest, en dat hij en Smith hebben voortgebouwd op het werk van anderen. Smith werkt momenteel als hoogleraar bij de ETH Zürich.

De echte held is volgens hem Zwijnenburg. ‘Wekenlang heeft hij in een zuurkast polymeerdraden uit een paraffineoplossing getrokken. Soms ging hij daar ’s nachts mee door, want hij mocht niet stoppen, dan brak het draadje. Zwijnenburg, nu milieuambtenaar in de provincie Drente, heeft absoluut niet de erkenning gekregen die hij verdient.’

Deel deze pagina

Maritiem Nederland

Maritiem Nederland is een magazine, website en nieuwsbrief met alle relevante en interessante ontwikkelingen binnen het maritieme cluster. Met interviews, opmerkelijke reportages, portretten en columns.
Meer informatie over Maritiem Nederland

Damen

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu GRATIS 2 proefnummers TW

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!

Vision & Robotics

Vision & Robotics is hét onafhankelijke vakblad voor machinebouwers, system integrators en eindgebruikers van productielijnen in de maak- en agro-/foodindustrie. 

Graag meer lezen over onderwerpen zoals robotica, sensoren, kunstmatige intellegentie en nog veel meer klik hier

Vision & Robotics heeft ook een nieuwsbrief! klik hier om je in te schrijven.

TW online gratis voor jongeren

TW Investeert in technisch onderwijs

Leerlingen tot 18 jaar lezen gratis TW. Meld je aan en ontvang 24 online edities per jaar geheel gratis!

Naar boven