Sterkere vezels dankzij dwarsverbindingen

Aramidevezels, bekend van toepassingen in bijvoorbeeld kogelvrije vesten en autobanden, bestaan uit polymeerketens die onderling dwarsverbindingen vormen met waterstofbruggen. Door een bijna perfecte uitlijning van de polymeerketens hebben aramidevezels een hoge treksterkte. Nadeel is de middelmatige sterkte onder compressiebelastingen vergeleken met koolstof- of glasvezels. Dit beperkt grootschalige toepassing in bijvoorbeeld de vliegtuigindustrie. Simpel gezegd: als de drukkrachten in de vezelrichting liggen, zijn aramidevezels minder sterk.
Eén van de denkrichtingen om dit probleem op te lossen is om naast de aanwezige waterstofbruggen extra (covalente) bindingen tussen de moleculen aan te brengen. Die zijn sterker. Dat zou moeten gebeuren door aan de polymeren eindgroepen toe te voegen, die zich na het spinnen van de vezels als een soort moleculaire klemmetjes vasthechten aan naburig polymeerketens.
“Uit de literatuur hebben we een stuk of twintig potentieel interessante eindgroepen geselecteerd”, vertelt ir. Alwin Knijnenberg, die volgende week bij Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek promoveert op een manier om de compressiesterkte van aramide te verbeteren. “Een aantal daarvan kun je zo kopen, andere hebben we zelf gemaakt. Die hebben we gekoppeld aan de componenten waar aramidevezels van gemaakt worden.”
Aramidepolymeren worden tijdens het vezelspinproces opgelost in zwavelzuur en tot 85 graden verhit. Eindgroepen die daar niet tegen konden, vielen af. Zo hield Knijnenberg twee veelbelovende groepen over, die hij inbouwde in oligomeren, korte aramideketens (in contrast tot de lange polymeerketens die voor de sterkte van de vezels in de lengterichting zorgen). Ook die werden weer aan allerlei onderzoeken onderworpen om te kijken of de eigenschappen overeenkwamen met de verwachtingen. Dat bleek het geval.
Knijnenberg: “Toen hebben we verschillende mixen gemaakt door het variëren van de verhouding tussen polymeren en oligomeren. Bij meer oligomeren krijg je namelijk wel meer dwarsverbindingen, maar je loopt het risico dat de treksterkte minder wordt. Zo’n mix is vervolgens opgelost in zwavelzuur en vanuit de resulterende spinoplossing zijn uiteindelijk via bestaande processen vezels gesponnen.”
Het resultaat was een grote collectie vezels met verschillende verhoudingen oligomeren en polymeren. Ter referentie werden daar de mechanische eigenschappen en kristallijne structuur van vastgesteld voordat de finale processtap volgde: een thermische nabehandeling, die de eindgroepen moest activeren, zodat zij sterke dwarsverbindingen zouden gaan vormen.
Een aanzienlijk deel van Knijnenbergs tijd ging zitten in ingenieus meetwerk dat moest aantonen of de resulterende vezels nou echt sterker waren onder compressiebelasting. Eén methode legt een microscopisch kleine vezel in een lus. Als je die lus aan de uiteinden aantrekt, ontstaat aan de binnenkant ervan een drukspanning. Op een gegeven moment knikt de lus – een teken dat de kritische grens voor drukbelasting bereikt is. Een andere methode staat bekend als Ramanspectroscopie, waarbij een laser spanningen in de vezel op moleculair niveau meet. Beide methoden leverden informatie op over compressievervorming op zowel macroscopisch als moleculair niveau.
“Verbazingwekkend genoeg blijk je twintig procent – het maximum dat we testten – oligomeren aan de mix toe te kunnen voegen zonder noemenswaardige gevolgen voor de trekeigenschappen”, vertelt Knijnenberg. “De treksterkte neemt wel af door de hittebehandeling. Het soort eindgroep lijkt op dit moment niet zo belangrijk te zijn en de compressie-eigenschappen verbeteren significant na het uitvoeren van de hittebehandeling.
Missie geslaagd zou je zeggen, ware het niet dat het controlemateriaal, zonder oligomeren erin, bijna dezelfde verandering van eigenschappen toonde na de hittebehandeling. Misschien is het aantal vervangen waterstofbruggen naar verhouding zo gering dat het effect nauwelijks meetbaar is, en moet het percentage oligomeren in de mix verder omhoog. Belangstellenden kunnen na afloop van Knijnenbergs promotie op 27 maart mee zoeken naar nieuwe onderzoeksrichtingen tijdens een symposium over recente ontwikkelingen op het gebied van hoogwaardige vezels en vezelversterkte composiet materialen.

,,Laga kan niet veel meer doen voor de TU dan goede roeiprestaties leveren en blikken halen. Met die gedachte in het achterhoofd is het contract met de universiteit opgesteld.” De president van de Delftsche Studenten Roeivereeniging Laga, Hilko Hakvoort, neemt ondanks de extreme zomerse hitte nog een hap van de stamppot-met-rookworst en leunt tevreden kauwend achterover.

Drie weken geleden ondertekende hij met collegevoorzitter De Voogd een ‘overeenkomst van lening’. Daarin is geregeld dat Laga eigenaar wordt van de grond aan de Nieuwelaan, waarop de roeivereniging nu al huist. Laga betaalt daarvoor ruim een ton. Of toch niet?

De vindingrijkheid van de Delftse studenten beperkt zich niet tot technische aangelegenheden, zo blijkt. Bij het opstellen van het contract kwam Laga met het lumineuze idee om korting te bedingen op de koopsom van de grond door het leveren van goede roeiprestaties. Een soort prestatiebeloning dus.

Hakvoort: ,,Het idee is dat Laga zichzelf verplicht tot het leveren van topprestaties. Die prestaties werken positief voor de naamsbekendheid en het imago van de TU. In ruil daarvoor krijgt Laga gedeeltelijke of gehele kwijtschelding van het jaarlijkse aflossingsbedrag van 5400 gulden.”

Daar had de TU wel oren naar. Maar wie bepaalt wat goede prestaties zijn? Zeker in de roeiwereld blijkt dit begrip vaak betrekkelijk en geeft altijd aanleiding tot onenigheid. President Hakvoort wuift dat bezwaar weg: ,,De overeenkomst bevat een aantal concrete wedstrijden en criteria op grond waarvan de bonus behaald kan worden. Wij hebben zelf enkele suggesties gedaan, en de universiteit ook. Wie er binnen de TU zoveel verstand heeft van roeien weet ik niet, maar de eisen zijn reëel. Ik heb eens gehoord dat de broer van De Voogd wel kijk heeft op roeien. Misschien zit die er achter.”

De Delftse corps-roeiers kunnen ‘hun grond’ verdienen door medailles te behalen op wereldkampioenschappen of Olympische Spelen, of door minstens drie nationale titels te behalen. Verder verplicht Laga zich elk jaar tot het organiseren van een wedstrijd tussen Delftse en Leidse roeiers. ,,Je zou een grote plattegrond van ons terrein kunnen maken en alle buitgemaakte oppervlaktes onder naamsvermelding kunnen inkleuren. Op grond van de historie van Laga verwacht ik dat we ongeveer de helft van de grond terug kunnen winnen. Dat betekent ruim vijftigduizend gulden. En daar kun je een paar leuke boten voor kopen”, aldus Hakvoort.

Ook het winnen van de prestigieuze Varsity kan behoorlijk opleveren. Winst van de Oude Vier leidt tot kwijtschelding van het gehele jaarlijkse aflossingsbedrag. Hakvoort: ,,Dit jaar werden we tweede achter Nereus, maar de strijd was niet fair. Die roeiers van Nereus waren al lang geen studenten meer. Volgend jaar hebben we meer kans.” Maar hebben de Oude Vier-roeiers van Laga dan inmiddels hun studie niet afgerond? Hakvoort neemt nog een slok bier. ,,Dat kan inderdaad eenprobleem worden. Die jongens moeten er voor zorgen dat ze niet te snel afstuderen.”