Inleiding

Composieten zijn samengesteld uit minstens twee materialen. Vezelversterkte kunststoffen (FRP), waarbij de vezels werden gedispergeerd in de matrix worden doorgaans gebruikt in structurele toepassingen.

De term “composiet” verwijst niet enkel naar vezelversterkte kunststoffen maar omvat een hele reeks materialen of producten (beton, keramiek, asfalt…) die uit verschillende componenten zijn samengesteld.

Vezelversterkte polymeermaterialen bestaan uit vezels, met een grote sterkte en modulus die worden verbonden met de matrix. De verschillende componenten kunnen een verschillende fysische en chemische aard hebben.

Centexbel-VKC studie over Vezelversterkte kunststoffen (2015-2016)

Eigenschappen

FRP bezitten uitstekende mechanische eigenschappen, zoals:

  • Impactweerstand
  • Sterkte
  • Stijfheid
  • Buigzaamheid
  • Dragend vermogen (weerstand tegen belasting)

Volgende mechanische testen worden typisch uitgevoerd op FRP:

  •  Afschuifstijfheid
  • Treksterkte
  • Flexibiliteitsmodulus
  • Impactweerstand

De mechanische eigenschappen van FRP’s worden beïnvloed door verschillende factoren:

  • Samenstelling van de matrix: chemische samenstelling, kristalliniteit, uitharding, aanwezigheid van additieven, enz.
  • Vezelsamenstelling (glas, koolstof, arimide) en -fijnheid
  • Textielstructuur: individuele vezels, continugarens (rovings), hybride textielproducten, vezelmatten, spinvlies (krimpvrije weefsels), gebreid of gevlochten 3D 
  • Vezelconcentratie
  • Vezellengte
  • Hechtingsgraad tussen matrix en vezel
  • Vezeloriëntatie
  • Temperatuur en vochtigheid

Invloed van sterktevezels op de eigenschappen van FRP’s

Door sterktevezels toe te voegen aan de matrix veranderen we niet enkel de sterkte van de FRP maar ook enkele andere eigenschappen:

Mechanisch gedrag

Verminderen van krimp en vervorming bij hoge temperaturen of van het kruipgedrag onder invloed van (continue) belasting.

Brandgedrag

Bepaalde sterktevezels, zoals glasvezels en basaltvezels, zijn van nature zeer goed bestand tegen brand en dus uiterst geschikt om het brandgedrag van kunststoffen te verbeteren.

Thermische en elektrische geleidbaarheid

Thermisch en elektrisch geleidende vezels (bv. koolstofvezels) zullen een invloed hebben op de intrinsiek goede isolerende eigenschappen van de meeste kunststoffen.

Koolstofvezels in panelen of structuren kunnen de detecteerbaarheid door radargolven veranderen (koolstofvezelversterkte kunststoffen (CRP’s) worden omwille van hun radartransparante eigenschappen toegepast in militaire vliegtuigen) en kunnen eveneens een Kooi van Faraday vormen rond gevoelige elektronische apparatuur.

De aanwezigheid van warmtegeleidende vezels (zoals koolstofvezels) versnelt het thermisch proces voor het vormen en uitharden van polymere systemen:

  • De thermische geleidbaarheid van de vezels verbetert de hittetransmissie in conventionele ovens naar en binnen de composietstructuur. 
  • Koolstofvezels capteren elektrische golven zodat inductieve verwarmingssystemen kunnen worden toegepast die de verwerkingstijd verminderen.

Thermische isolatie

De meeste kunststoffen en sterktevezels hebben geen tot slechte warmtegeleidende eigenschappen. De thermische isolatie-eigenschappen van FRP’s kunnen worden aangeprezen als een commerciële troef ten opzichte van materialen versterkt met metalen staven of kabels. De aanwezigheid van koudebruggen veroorzaakt immers veel warmteverlies.

Corrosieweerstand

In tegenstelling tot de meeste metalen versterkingsmaterialen (bv. gewapend beton), zijn de meeste versterkingsvezels en polymeermatrices niet onderhevig aan corrosie, wat hen bijzonder geschikt maakt in verschillende bouwtoepassingen (leidingen, reservoirs…).

Kleur en veroudering

De aard van de vezel bepaalt zowel de kleur (koolstofvezels zijn zwart en basaltvezels hebben een gouden kleur) als de weerstand tegen veroudering van het composietmateriaal.

Functionaliseerbaarheid

Vezelversterkte kunststoffen zijn eenvoudig te voorzien van bijkomende functionaliteiten via coaten, printen, lamineren, waardoor hun toepassingsmogelijkheden toenemen. Bovendien is het mogelijk slimme materialen en sensoren te integreren in FRP’s.
RFID en andere communicatiesystemen kunnen worden geïntegreerd via In-Mould Labelling technieken, wat de toepassingsmogelijkheden van FRP’s in nieuwe domeinen vergroot.

In een gedigitaliseerde wereld geleid door het "Internet of Things", zullen gefunctionaliseerde composieten een belangrijke rol spelen.

Duurzame FRP toepassingsdomeinen

Transport

Het transport van mensen en goederen maakt gebruik van verschillende middelen en producten, zoals:

  • infrastructuur: wegennet, fietspaden, vliegvelden, trein- en tramsporen, havens (maritiem en binnenscheepvaart), geluidsmuren…
  • transportmiddelen: auto’s, vrachtwagens, fietsen, bussen, treinen, trams, kabelliften, vliegtuigen, raketten…
  • communicatiemiddelen: signalisatiepanelen, verkeerslichten, GPS (satellieten)…
  • andere hulpmiddelen: containers, verpakking…

FRP’s zijn geschikte materialen om in de meeste van deze marktsegmenten te worden toegepast. Hun specifieke eigenschappen zoals lichtgewicht verminderen de milieu-impact van mobiliteit en transport. Het verminderen van het gewicht van de transportmiddelen resulteert in een belangrijke daling van het brandstofverbruik en de daarmee gepaard gaande CO2 uitstoot van auto’s, vrachtwagens en vliegtuigen. 

De grote vliegtuigbouwers hebben het gewicht van hun vliegtuigen al aanzienlijk verminderd door de metalen onderdelen te vervangen door koolstofvezelversterkte kunststoffen en andere composietmaterialen in zowel structurele als niet-structurele vliegtuigonderdelen.

Hoewel ook de automobielindustrie verschillende metalen niet-dragende auto-onderdelen heeft vervangen door FRP’s, is het totale gewicht van de doorsnee auto niet gedaald. Het inzetten van krachtigere motoren en aanbrengen van comfort- en veiligheidssystemen leidden integendeel tot een hoger gewicht van het eindproduct. Toch kunnen we stellen dat dankzij de FRP’s deze stijging binnen de perken bleef.

De grote uitdaging is niet beperkt tot de toepassing van structurele composieten in auto’s, maar omvat eveneens de ontwikkeling van “slimme” composietmaterialen die een hele reeks van elektrische, mechanische en elektronische functies kunnen overnemen die op dit ogenblik vooral worden geleverd door zware en complex samengestelde systemen.

Hernieuwbare energiesystemen

Om de huidige (westerse) levensstandaard te kunnen handhaven is het essentieel om te beschikken over voldoende en betaalbare energie. Verwarming, dagelijkse huishoudelijke activiteiten, mobiliteit, industriële productie, medische onderzoeken… zijn allemaal gebaseerd op een massaal verbruik van energie. Omdat dit energie-intensieve maatschappijmodel door steeds meer mensen wordt gedeeld, is de energievoorziening tot één van de belangrijkste maatschappelijke uitdagingen geworden.

Op dit ogenblik is onze energievoorziening nog steeds vooral gebaseerd op de exploitatie van eindige energiebronnen (fossiele brandstoffen, gas, kolen). Om zowel de energievoorziening op lange termijn te kunnen waarborgen en de milieu-impact en gezondheidsrisico’s te verminderen, is een massieve overschakeling op hernieuwbare energiebronnen en lage energieprocessen vereist.

 

Evolution of wind turbines' size and power

Windenergie

De windmolens van de jaren 1980 hadden een rotordiameter van ± 15 m en hadden een relatief klein vermogen (50 à 100kW). In 2013 hadden de windmolens een gemiddelde rotordiameter van ± 100 m en een vermogen van 2,5MW. Een windturbine met een vermogen van 2MW levert gemiddeld 4 miljoen kWh/jaar wat overeenkomt met het verbruik van ± 1300 huishoudens.

Het steeds groter worden van windturbines (meestal offshore) heeft uiteraard verschillende directe gevolgen:

  • Slechts een beperkt aantal bedrijven is in staat om deze zeer grote (meestal offshore) windturbines te produceren. De huidige Europese markt van offshore windenergie wordt gedomineerd door Vestas Wind Systems en Siemens Wind Power (samen realiseerden ze 90% van de geïnstalleerde windenergie). Andere bedrijven zijn REpower, Bard en Areva.
  • Door de toenemende afmetingen moet de glasvezelversterking worden aangevuld met koolstof- en armidevezelversterkingen en met meer performante kernmaterialen.
  • De productietechnieken (meer bepaald de infusie en prepreg technologieën) en infrastructuur moeten worden aangepast om de zeer lange wieken (met een lengte van meer dan 60m) op een economisch en ecologisch verantwoorde manier te produceren. Eén van de uitdagingen bestaat erin om “voids” (lege ruimten) te vermijden in grote oppervlakten en om de termosetharsen homogeen en snel uit te drogen.
  • Tenslotte vereisen het transport en de montage van deze lange wieken aangepaste procedures en werkmethodes.

Het gebruik (ontwikkeling) van FRP’s en kernmaterialen in functie van de toepassingsvereisten, is essentieel in de verdere ontwikkeling van rotoren en wieken.


Gewenste materiaalverbeteringen:

  1. Bescherming van de wiekstructuur en zijn mechanische eigenschappen tegen blikseminslagen door de integratie van elektrische geleiders in de molenwieken. Door bliksemschade vallen installaties uit verlaagt het rendement. Bepaalde installaties zijn voorzien van monitoringsystemen om het aantal blikseminslagen bij te houden. 
  2. Integratie van meetsystemen in het composietmateriaal om spanningen en impact te monitoren. In principe hebben windturbines een minimale levensduur van twintig jaar, waarin een gewenste opbrengst en een minimum aan onderhoudskosten worden verwacht.
  3. Detectiesystemen om heel snel schade aan componenten vast te stellen en de integratie van zelfherstellende systemen om automatisch de schade te herstellen.
  4. Onzichtbaarheid voor radargolven. De communicatie van commerciële en militaire vliegtuigen kan worden verstoord door windturbines. Het is een hele uitdaging om deze vereiste op een economisch verantwoorde manier te realiseren.

Zonne-energiesystemen

  • Zonnepanelen: PV (Photovoltaic panel) en PVT panelen (Photovoltaic Thermal panel) maken gebruik van zonnecellen om zonne-energie (straling) om te zetten in elektriciteit. In tegenstelling met een PV levert een PVT-paneel ook warmte.
  • Thermo-solaire stroomcentrales: door zonlicht te bundelen of te concentreren ontstaat hitte. Deze hitte wordt overgedragen op een vloeistof (thermische olie of water) waarmee stoom wordt gegenereerd. De stoom drijft een stoomturbine aan die elektriciteit opwekt. Dergelijke systemen zijn vooral geschikt voor toepassingen in Zuid-Europa en Noord-Afrika. 
  • Thermisch dak (zonneboilers): met de opgevangen zonnestralen wordt water verhit. Het water wordt rondgepompt via een warmtewisselaar en circulatiepomp. 

In de meeste van thans bestaande zonne-energiesystemen kunnen vezelversterkte composieten toegepast worden. PV, PVT panelen en zonneboilers kunnen in lichtgewicht FRP-profielen worden ingebouwd zodat het dak minder belast wordt. In de dragende composietstructuren kunnen thermisch isolerende schuimelementen worden ingewerkt voor een nog efficiëntere werking van de zonne-energiesystemen. 

Corrosievrije GRP-composieten zijn zeer geschikt voor zonneboilers. De leidingen en de opslagtanks in composietmateriaal zijn immers bestand tegen (zeer) warm en meestal corrosief water. 

Maritieme energie

De energie uit zeeën en oceanen wordt geoogst door

  • Getijdencentrales: Getijden zijn periodische variaties in de zwaartekracht uitgeoefend door hemellichamen (de maan) op de aarde. Deze krachten veroorzaken stromingen (bewegingen) in waterlopen, zeeën en oceanen, waardoor een massa water opzwelt en het zeeniveau tijdelijk stijgt (vloed) en daarna weer daalt (eb). Deze hoogteverschillen van het zeeniveau worden omgezet in elektriciteit.
  • Golfslagcentrales vangen de energie op die gegeneerd wordt door de wind die over het zeeoppervlak waait. Zolang de golven minder snel bewegen dan de windsnelheid net boven de golven, is er een energieoverdracht van de wind naar de golven. Zowel het verschil in luchtdruk tussen de boven- en benedenwindse zijde van de golven als de wrijving van de wind over het water, doen de golven aangroeien.
  • Ocean thermal energy conversion (OTEC): omzetting van de temperatuurverschillen van zeewater op verschillende dieptes in elektrische energie. 

Door de grote krachten die op zee heersen (stormen) en de inwerking van zeewater kunnen de drijvende (offshore) systemen beschadigd worden. Vezelversterkte polymeercomposieten zijn zowel sterker en beter bestand tegen corrosie dan staal en daarom zeer geschikt om toe te passen in dergelijke centrales, pijpleidingen, …

Duurzaam bouwen met FRP’s

Bouwconstructies hebben niet alleen betrekking op privé of openbare gebouwen maar ook op diverse infrastructuurwerken zoals viaducten, autowegen, bruggen, parkings, havens en pijpleidingen. De bouwmarkt is een belangrijk afzetgebied voor vezelversterkte kunststoffen, maar omdat composietmaterialen onvoldoende gekend zijn bij de bouwbedrijven en architecten, blijft het volume, de omzet en de toepassing van bepaalde composiettypes (GRP, CRP, WPC, …) beperkt. 

Dit is vooral te wijten aan het ontbreken van voldoende kennis over de voordelen van FRP’s, vooral op het vlak van duurzaamheid:

  • Minder CO2 uitstoot tijdens het transport dankzij het lichtgewicht van composieten
  • Gebruik van minder zware uitrusting (kranen, vrachtwagens, heftrucks…) tijdens het bouwen
  • Thermische isolatie-eigenschappen: lagere stookkosten
  • Vormvrijheid
  • Functionaliseerbaarheid
  • De weerstand tegen corrosie en rotten en de daarmee gepaard gaande energiekosten tijdens productie, transport, installatie, onderhoud en de hogere levensduur zijn belangrijke voordelen van FRP’s ten opzichte van conventionele bouwmaterialen (versterkt beton, staal, hout….).
LCA study FRP vs Concrete

Duurzaamheid is een populair en belangrijk onderwerp waarmee ontwerpers, bouwfirma’s en opdrachtgevers worden geconfronteerd. Bovendien is het een zeer complex thema. Uit recente ontwikkelingen bleek dat programma’s zoals LEEDS assessments niet steeds de correcte resultaten opleveren voor het selecteren van materialen en bouwstrategieën. Een beter resultaat wordt gegarandeerd door de Life Cycle Analysis of LCA, waarbij de volledige milieu-impact van een materiaal (cradle to grave) in kaart wordt gebracht en vergeleken met een alternatief. Deze oefening is ingewikkeld en verschillend per project. Het meten van alle factoren is doorgaans te hoog gegrepen voor de meeste conventionele bouwprojecten.

Bron: Kreysler & Associates

Opportuniteiten voor innovatieve FRP’s voor de bouwmarkt:

  • Parkingvloer met een geïncorporeerd draadloos inductielaadsysteem voor elektrische wagens: een gebruiksvriendelijke methode om de batterijen van een auto op te laden gebaseerd op inductieve energietransfer. De vloerbekleding boven het inductieve laadsysteem mag de energie-overdracht niet hinderen en daarom geen conductoren bevatten. Koolstofvezel- (en glasvezel-) versterkte betonvloeren of wegdekken bleken alvast heel goed te functioneren.
  • Inductieve energietransfer kan ook gebruikt worden om batterijloze automatisch bestuurde voertuigen (automated guided vehicle (AGV) systems) aan te drijven, waardoor bedrijven niet langer hoeven te beschikken over acculaadstations. De energie die nodig is om deze transportmiddelen aan te drijven wordt geleverd door inductieve energietransfersystemen die in de FRP vloerbedekking zijn ingebed.
  • EMI-shielding door de integratie van flinterdunne geleidende FRP panelen (op basis van koolstofvezels) in bouwelementen (muren, plafonds, vloeren).
  • Energieopslagmaterialen door zowel geleidende als isolerende FRP’s te combineren. Dit principe wordt al toegepast door Volvo om de auto te gebruiken als batterij. Het systeem kan ook worden toegepast om de energie op te slaan van zonnecellen in FRP muur- en plafondpanelen.
  • Gecoëxtrudeerde muur- en plafondprofielen met elektrische geleidende koolstofvezelversterkte kunststoffen (aan de binnenkant) en elektrisch isolerende kunststoffen (aan de buitenkant). Dit systeem maakt het mogelijk verschillende elektrische systemen in één en hetzelfde profiel aan te brengen en aan te sluiten.
  • Groen bouwen
  • CF FRP wrapping technologie voor het herstellen en verbeteren van bestaande infrastructuurwerken (bruggen, viaducten en spoorlijnen) aan lagere prijzen. 
  • Renovatie met verbeterd brandgedrag
  • Integratie van slimme materialen
    • PCM: energieopslag en -vrijstelling op basis van faseveranderingsmaterialen
    • geleidende polymeren (bv. in zonnepanelen)
    • zelfreinigende, zelfontdooiende en zelfherstellende FRP muurbekleding
    • FRP coatings met sensors

FRP’s in de zorgsector

Sterkte, lichtgewicht en aangepaste vormgeving zijn eigenschappen van FRP-materialen zijn belangrijke troeven in de ontwikkeling en de productie van assistieve hulpmiddelen. De groei van dit toepassingsdomein hangt nauw samen met de vergrijzing van de westerse samenleving. Om de zorgkosten onder controle te houden is het belangrijk dat oudere mensen zolang mogelijk thuis blijven wonen. Dit vereist echter passende hulpmiddelen die een antwoord bieden op hun noden op het vlak van mobiliteit, communicatie, verzorging, … 

Dankzij het vervangen van metalen componenten door koolstofvezelversterkte kunststoffen kan het gewicht dalen van zowel heel eenvoudige (brilmonturen, wandelstokken…) als zeer complexe hulpmiddelen (rolstoelen, rollators, wandelrobots…). Dankzij het verlagen van het gewicht en het behoud van de sterkte wordt het gebruik (opvouwen, stockeren, verplaatsen) sterk vereenvoudigd. 

Het ontwerp van assistieve toestellen, vooral van die gebruikt tijdens de zorgactiviteiten, moeten aangepast kunnen worden aan de individuele noden op het vlak van comfort en ergonomie.

Eén van de belangrijkste uitdagingen in de zorgsector blijft de betaalbaarheid van de hulpmiddelen.

Recyclage en valorisatie

FRP’s zijn doorgaans moeilijk te recycleren als gevolg van hun samengestelde natuur uit verschillende (vaak niet compatibele) componenten: vezelversterking, hars en vulmaterialen (zoals calciumcarbonaat, CaCO3). Hoewel er verschillende recycling technologieën bestaan, blijken ze weinig economisch rendabel. In vele gevallen is de prijs voor grondstoffen uit gerecycleerde composieten hoger dan de prijs voor virgin versterkings- en vulmaterialen.

Het recycleren van thermoset FRP’s is bijzonder moeilijk omdat het onmogelijk is de gecrosslinkte matrixmoleculen opnieuw te smelten en te vormen. Thermoplasten, daarentegen, zijn inherent recycleerbaar. Bovendien is de monetaire waarde van materiaalcomponenten uit bv. gerecycleerde glasvezelversterkte kunststoffen te laag om aan te sporen tot recyclage.

FRP afvalstromen bestaan uit Post production (bv. productie-uitval) en Post consumer afval (EOL of afgedankte, defecte producten en materialen).
Omdat FRP-producten of bouwconstructies een vrij lange levensduur hebben (de levensduur van windmolens wordt geraamd op ± 25 jaar, bouwconstructies > 50 jaar, vliegtuigen > 30 jaar) - met de noodzakelijke uitzonderingen op die regel, zoals voertuigen (+/- 10 jaar), sportartikelen ( +/- 5 jaar), E+E (minder dan 5 jaar) - komen slechts kleine FRP-EOL-afvalstromen vrij voor recyclage en valorisatie. Zelfs als men alle afgedankte FRP-producten selectief zou kunnen verzamelen blijft de huidige hoeveelheid EOL-afval vrij gering. Bovendien worden veel FRP-producten gemonteerd of verwerkt in voertuigen, apparaten, installaties, constructies, … wat het selectief inzamelen van FRP-producten niet evident maakt. Tenslotte zijn veel FRP-producten visueel niet te onderscheiden van niet-vezelversterkte kunststoffen. 

De Europese wetgeving stuurt aan op het recycleren van zowel PP als PC FRP afvalstromen met de nadruk op:

recycling and valorisation scheme of FRPs

FRP recyclage en valorisatiepistes

Uitdagingen en opportuniteiten

De recyclage van gewone FRP’s met de bestaande recyclingtechnieken is pas economisch haalbaar wanneer voldoende grote hoeveelheden verwerkt kunnen worden.

Het verhaal van koolstofvezel (CF) versterkte polymere composieten is totaal verschillend.  De bestaande technologieën kunnen waardevolle koolstofvezels (RCF – gerecycleerde koolstofvezels) uit CFRP-producten produceren met een kwaliteit die beantwoordt aan de vereisten van de toeleveranciers aan de automobielsector en die ingezet kunnen in de productie van vezelversterkte thermoplasten en thermosets.

Compatibilisatoren

Compatibilisatoren zorgen ervoor dat polymeren die normaal gesproken niet met elkaar vermengd kunnen worden toch hechten en zelfs tot verbeterde eigenschappen kunnen leiden in vergelijking met het afzonderlijke polymeer.

De recyclage-industrie exploreert steeds vaker het gebruik van compatibilisatoren om waarde te creëren uit sterk gemengde afvalstromen. 

Compatibilisatoren hebben een hybride karakter; een deel ervan is compatibel met substantie A en een ander deel is compatibel met substantie B. het compatibel maken steunt op fysicochemische interacties van deze substanties met het hybride materiaal.