Biofillers voor coatingtoepassingen

Microkristallijne cellulose

Microkristallijne cellulose is een andere naam voor zeer fijn houtpulp. Het wordt geleverd in zeer kleine deeltjesformaten, en vorm en structuur kunnen variëren per leverancier. Het is een ideale vulstof voor biogebaseerde coatings omdat het bij relatief hoge concentraties kan worden toegevoegd zonder de viscositeit sterk te beïnvloeden. Tot 15% microkristallijne cellulose in watergedragen coatings is mogelijk. Een groot voordeel bij decoratieve coatings is de witte kleur, die het toelaat elke gewenste kleur te bekomen. Deeltjes tot 15 µm zijn beschikbaar, waardoor dit product inzetbaar is in de meeste coatingtoepassingen.

Afbeelding: microkristallijne cellulose wordt door de fabrikant voorgezeefd tot 15µm. Het fijne witte poeder is daarom geschikt voor veel coatingtoepassingen.

Kurk is een bekend natuurlijk materiaal dat veel wordt gebruikt voor afdichting (zoals flessenkurken) of omwille van zijn lichte gewicht (zoals drijfmiddelen). Chemisch gezien is kurk bijzonder: het bestaat voornamelijk uit suberine, een vetzuurafgeleide, en is dus sterk hydrofoob. Onder de microscoop ziet kurk eruit als grote cellen met zeer dunne wanden – een soort natuurlijk gesloten celschuim. Door zijn elasticiteit is kurk moeilijk tot fijn poeder te malen. Een belangrijke bron van fijn kurkstof is echter het polijsten van flessenkurken. Dit stof, doorgaans verbrand bij gebrek aan toepassingen, is goedkoop en verkrijgbaar bij diverse leveranciers. Een nadeel is de relatief grote deeltjesgrootte, waardoor zeven voor gebruik noodzakelijk is.

SEM (elektronenmicroscopie) toont aan dat de uitzonderlijke lichtheid van kurk te wijten is aan de grote open cellen met zeer dunne wanden.

Polyhydroxyalkanoaten (PHA’s) zijn een groep polymeren geproduceerd door bacteriën. Wanneer bacteriën een overmaat aan koolstofbronnen hebben (zoals suikers of vetten), maar onvoldoende voedingsstoffen om te groeien, slaan ze de koolstof op in hun vacuolen als PHA. Deze thermoplastische korrels degraderen snel tot compost. Binnen deze familie is PHBV een veelgebruikt type dat door zijn fijne poedervorm commercieel wordt verkocht als matteringsadditief of vulstof.

Afbeelding: Deze bijzonder kleine bolvormige deeltjes worden gemaakt in bacteriën. PHBV is ook commercieel verkrijgbaar in een gemicroniseerde vorm, maar kan ook worden gebruikt voor thermoplastische verwerking.

Zetmeel is een voor de hand liggende keuze als biogebaseerde vulstof. Het wordt door veel planten geproduceerd als opslagpolymeer en bestaat uit glucoseketens (polysachariden). In tegenstelling tot sommige andere polysachariden lost zetmeel echter niet op in koud water of polymeren. Het is een wit poeder, geschikt voor het mengen met kleur. Zetmeel kan echter degraderen en bruine of verbrande tinten veroorzaken. Er zijn grote verschillen tussen zetmelen uit maïs, tarwe, rijst, aardappel en tapioca, en hun geschiktheid hangt af van dispersie, deeltjesgrootte en chemische compatibiliteit. Zetmeel is biologisch afbreekbaar en gevoelig voor hydrolyse, en is daarom minder geschikt voor duurzame coatings.

Afbeelding: aardappelzetmeelpartikels 

Humuszuren zijn 100% natuurlijke moleculen die ontstaan door de afbraak van bladeren, takken en hout in natuurlijke wateren zoals rivieren, meren en zeeën. Ze worden in sommige drinkwaterzuiveringsprocessen verwijderd omdat ze het water een (onschadelijke) gele kleur geven. Humuszuren zijn verkrijgbaar als bruine vloeistof of als poeder. Ze lossen op in water maar vormen neerslagen met bepaalde verbindingen (zoals metalen). Daarom moet compatibiliteit getest worden. Bij hogere concentraties kleuren ze bruin. Omdat ze bijproducten zijn van waterzuivering, kunnen ze nuttig zijn als biogebaseerde vulstof met mogelijk UV-beschermende of antimicrobiële eigenschappen.

Afbeelding: holle bolvormige deeltjes gevormd tijdens het sproeidrogen van humuszuurconcentraten

Houtstof is waarschijnlijk de meest voor de hand liggende biogebaseerde vulstof. Het wordt steeds vaker toegepast in WPC (wood plastic composites), maar ook in andere toepassingen. Het is verkrijgbaar in verschillende deeltjesgroottes en kan worden verkregen bij lokale schrijnwerkers (zeven is noodzakelijk). Chemisch bestaat hout uit drie polymeren: cellulose (50%), hemicellulose (25%) en lignine (20%). Een nadeel is dat houtstof veel water of oplosmiddel opneemt, waardoor slechts beperkte hoeveelheden in coatings kunnen worden gebruikt. Het kan echter wel zorgen voor aantrekkelijke visuele effecten.

Hydroxyapatiet (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) is een mineraal bestaande uit calcium en fosfaat, een nevenproduct van gelatineproductie. Door zijn hoge fosforgehalte wordt het vaak gebruikt als meststof of toevoeging aan diervoeder. Het komt van nature voor in onze botten. Het wordt geleverd als grof poeder dat gezeefd kan worden voor coatingtoepassingen. Let op: dit product is niet geschikt voor vegetarische/veganistische producten en is mogelijk niet halal.

Lignine is één van de drie hoofdbestanddelen van hout, samen met cellulose en hemicellulose. Het is een hydrofoob materiaal dat als een soort waterafstotende lijm in planten werkt. Tijdens papierproductie wordt het afgebroken in basische of zure oplossingen tot lignosulfonaten. Lignine zelf wordt zelden als vulstof gebruikt, maar afgeleiden ervan wel (zoals teervormen, vloeistoffen of poeders). Het wordt bijvoorbeeld toegepast in asfalt of waterdichte membranen. In academische literatuur wordt het ook genoemd als mogelijk vlamvertragend vulmiddel, al is dat twijfelachtig. Het is bruin tot zwart van kleur en heeft een kenmerkende geur. Dankzij zijn biogebaseerde, biodegradeerbare en overvloedige aard is het een interessante vulstof voor coatings.

Struviet is een mineraalproduct dat ontstaat bij de zuivering van afvalwater met veel fosfaat en ammonium. Tijdens dit proces slaan de fosfaten en ammonium neer tot kristallen met de chemische formule NH₄MgPO₄·6H₂O. Bronnen zijn onder andere waterzuiveringsinstallaties voor aardappelschillen of mest. Struvietdeeltjes zijn relatief groot en daardoor moeilijk verwerkbaar in dunne coatings.

Afbeelding: deze zeer grote vergroting van een struvietdeeltje toont barsten en minerale vormen van struviet.