IM20186NL

Nummer 6 2018

Dutch Design Week 2018 3D-gebreide schaalgebouw Re-printing architectural heritage Alkali Activated Material Hergebruik van fijne fractie uit beton

EEN

UITGAVE

VAN

SJP

UITGEVERS

INHOUD Innovatieve Materialen is een vaktijdschrift over ontwikkelingen op het gebied schrift gericht op de civieltechnische sector en bouw. Het bericht over ontwikvan duurzame, innovatieve materialen kelingen op het gebied van duurzame, inen/of de toepassing daarvan in bijzondenovatieve materialen en/of de toepassing re constructies. daarvan in bijzondere constructies.

Innovatieve Materialen werkt nauw samen met Stichting MaterialDesign Innovatieve Materialen is een uitgave van Civiele Techniek, onafhankelijk vaktijdUitgeverij schrift voor civieltechnisch SJP Uitgevers ingenieurs werkzaam in de grond-, weg- en waterbouw en verkeerstechniek.

Postbus 861 4200 AWopen Gorinchem De redactie staat voor bijdragen tel. (0183) 66 daartoe 08 08 contact van vakgenoten.

U kunt e-mail:opnemen info@innovatievematerialen.nl met de redactie. www.innovatievematerialen.nl

1 Berichten 10 Make It Matter 12 Dutch Design Week 2018

Elk jaar in oktober vindt in Eindhoven de Dutch Design Week (DDW) plaats. Het grootste designevenement van Noord-Europa presenteerde tussen 20 en 29 oktober het werk van ruim 2600 ontwerpers. Dit jaar vonden 355.000 bezoekers uit binnenen buitenland hun weg naar Eindhoven waar verspreid over locaties door de hele stad niet alleen presentaties waren gefaciliteerd, maar ook tentoonstellingen, lezingen, prijsuitreikingen, netwerkbijeenkomsten, debatten en festiviteiten. Dit jaar veel aandacht voor materiaal innovaties, 3D-geprinte materialen en objecten, biomaterialen en circulariteit. Een greep uit het aanbod.

26 3D-gebreide schaalgebrouw: ‘Breien is het nieuwe 3D-printen’

Gerard van Nifterik

Onderzoekers van ETH Zürich gebruikten de nieuwe techniek - KnitCrete - voor de bouw van een vijf ton wegende betonconstructie die te zien is tijdens een tentoonstelling in Mexico-Stad. De bekisting is gemaakt van een gebreid textiel: KnitCandela.

Advertenties

30 ‘Re-printing architectural heritage’

Hoofdredactie:

Uitgeverij

SJP Uitgevers Drs. Petra Schoonebeek e-mail: ps@innovatievematerialen.nl Postbus 861

4200 AW Gorinchem Een digitaal abonnement tel. (0183) 66 08 08in 2019 (6 uitgaven) kost € 39,50 (excl. BTW) e-mail: info@innovatievematerialen.nl www.innovatievematerialen.nl KIVI-leden en studenten: € 25,- (excl. BTW) Een papieren abonnement in 2019 kostRedactie: € 65,- (excl. BTW) Zie ook:Bureau www.innovatievematerialen.nl Schoonebeek vof Hoofdredactie: Niets uitGerard deze uitgave mag worden van Nifterik verveelvuldigd en of openbaar worden door middel van herdruk, fotokopie, microfilm of op welke wijze dan ook, zonderAdvertenties voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Drs. Petra Schoonebeek e-mail: ps@innovatievematerialen.nl

Innovatieve Materialen platform:

Een digitaal abonnement in 2016 ir. Fred Veer, Ir. Rob (6Dr.uitgaven) kost €prof.

25,00 (excl.Nijsse BTW) (Glass & Transparency Research Group, TU Delft), dr. Bert van Haastrecht prof. Wim Poelman, dr. Ton Zie(M2I), ook: www.innovatievematerialen.nl Hurkmans (MaterialDesign), prof.dr.ir.

Jos Brouwers, (Faculteit Bouwkunde, Leerstoel Bouwmaterialen, TU Niets uit deze uitgave mag worden Eindhoven), prof.dr.ir.

Jilt Sietsma, verveelvuldigd en of openbaar worden (4TU.HTM/ Werktuigbouwkunde, door middel van herdruk, fotokopie, miMaritieme Techniek Technische crofilm of op welke wijze&dan ook, zonder Materiaalwetenschappen, 3mE); prof.dr. voorafgaande schriftelijke toestemming Pim Groen, (SMART Materials Aerospace van de uitgever.

Engineering (AE) TU Delft/Holst Centre, TNO), Kris Binon (Flam3D), Guido Verhoeven (Bond voor Materialenkennis/ SIM Flanders).

Additive Manufacturing (3D-printen) technologie kan ook worden ingezet om ver­ dwenen of vernietigd cultureel erfgoed te reproduceren, bijvoorbeeld in geval van conflicten of schade door milieurampen. Het 4TU project ‘Re-printing architectural heritage’ nam de Hippolytuskerk in het Nederlandse dorp Middelstum, als case study om de grenzen van de bestaande technologie te verkennen en onderzoek te doen naar de mogelijkheden van het 3D-printen van cultureel erfgoed.

36 Mineraal afval: een belangrijke basisgrondstof voor nieuwe, toekomstbestendige bouwmaterialen

Als gevolg van bevolkingstoename ontstaat er wereldwijd steeds meer mineraal afval. Met alkali geactiveerde materiaal technologie (Alkali Activated Materials, AAM) is het mogelijk om met het minerale afval, circulaire beton bouw materialen te produceren. Dit alles blijkt uit het promotie onderzoek ‘Performance of admixture and secondary minerals in alkali activated concrete; sustaining a concrete future.’

40 Duurzame materialen voor slimme steden

Door een groeiende wereldbevolking en toenemende welvaart is het materiaalverbruik de afgelopen eeuw met een factor 34 toegenomen, resulterend in grote afvalstromen en bijbehorende CO2-emissies. Het wordt algemeen erkend dat dit lineaire ‘take, make, dispose’ -model niet kan worden gehandhaafd. Een oplossing voor dit probleem is het introduceren van constructies met een bijna oneindige levensduur.

Dit moet met een minimale hoeveelheid materiaal worden gedaan, bij voorkeur hergebruikt uit retour-stromen, en moet economisch rendabel, veilig, gezond en comfortabel zijn.

41 Hergebruik van fijne fractie uit beton

Recent is een onderzoek van start gegaan naar optimaal hergebruik van de fijne fractie van beton in nieuw beton met TNO, M2i, TU Delft, RWS, Twee R Recycling, Cementbouw Recycling, AVG en BRBS Recycling. Het project wordt ondersteund door de topsector High Tech Systems & Materials (HTSM).

44 Structuurvorming in hiërarchische hybride materialen met behulp van cryo-elektronentomografie en vloeistofelektronenmicroscopie.

Omslag: Chaise longue met variable stijfheid van Henriette Bier en Arwin Hidding, pag. 17

BERICHTEN

GrasGoed: isolatiematten van gras Het Brabantse bedrijf NewFoss (biobased products & technologies) en Natuurmonumenten ontwikkelden isolatiematten op basis van gras: GrasGoed.

Natuurmonumenten levert maaisel aan dat vrijkomt bij het beheer van hun natuurgebieden. NewFoss wast onzuiverheden uit het maaisel. Het maaisel wordt vervolgens met superscherpe messen fijngesneden in stukjes van 1 tot 5 cm. Via een biologisch proces haalt New­Foss waardevolle stoffen uit het gras, zoals suikers, eiwitten en aminozuren. Een deel wordt omgezet naar energie, waardoor het verwerkingsproces in de NewFoss fabriek energieneutraal kan plaatsvinden. De vezels die overblijven worden gebruikt voor de isolatiematten.

De NewFoss bioraffinageinstallatie in Uden heeft een geplande verwerkingscapaciteit van 40.000 ton biomassa. Ze produceert 11.000 ton biobased lignocellulose vezel.

Volgens de betrokken partijen zijn de matten op basis van maaisel uit natuurgebieden een duurzaam alternatief voor bestaande minerale isolatiematten. De isolerende platen bestaan voor 75 procent uit grasvezels, de akoestische platen zelfs voor 90 procent.

De platen hebben een lambda isolatiewaarde van 0,04.

In de isolatiemarkt spelen biobased matten nog een kleine rol. Zo’n 95 procent isolatiemateriaal bestaat nog uit minerale producten zoals glas- of steenwol, de

Het NewFoss proces voor de biomassareststroomverwerking bestaat uit vier stappen: (1) Wassen van de biomassareststroom om deze te ontdoen van verontreinigingen die zwaarder zijn dan water, zoals zand en stenen (2) Biologisch kraken van celwanden (permeable maken) zodat de intracellulaire componenten vrijkomen (3) Spoelen van de geopende cellen om de sappen hieruit te verzamelen (4) Opwerken van de lignocellulose vezel naar de specifieke wens van de klant

biobased varianten beslaan de overige vijf procent.

De ontwikkeling van de isolatiematten kwam tot stand dankzij het Interreg Grensregioproject, dat steun ontvangt van het Europese Fonds voor Regionale Ontwikkeling. Ook de provincie Antwerpen en provincie Noord-Brabant gaven financiĂŤle steun aan het project. www.grasgoed.eu>

Video

1 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

BERICHTEN

‘3D-geprinte brug alternatief voor traditionele bruggen’ Ingenieurs- en adviesbureau Antea Group is samen met Cybe Construction een pilot onderzoek gestart om 3D-geprinte betonnen bruggen tot een serieus alternatief te maken voor traditionele bruggen. Volgens de betrokken partijen maakt de 3D-printtechniek het mogelijk om bruggen binnen één dag te printen, waar op dit moment met een traditionele bouwwijze vier weken voor staan. Daarnaast zorgt 3D-printen voor optimaal materiaalgebruik en maakt het nieuwe architectonische vormen mogelijk.

Het doel van de pilot is om een 3D-geprinte brug te ontwerpen die constructief veilig is en economisch kan concurreren met een traditionele brug. In eerste instantie gaat het om het ontwerpen en printen van een zeven meter lange betonnen voetgangersbrug. Omdat er nog geen richtlijnen en normen zijn voor geprint beton, zal het ontwerp geverifieerd moeten worden door middel van ‘Design by testing’. De voetgangersbrug is inmiddels geprint en wordt getest en onderzocht in Oss. Meer bij Antea Group>

Civiele Techniek Civiele Techniek is hét onafhankelijke vaktijdschrift voor civieltechnisch ingenieurs en voor iedereen die direct of indirect te maken heeft met de civieltechnische sector, van grond,weg,- en waterbouw tot mobiliteit en verkeerskunde. Het blad is opgericht in 1945 als onderdeel van Polytechnisch Tijdschrift. Thema’s zijn: Water in de Openbare Ruimte + Waterbouw, Verkeer, Wegen & Mobiliteit + Smart Cities, Circulair Bouwen, Arbeidsmarkt, Asset Management, Duurzaam Beheer & Onderhoud, Geotechniek & Ondergronds Bouwen en Tunnels & Bruggen www.civieletechniek.net> Klik hier voor de inhoud>

2 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

BERICHTEN Hét expertisecentrum voor materiaalkarakterisering.

Integer, onafhankelijk, objectief onderzoek en advies. ISO 17025 geaccrediteerd.

Wij helpen u graag verder met onderzoek en analyse van uw innovatieve materialen.

Bel ons op 026 3845600 of mail info@tcki.nl www.tcki.nl

TCKI adv A5 [ZS-185x124] Chemische analyse 14.indd 1

09-05-17 13:19

2017 volume 3

INNOVATIVE MATERIALS

International edition Innovative Materials, the international version of the Dutch magazine Innovatieve Materialen, is now available in English. Innovative Materials is a digital, independent magazine about material innovation in the fields of engineering, construction (buildings, infrastructure and industrial) and industrial design.

3D-printing cellulose World’s first 3D-printed reinforced concrete bridge Materials 2017 Composites improve earthquake resistance in buildings

www. innovatievematerialen.nl info@innovatievematerialen.nl

Glass bridge Lina: world’s first bio-based car

I N T E R N A T I O N A L

Innovative Materials is published in a digital format, although there is a printed edition with a small circulation. Digital, because interactive information is attached in the form of articles, papers, videos and links to expand the information available.

E D I T I O N

3 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

BERICHTEN

Ecocell: bouwen met papier IDEA-Suisse, het Schweizwerische Gesellschaft für Ideen- und Innovationsmanagement, (Zürich) heeft de dertigste Zwitserse Innovation Award toegekend aan Ecocell Technology AG uit Uttwil in Thurgau, Zwitserland. Het bedrijf krijgt de prijs voor de ontwikkeling van een bouwmateriaal gemaakt van gerecycled papier en een dunne speciale minerale coating op basis van cement; het gepatenteerde Betonwabe. Dat levert een soort honingraatstructuur op met een kern van karton die is verstevigd met cement. Dat is de kern van een modulaire bouwsysteem ‘Ecocell’.

Het ecologische basismateriaal heeft volgens de producent uitstekende bouweigenschappen omdat het lichter

4 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

en duurzamer is dan conventionele bouwmaterialen.

Componenten kunnen industrieel volledig automatisch worden geprefabriceerd, wat tijdrovend werk op de bouwplaats vermindert en bouwkosten tot 50 procent kan reduceren. Volgens het bedrijf bindt het bouwmateriaal grote hoeveelheden CO2 en levert het daarmee een aanzienlijke broeikasgasreductie op. www.ecocell.ch www.idee-suisse.ch

BERICHTEN

Park van plastic drijfvuil Plastic afval is een structureel probleem in open water. Via rivieren komt een groot deel van het zwerfafval terecht in zeeĂŤn en oceanen, waar het deel wordt van een wereldwijde vervuiling. Recycled Park is een projectidee om plastic vervuiling in de Nieuwe Maas op te vangen, voordat het de Noordzee bereikt. Van het plastic worden drijvende bouwstenen gemaakt voor een nieuwe groenvoorziening in de rivier; een drijvend park. Recycled Park is een initiatief van WHIM architecture en de Recycled Island Foundation in samenwerking met de Gemeente Rotterdam, Rijkswaterstaat en HEBO maritiemservice.

Voor het verzamelen van plastic afval uit de rivier worden passieve afval-opvangers gebruikt. Met Wageningen University (WUR) worden de verzamelde kunststoffen geanalyseerd en wordt een proces geselecteerd om de drijvende bouwstenen te produceren. Het gaat om hexagonale blokken die zijn verbonden met een pen. Voorlopig hebben de blokken zijden van twee meter, maar de definitieve afmeting kan pas worden bepaald nadat de analyses van de kunststoffen zijn gemaakt en

duidelijk is hoe sterk het gerecyclede materiaal is. De gekozen vorm van de blokken wordt gebruikt als basis voor verdere ontwikkeling.

De bouwstenen worden zo ontworpen, dat niet alleen aan de bovenkant nieuw leven kan ontstaan, maar ook aan de onderkant moet zich nieuw leven in het water gaan nestelen. http://recycledpark.com>

Video

5 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

BERICHTEN

Rock Print Pavilion Een paviljoen gemaakt met alleen maar losse stenen en draad en gemaakt door een robot. Tussen 4 oktober en 4 november 2018 was het werk van onderzoekers van ETH Zürich te zien als onderdeel van een tentoonstelling in het Gewerbemuseum in Winterthur, Zwitserland.

6 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

De robot verwerkte stenen en koord tot een paviljoen met elf drie meter hoge, stabiele kolommen. Er waren uiteindelijk niet minder dan dan dertig ton losse stenen voor nodig, 120 kilometer touw en dus een bouwrobot.

Het tijdelijke bouwwerk op Kirchplatz, voor het Gewerbemuseum in Win-

terthur, is een onderzoeksproject van Gramazio Kohler Research, de ETH-voorzitter van Architecture and Digital Fabrication, en maakt deel uit van de zogenaamde ‘Hello, Robot. Design between Human and Machine’ tentoonstelling.

Maar de vraag was natuurlijk: hoe kan een constructie van losse stenen en

BERICHTEN schikking die tijdens de bouw overigens continu wordt berekend door de robot.

Met het Rock Print Pavilion werden in eerste instantie de mogelijkheden van digitale en robotproductie onderzocht, maar recycling maakte ook onderdeel uit van het project: de componenten kunnen eenvoudig worden gedemonteerd en het materiaal kan worden herge­ bruikt.

(Foto’s: Gramazio Kohler Research/ETH Zürich)

www.ethz.ch>

touw zo stabiel zijn dat het een stalen dak van acht ton kan ondersteunen?

Het fenomeen staat bekend als ‘jamming’. Het ETH-onderzoeksproject ‘Design and Robotic Fabrication of Jammed Architectural Structures’ doet onderzoek

naar op robotica-gebaseerde assemblage van eenvoudige, losse en korrelige basismaterialen. De stabiliteit wordt in dit geval verkregen door een combinatie van het in elkaar grijpen van de losse stenen en een uitgekiende schikking van de draad tussen de grindlagen; een

Video

Fibre Fixed: Composites in Design Composites in Design presenteert een uitgebreide selectie ontwerpprojecten met composietmateriaal. Tot 21 april 2019 ­vindt de tentoonstelling Fiber-Fixed plaats in het Design Museum Gent, België. De presentatie toont volgens de organisatie een overzicht van wat mogelijk is wanneer vezels worden gecombineerd met een (bio)plastic en met name in de context van de huidige mondiale uitdagingen: opwarming van de aarde, ecologische impact, duurzaamheid, mobiliteit, vergrij­ zing van de bevolking en digitalisering. Curatoren Ignaas Verpoest (KU Leuven) en Lut Pil (LUCA School of Arts) richten zich op de ontwikkelingen van de afgelopen vijf jaar en presenteren doorbraken die voor de komende jaren worden verwacht. www.designmuseumgent.be>

Video

7 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

BERICHTEN

Popcornlaminaat Foto’s: Moira Burnett

Het idee is niet helemaal nieuw, want professor Alireza Kharazipour van de Universiteit van Göttingen werkt al jaren aan een ‘Popcorn-Platte’, maar hij en zijn onderzoeksteam zeggen er nu daadwerkelijk in geslaagd te zijn bijzonder lichte sandwichpanelen te ontwikkelen met een kern van geëxpandeerde maïskorrels.

Vergelijkbaar

Tijdens het onderzoeksproject hebben de onderzoekers twee verschillende methoden bekeken: een enkel-stapsproces waarbij geëxpandeerde mais in de kern en houtspaanders en houtvezels in de toplaag werden verlijmd. En een tweestapsproces, waarbij eerst de popcorn kern werd gemaakt, waarna in een tweede stap de dekmaterialen werden aangebracht: triplex, dunne spaanplaat, aluminium of hogedruklaminaat (HPLHigh Pressure Laminate).

Onderzoek naar de afgewerkte sandwichpanelen toonde aan dat zulke popcornmaterialen vergelijkbare eigenschappen hebben als conventionele spaanplaat, maar een stuk lichter zijn.

Volgens professor Kharazipour bindt de geëxpandeerde mais bovendien de formaldehyde (tot 70 °C) die vrijkomt uit de lijm. De emissie van formaldehyde is vaak een probleem bij verlijmde plaatmaterialen.

8 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

BalanceBoard

Eerder ontwikkelde Kharazipour overigens al een ander plaatmateriaal, gemaakt van een mengsel van geëxpandeerde mais met houtvezels (een composiet; geen laminaat). Het werd gepresenteerd op de BAU 2011-beurs in München en wordt op de markt gebracht door Pfleiderer AG onder de naam BalanceBoard. De dichtheid van BalanceBoard is 500 kg/m3; het nieuwe

laminaatmateriaal zou met 300 - 400 kg/m3 een stuk lichter zijn.

De dichtheid van spaanplaat bedraagt 650 kg/m3.

Baulinks> Onderzoeksrapport online (pdf, Duits)>

ADVERTORIAL

Hergebruik bestaande materialen voor civieltechnische constructies Reconstructies of het aanleggen van wegen en paden gaan vaak gepaard met afvoer van bestaande materialen, aanvoer van nieuwe materialen en alle bijhorende transportbewegingen. Met de techniek van Terrastab is dat verleden tijd. Met 100% hergebruik van de bestaande materialen realiseert Terrastab een verharding of fundering waarbij afvoer niet nodig is en aanvoer geminimaliseerd wordt tot enkele procenten.

Al meer dan vijftien jaar is Terrastab specialist in grondstabilisatie. Een techniek die terug gaat tot in de tijd van de Romeinen. Deze techniek zorgt door middel van een opwaardering dat ‘onbruikbare’ materialen in de bodem gebruikt kunnen worden als fundering of eindverharding. Er wordt rekening gehouden met de gewenste constructieve eigenschappen én met het hergebruiken van zoveel mogelijk aanwezige materialen. Zo wordt de grondbalans bewaakt en de transportbewegingen en CO₂-uitstoot gereduceerd.

Bindmiddelen en additieven

Ten einde de gewenste kwaliteit te behalen in bijvoorbeeld druksterkte (MPa) of draagvermogen (CBR o.i.d.) worden de bestaande materialen gemengd met bindmiddelen en benodigde additieven.

De bindmiddelen zorgen voor plaatwerking en binding van minerale delen, de additieven zorgen onder andere voor een hogere E-modulus (elasticiteit) en neutralisatie van de tegenwerkende organische stoffen.

Het type, de hoeveelheid en mate van dosering wordt vastgesteld in een geotechnisch vooronderzoek. Terrastab beschikt over een eigen Research en Development afdeling waarbij bodemmonsters worden ingezet met als doel de meest effectieve mengverhouding te vinden. Samen met de TU Delft wordt de

laatste jaren in een team hard gewerkt aan nieuwe samenstellingen en verdere verduurzaming van de techniek. Met de laatste ontwikkelingen zijn inmiddels meerdere pilotprojecten uitgevoerd, waarbij gekeken is naar een sterke CO₂-reductie ten opzichte van de al duurzame bestaande techniek.

constructieve waarde realiseren we zelfs opstelplaatsen en toegangswegen voor windparken. Windparken worden vaak in landelijke omgevingen aangelegd, waardoor af- en aanvoer veel invloed heeft. Met het hergebruik van op de locatie aanwezige materialen wordt dit voorkomen.

Toepassingen grondstabilisatie

Bij dijkverstevigingen heeft Terrastab inmiddels ook een aantal succesvolle projecten afgerond. Het meest recente is de dijk bij Yerseke waar voor Rijkswaterstaat in samenwerking met FL. Liebregts een dijkversteviging is gerealiseerd met hergebruik van de aanwezige zachte, zilte klei. Met het additief GeoCrete is deze klei gestabiliseerd tot een hoogwaardige fundering voor de zetsteenconstructie.

Voor ProRail heeft Terrastab ook spoorbanen met succes gestabiliseerd waarbij snelheid geboden was. Hergebruik is dan een goed alternatief.

Grondstabilisatie wordt breed toegepast in civieltechnische constructies. Met speciaal op maat en in eigen huis gebouwde bermstabilisatiemachine legt Terrastab bermverhardingen aan met een levensduur van zo’n tien tot vijftien jaar.

Inmiddels is deze techniek van bermstabilisaties een veel gekozen oplossing in Nederland.

Ook voor de aanleg van wegen en fietspaden heeft deze techniek ruimschoots zijn voordelen bewezen. Zonder afvoer en met minimale aanvoer worden nieuwe constructies aangelegd met in natuurlijke omgevingen een omgevingseigen kleur. Daarnaast zorgt de plaatwerking voor een constructief sterke fundering op plaatsen waar de belasting en intensiteit toenemen.

Kijk op terrastab.nl voor reeds gerealiseerde projecten.

In de industrie en nieuwbouw van bedrijfspanden wordt grondstabilisatie veel gebruikt als alternatief voor grondverbetering én als stijve plaatfundering voor zwaar belaste terreinen. Met de

9 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

MAKE IT MATTER

MAKE IT MATTER De rubriek MAKE IT MATTER wordt in samenwerking met MaterialDistrict (MaterialDistrict.com) samengesteld. In deze rubriek worden opvallende, en/of interessante ontwikkelingen en innovatieve materialen uitgelicht.

Eoacoustic conifer panels Eoacoustic conifer panels zijn decoratieve, geluidabsorberende panelen gemaakt van dennennaalden.

De panelen zijn ontwikkeld met het oog op duurzaam, milieuvriendelijk materiaalgebruik. De naalden van gekapte bomen, meestal als afval weggegooid, worden verzameld en omgezet in wandpanelen. Het geluidabsorberende materiaal is gebaseerd op dennennaalden en een biologisch afbreekbaar bindmiddel. De panelen zijn verkrijgbaar in verschillende vormen en maten, met of zonder patronen.

Meer>

GeĂŤxtrudeerd aluminium paneel Deze gegolfde gevelplaten zijn gemaakt van geĂŤxtrudeerd aluminium (EN AW 6060-legering). Deze legering heeft volgens de producent uitstekende extrusie-eigenschappen, wat een positief effect heeft op de zichtkant van het product. Het oppervlak kan worden geanodiseerd of behandeld met een poedercoating. Aluminium kan 100 procent gerecycled worden zonder aan kwaliteit in te boeten. Voor de gevelplaten maakt Norsk Hydro gebruik van 75R, aluminium met 75 procent gerecycled materiaal.

Meer>

Division & Growth glass tiles Division & Growth glass tiles zijn glazen tegels met kleurrijke patronen. Ze worden gemaakt van glasstaven in verschillende kleuren en ontwerpen die in een oven worden gesmolten.

Eenmaal afgekoeld, worden ze in stukken gesneden en samengesmolten tot een vlakke plaat. De tegels zijn standaard 15 x 15 cm, maar er kunnen aangepaste formaten en vormen worden gemaakt. Dezelfde techniek kan ook worden gebruikt om klein servies te maken, zoals borden en onderzetters of grotere architecturale werkstukken.

Meer>

10 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

MAKE IT MATTER

Jesmonite composite Jesmonite is een composiet van een combinatie van een minerale basis en een acrylhars op waterbasis. Het kan worden gebruikt om het uiterlijk en de textuur van elke oppervlakteafwerking in een aantal kleuren te reproduceren.

Het materiaal is sterk, flexibel en het is duurzaam en slagvast. Het is lichter dan steen, glasvezel-beton en zand- en cementproducten en brandwerend met een class zero fire rating.

Meer>

Lithoplast Lithoplast is een experimenteel composietmateriaal van ontwerpster Shahar Livne. Het is ontstaan uit experimenten met brokjes afvalplastic, die vermengd werden met mijnsteen en marmerpoeder - bijproducten uit de kolenmijnen en de steenindustrie. Om de natuur na te bootsen imiteerde Livne met hitte en druk de natuurlijke geologische processen: zogenaamde metamorfoses. Het resultaat is een kleiachtig materiaal dat met de hand in elke gewenste vorm kan worden gekneed. Lithoplast was genomineerd voor de New Material Award 2018.

Meer>

Pigmenten van metaalafval Deze ‘keramische metaalafvaltegels’ van het project ‘Ignorance is Bliss’ zijn gekleurd met pigment dat 100 procent afkomstig is van industrieel metaalafval. In samenwerking met Nederlandse bedrijven, zoals bodemsaneringsbedrijven en waterzuiveringsinstallaties, gebruikt ontwerper Agne Kucerenkaite ruw afvalmateriaal. De metalen geven tijdens het bakken kleur aan het keramische glazuur. De samenstelling van het metaalafval is hetzelfde als industrieel geproduceerde kleurpigmenten en is daarom een geschikt en duurzaam alternatief.

Meer>

SilicaStone SilicaStone is een materiaal gemaakt van gerecycled afvalglas en keramiek. Het gepatenteerde proces maakt het mogelijk om allerlei oppervlakken te maken met nieuwe ontwerpmogelijkheden voor zowel binnen- als buitenprojecten. SilicaStone voelt aan als steen omdat het niet is gebonden door hars. Het is UV-stabiel, kleurvast, hitte- en brandwerend. SilicaStone is verkrijgbaar in vijf standaardkleuren en in drie standaard­ afwerkingen, ruw, gepolijst en geglazuurd.

Meer>

11 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

Dutch Design Week 2018 Elk jaar in oktober vindt in Eindhoven de Dutch Design Week (DDW) plaats. Het grootste designevenement van Noord-Europa presenteerde tussen 20 en 29 oktober het werk van ruim 2600 ontwerpers. Dit jaar vonden 355.000 bezoekers uit binnen- en buitenland hun weg naar Eindhoven, waar verspreid over locaties door de hele stad niet alleen presentaties waren gefaciliteerd, maar ook tentoonstellingen, lezingen, prijsuitreikingen, netwerkbijeenkomsten, debatten en festiviteiten. Dit jaar veel aandacht voor materiaalinnovaties, 3D-geprinte materialen en objecten, biomaterialen en circulariteit. Een greep uit het aanbod.

12 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

DDW: MX3D wint Design Research Award De 3D-geprinte stalen brug van MX3D viel tijdens de Dutch Design Week in de prijzen en wel in de categorie Design Research. Het gaat om een stalen brug die 3D-geprint is door robots en die binnenkort als eerste stalen brug ter wereld in het centrum van Amsterdam wordt geplaatst.

Het project is een initiatief van de Nederlandse start-up MX3D en is bedacht door ontwerper Joris Laarman. De ontwikkeling kwam tot stand met partners als Arup, Autodesk, Heijmans, ArcelorMittal en Imperial College London. ‘De door Joris Laarman en MX3D verworven vorm- en materiaalvrijheid

Video

triggert nauwelijks te bevatten vergezichten,’ oordeelde de jury.

De brug wordt over de gracht van de Oudezijds Achterburgwal geplaatst. Een doorbraak voor de innovatieve mogelijkheden van (grootschalig) 3D-printen: de introductie van deze techniek bij een publiek gebruiksobject vergroot de maatschappelijke bekendheid en

inburgering van deze techniek. Het project symboliseert volgens de jury van DDW de snelheid waarmee deze nieuwe techniek en mogelijke toepassingen zich ontwikkelen. www.mx3d.com www.jorislaarman.com

13 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

Recomposed Bamboo Bamboe kan natuurlijk worden gebruikt omwille van zijn decoratieve kwaliteiten, maar Chris Kabel koos een andere insteek toen hij op uitnodiging van de Shanghai University in 2016 neerstreek in Anji, de bamboehoofdstad van China. Gaandeweg richtte hij zijn onderzoek uitsluitend op de constructieve kwaliteit van bamboe.

In vergelijking met staal, aluminium of hout heeft bamboe een gunstige ecologische footprint. Het groeit snel, bindt CO2 en beschermt de bodem tegen erosie. Kabel kent dan ook de als ‘duurzaam’ verkochte producten die een bedrijf als Ikea in China laat maken: snijplanken en andere huishoudelijke attributen waarbij de bamboevezels kort worden gesneden en verlijmd.

Hij zocht een slimmere manier van verlijmen waarbij de kwaliteit van het materiaal beter wordt benut. Want hoewel bamboe lastig te beschermen is tegen vocht, vraat en schimmel, maken de lange vezels die vooral langs de buitenkant van de stengel liggen het materiaal uitzonderlijk sterk. Met deze delen van de stengel begon hij te experimenteren. Het resultaat is een reeks profielen waarin alleen de mechanisch sterkste delen van het bamboe met elkaar worden verlijmd, zodat er een uiterst stijf constructiemateriaal ontstaat dat zich qua sterkte ergens tussen staal en hardhout bevindt. www.chriskabel.com

Multicomplex Hoe realiseer je een boogoverspanning van vijf meter uit dunne flexibele houten platen? De oplossing werd gevonden in het ontwerpen van een lichtgewicht boogconstructie, aan de hand van ‘active bending’, zonder gebruik te maken van traditionele fabrieksprocessen zoals stoom/lamineren. Bij deze bouwmethode draait het overigens niet alleen om het buigen zelf. Ook materiaalbesparing, afvalreductie en efficiency tijdens transport en bouw, zijn belangrijke aandachtspunten tijdens het ontwerp- en bouwproces.

Arthur van Lier, Build Environment, Eindhoven University of Technology Coaches/researchers: Gert-Jan Rozemeijer, André Jorissen, Arjan Habraken Bedrijven: Verhoeven timmerfabriek, Adviesbureau Lüning www.mindthestep.nl/multicomplex.html

14 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

Van grondverzet tot leembouwmaterialen

BC materials zet grondverzet van stadswerven om tot circulaire leembouwmaterialen in een proces van urban mining.

Brussel en Vlaanderen graven per jaar 22,5 miljoen ton grond uit. Ongeveer 75 procent daarvan is onvervuild. Deze grond wordt voor 40 procent niet-circulair gebruikt in wegenbouw en anders gedumpt als afval. BC materials vormt deze grond om tot lokaal bouwmateriaal, als leempleisters, leemstenen en stampleem.

Leembouwmaterialen worden nooit gebakken, maar zijn samengesteld uit een juiste verhouding van korrelgrootte, type korrels en hoeveelheid water, dat specifiek is per leembouwtechniek.

BC Materials onderscheidt grondtypes in vijf grote categorieën: klei (minder dan 2 µ), slib (tussen 2 µ en 0,06 mm), zanden (tussen 0,06 mm en 2 mm), gravel (tussen 2 mm en 20 mm) en keien (tussen 20 mm en 200mm). Elk type grond wordt gekarakteriseerd door een specifieke verhouding van deze verschillende korrelgroottes.

De leemmaterialen zijn CO2-neutraal, zorgen volgens de producent voor een gezond binnenklimaat en bevatten minimale grijze energie. Na gebruik kan het terug de bodem ingegeven worden of opnieuw worden omgevormd tot bouwmateriaal in een oneindig circulair proces. www.bcmaterials.org Foto: BC architects & studies + fotograaf Thomas Noceto

15 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

Gevelpanelen van gras, toiletpapier en vlas NPSP heeft samen met studenten van Avans Hogeschool, HZ University of Applied Sciences en TU Eindhoven gevelpanelen gemaakt op basis van circulaire restmaterialen. Het resultaat is een hoogwaardig en duurzaam gevelpaneel, dat sterk en vormvast is en een lange levensduur heeft. Aan het eind van de levensduur kan het materiaal worden vermalen en weer als basisgrondstof in hetzelfde proces worden ingezet. En zo werd het biocomposietmateriaal Nabasco 8010 ontwikkeld met als uitgangspunt gebruik maken van materialen met een lage CO2-uitstoot, die lokaal worden geproduceerd.

Nabasco 8010 bestaat uit vezels en een biohars. De vezels zijn afkomstig van gemaaid bermgras, gerecycled toiletpapier(Recell), gerecycled textiel, afvalriet en vlas. Verder bevat het materiaal calciumcarbonaat, restmateriaal van het onthardingsproces van drinkwater en een biobased hars, op basis van restmaterialen van de biodieselproductie.

De productie is door de studenten zelf uitgevoerd. Op basis van vezels, het calciumcarbonaat en hars is een deeg gemaakt dat daarna enkele minuten wordt geperst in een warme mal.

NPSP> Meer bij coebbe.nl >

Plastic stone tiles Het merendeel van het plastic afval komt terecht in de zee en dat roept de vraag op hoe plastic afval zich in de natuur gedraagt. Onder natuurlijke invloeden vormt het plastiglomeraat; een mengsel van plastic en natuurlijke geologische componenten.

Op basis hiervan onderzocht Enis Akiev rotsvormende processen en methoden om licht verpakkingsafval een natuurlijk ogende rotsachtige structuur te geven. Enis Akiev is een jonge materiaalontwerper, geboren in Kazachstan, opgegroeid in Duitsland, afgestudeerd aan Köln International School of Design in 2018. Tegen de achtergrond van duurzame toepassingen wil zij de perceptie van afval veranderen en juist de esthetische mogelijkheden laten zien. Daarmee wordt de waarde van wegwerpverpakkingsafval vergroot en wordt het een esthetisch verantwoord en duurzaam materiaal. Het Plastic stone tiles-project zou volgens Akiev een impuls moeten zijn om het algemene begrip van hulpbronnen te heroverwegen en materiaalverkenning te stimuleren. ‘Afval moet juist worden beschouwd als een constante hulpbron in een nooit eindigend proces, in plaats van het zien als het eindstadium van een product,’ vindt Akiev. www.ddw.nl>

16 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

Chaise longue met variable stijfheid van Henriette Bier en Arwin Hidding

Chaise longue met variabele stijfheid De chaise longue van onderzoekers Henriette Bier en Arwin Hidding is een multifunctionele stoel, gemaakt op basis van 3D-robotica. De chaise longue kan van vorm veranderen, waardoor het object zowel als stoel als bed kan worden gebruikt.

De gebruiker kan gaan zitten of liggen door de chaise longue te vervormen met zijn of haar gewicht. De vormverande­ ring wordt bereikt door variatie in materiaalverdeling en het gebruik van thermoplastische elastomeren te combineren.

Variabele stijfheid is in dit project gebruikt als een aanpas­ singsstrategie om multi-functionaliteit te bereiken. www.roboticbuilding.eu>

Video

17 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

Plasma Rock Foto’s: Inge Sluijs

In de vuilstortplaatsen langs de Britse kust, ontdekte Inge Sluijs tijdens haar Masterstudie aan Central Saint Martins, de grondstof voor een nieuw materiaal: Plasma Rock. Miljarden tonnen afval zijn de afgelopen decennia wereldwijd gestort. Alleen al in Europa zijn er 500.000 stortplaatsen en zeker op plekken langs de kust vormen deze ‘landfills’ een moeilijk te beheersen bron van vervuiling van zowel de bodem als het zeewater.

Daarom koos Sluijs een kustlocatie voor de start van haar project. Ze bedacht dat het mogelijk moest zijn om het afval op te graven en voor een beter doel in te zetten. Die zoektocht startte na het zien van een foto van een stuk Plasma Rock, toen nog volledig het domein van wetenschappelijk onderzoek.

Het materiaal ontstaat als bijproduct als het afval op zeer hoge temperaturen wordt vergast. Naast de vrijkomende energie resteert er een mechanisch sterk en niet-giftig soort steen waarvan de toepassingsmogelijkheden tot dusver nauwelijks zijn verkend.

Om het te kunnen gebruiken, moet de Plasma Rock eerst in kleine stukjes worden gebroken, en vervolgens tot poeder vermalen. Inge Sluijs gebruikte die grondstof in de productie van tegels en vazen. Voor de tegel was alleen de toevoeging van bindmiddel nodig; in de

18 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

vazen gebruikt ze ook gerecycleerd laboratoriumglas. Haar rol, zegt Sluijs, ligt erin mensen bij het verhaal te betrekken. Om hen te doen inzien dat stortplaatsen vooralsnog omwille van allerlei economische belangen - zoals projectontwikkeling en woningbouw - slechts worden afgedekt en niet afgegraven. ingesluijs.wixsite.com>

Video

DUTCH DESIGN WEEK 2018

Hey Jute De extreem lange bastvezel van de juteplant die vooral in de Golf van Bengalen groeit, wordt in productieprocessen stelselmatig aan stukjes gescheurd. Alleen in sommige handgeknoopte tapijten bewijst de vezel met een natuurlijke lengte van tot wel vijf meter af en toe zijn unieke kwaliteit. Toen Alexander Marinus zijn studie naar jute begon, was de espadrille zijn referentie: het schoentje met een zool gemaakt uit touw van jute.

Ook in andere toepassingen, zo viel hem op, wordt de jute vezel vooral ‘achter de schermen’ gebruikt. Bijvoorbeeld als onderlaag in tapijten en linoleum, of in een aardappelzak. Zijn project was dan ook niet gericht op de ontwikkeling van een nieuw materiaal, maar op het radicaal veranderen van de perceptie en de waardering van de laatste natuurvezel in textiel. Simpelweg door eindelijk de werkelijke eigenschappen van de raw fibres - jute in zijn meest pure staat - te benutten.

Marinus ontdekte dat de lange vezels het materiaal uitstekend geschikt maken

om ermee te naaldvilten: hoe meer hij er met zijn zelf ontwikkelde naaldinstrument overheen ging, des te aantrekkelijker werd de lap vilt die uiteindelijk de structuur van een pels kreeg. Naast de economische betekenis die een hoogwaardige juteproductie kan hebben voor de regio’s waar het wordt verbouwd en verwerkt, lijkt Hey Jute ook een passend antwoord te geven op de behoefte aan materialen waaraan geen chemische elementen toegevoegd hoeven te worden, die op een ‘schone’ manier groeien.

Jute groeit in één enkel regenseizoen en vraagt geen extra irrigatie, bemesting of insecticiden). Bovendien is het herbruikbaar.

Denimtex: Jeans on the Wall

Veel van de experimenten deed hij zelf, de afgelopen periode gesteund door kunstenaar en viltspecialist Marian Verdonk. Samen zetten zij de eerste stappen richting een industrieel productieproces, maar het juiste recept is nog niet gevonden. Wie gaat de grondstof leveren?

Hoe wordt de vezel uit de plant gehaald?

Waar wordt het vilt gemaakt? En aan welke specificaties dienen het maakproces en het eindresultaat te voldoen?

Deze vragen wil Marinus de komende periode beantwoorden. En tegelijk zullen de eigenschappen van het materiaal verder moeten worden onderzocht.

Video

Per jaar belanden in Nederland zo’n 1,2 miljoen afgedankte kledingstukken in de verbrandingsoven en dat is zonde. Met Denimtex is een deel hiervan te redden van de verbrandingsoven en door middel van vervezelmachines te ontrafelen tot textielvezels kunnen worden hergebruikt. Jeans on the Wall vormt vezels uit spijkerbroeken om tot textielstuc, een wand- en plafondafwerking met unieke eigenschappen. Behalve een decoratieve uitstraling geeft het die geluiddempende en isolerende eigenschappen. Ook is de textielstuc demontabel en herbruikbaar. www.denimtex.nl> DDW>

19 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

Mosselen in de 3D-printer 3D-printtechnieken worden steeds vaker toegepast, ook in circulaire toepassingen. Helaas is het printmateriaal vaak nog verre van duurzaam. Het project ‘Mussels in the 3D-printer’ laat zien dat het ook anders kan. Mosselschelpen, lokaal Zeeuws afval waar jaarlijks 20 miljoen kilo van vrijkomt, worden volledig gerecycled voor hergebruik. Het materiaal bestaat uit een pasta van gemalen schelpen, gemixt met suikerwater. Is de levenscyclus van het product eenmaal voorbij, dan wordt de 3D-print in water opgelost voor hergebruik.

Mariet Sauerwein Industrial Design Engineering, Delft University of Technology Researchers: Zjenja Doubrovski, Joost Vette Mind the step>

Lampenkapjes van 3D-geprint mosselmateriaal

The Wall project De tentoonstelling ‘Re-invented crafts - a new perspective on Portuguese design’, gaf een inkijkje in de huidige staat van Portugees ontwerp. De selectie liet volgens de DDWorganisatie twee tendensen zien. Eén daarvan is dat nieuwe technologieën zoals computational generated design en 3D-printing worden gecombineerd met ambachtstechnieken.

De andere is dat ontwerpers experimenteren met mogelijkheden van het traditionele handwerk. In veel gevallen worden lokale bronnen gecombineerd met zo min mogelijk materialen en wordt gezocht naar synergie tussen ambacht en technologie.

Zoals The Wall Project MAVC van Maria Anna Vasco Costa.

Haar ontwerpproces wordt gedreven door het experimenteren met kleuren, texturen en patronen, terwijl ze zich laat leiden door eenvoudige geometrische vormen. Deze vormen zijn geïnspireerd op Portugese traditionele monochromatische tegels. Ze zoekt nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van traditionele keramiek door te experimenteren met patronen, temperaturen, kleuren en glazuurmethoden. In The Wall Project wordt het gebruik van traditionele tegels vertaald naar op maat gemaakte eigentijdse oppervlakontwerpen.

MAVC>

20 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

Hydroformed radiator Gedurende de hele Dutch Design Week was in het Klokgebouw de ‘hydroformed radiator’ van EddyBoy te zien. Het is een idee van de Antwerpse productontwikkelaar Eduard Bartels, die onder de naam EddyBoy verschillende verwarmingsproducten ontwierp, waaronder een verwarmde buitenbank. De hydroformed radiator zou als side-project zijn ontstaan bij een zoektocht om plaatstaal te vervormen. De roestvaststalen radiator krijgt haar vorm door het materiaal te vervormen met water onder druk. De vorm is opvallend, geen enkele radiator is hetzelfde. De organische radiator kan elektrisch of door de CV verwarmd worden. www.eddyboy.be

BlueRoof: van rioolafval naar dakbedekking BlueRoof ontwikkelt dakbedekkingsmateriaal uit zogenaamd roostergoed. Dit roostergoed is een verzamelnaam voor de vaste bestanddelen die in de eerste stap van de waterzuivering uit het water worden gehaald. Voor het grootste deel bestaat dit materiaal uit de hygiëni-

sche doekjes, maar hierin kunnen ook voorwerpen als telefoons, blikjes of zelfs speelgoed worden aangetroffen.

Met het BlueRoof-concept wordt niet alleen het probleem van het roostergoed (dat nu rechtstreeks wordt verbrand) opgelost, maar wordt ook een meer

duurzame vervanging gecreëerd voor de lavakorrels die nu op de groene daken worden toegepast. In 2019 zal BlueRoof dan ook een pilot uitvoeren die de werking van het product moet aantonen. www.blauwdak.nl

21 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

RE3 Glass: gegoten glas als bouwmateriaal Tijdens de Dutch Design week was een presentatie te zien van het RE3 Glass-project van de TU Delft. Als onderdeel van hun promotieonderzoek aan de Technische Universiteit Delft, en in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit Twente en de Southern School School of Art and Design, werken Telesilla Bristogianni en Faidra Oikonomopoulou aan de ontwikkeling van gegoten glas als bouwmateriaal. Het herbruikbare materiaal is gemaakt van allerlei soorten afvalglas en heeft dankzij de slimme geometrie een minimum aan materiaal nodig. Het onderzoek vond plaats in het kader van het 4TUBouw-project RE3 Glass waarin nieuwe generaties van Recyclebare, Reduceerbare en Herbruikbare gietglascomponenten voor structurele en architecturale toepassingen werden onderzocht.

Crystal Houses

De Crystal Houses van MVRDV Architects, in de PC Hooftstraat in Amsterdam, waren een belangrijke stap in de ontwikkeling. De vraag die aan dat project ten grondslag lag is ‘kunnen ‘bakstenen’ gemaakt van gegoten glas worden

gebruikt als constructiemateriaal zonder de steun van bijvoorbeeld een stalen frame’? En zouden ze stormbestendig zijn in een vlakke façade? Het experiment was veelbelovend, maar bracht ook de problemen aan het licht. Het constructieproces was gecompliceerd en omdat de stenen moesten worden

verlijmd is toekomstig hergebruik vrijwel onmogelijk, wat uiteindelijk zal bijdragen aan het creëren van afval.

Gegoten glas

De rechthoekige vorm van de originele glasstenen kwam niet overeen met de aard van gegoten glas. Nadat de glasvorm uit de oven is gehaald en afkoelt, worden er spanningen ingebouwd in het materiaal. Daarom heeft gegoten glas meer vloeibare, organische vormen nodig. Dat is precies waarop Bristogianni en Oikonomopoulou zich bij vervolgonderzoek op hebben gericht. Ze ontwikkelden in elkaar passende bouwstenen van gerecycled glas. In een andere variant doet de vorm meer denken aan de schakels van een fietsketting. Het is de bedoeling dat ze nauw aansluiten zonder gebruik te maken van synthetische lijm, zodat elk gebouw uiteindelijk kan worden ontmanteld en de componenten opnieuw kunnen worden gebruikt.

Het leverde de Delftse onderzoekers uiteindelijk een nominatie op voor de Dutch Design Award.

RE3 Glass> Meer in Innovatieve Materialen nummer 5 2018 (pdf)>

22 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

DUTCH DESIGN WEEK 2018

3D-geprinte, circulaire en biobased gevelwand De organisatie van de Dutch Design Week had in het Klokgebouw de zogenaamde ‘ambassade van circulariteit’ ingericht. Daar lieten meer dan dertig exposanten zien wat er mogelijk is met de combinatie ontwerp en circulariteit.

Daaronder een samenwerkingsverband tussen DEMEEUW en Aectual die een 3D-geprinte gevel lieten zien die 100 procent circulair is (op basis van recyclaat of bio based materiaal). De circulair geprinte wand werd eerder dit jaar gepresenteerd op de Provada en kwam tot stand in samenwerking met tech-bedrijf Aectual. De laatste ontwikkelde speciale software en 3D-print-robotica waarmee ‘on demand’ maatwerk op industriële schaal kan worden geprint. De gebruikte technologie kan worden toegepast om unieke bouwproducten te maken voor architecturale doeleinden, zoals het interieur voor de Loft Ginza Flagship store in Tokio, en de façade voor het hoofdgebouw voor het EU-voorzitterschap 2016 in Amsterdam. www.demeeuw.com www.aectual.com

Printed panels, Loft Flagshipstore Ginza, Tokyo Japan 2017. Ontwerp: DUS. Foto: Aectual

23 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

Foto: Juan Pablo Allegre

3D-gebreide schaalstructuren: ‘Breien is het nieuwe 3D-printen’ Onderzoekers van ETH Zürich gebruikten de nieuwe techniek - KnitCrete - voor de bouw van een vijf ton wegende betonconstructie die te zien is tijdens een tentoonstelling in Mexico-Stad. De bekisting is gemaakt van een gebreid textiel: KnitCandela.

De KnitCandela-constructie is gebouwd in het Museo Universitario Arte Contemporáneo (MUAC) in Mexico City, als onderdeel van de eerste tentoonstelling van Zaha Hadid Architects in Latijns-Amerika. Het is een eerbetoon aan de beroemde Spaans-Mexicaanse architect en specialist van dunne schaalconstructies Felix Candela (1910 - 1997). Het gebouw in Mexico Stad is volgens ETHZ bedoeld als herinterpretatie van zijn spectaculaire betonnen schaalgebouwen. KnitCandela is tot

24 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

stand gekomen met nieuwe computational design-technieken en de KnitCrete bekistingstechnologie.

werking met Zaha Hadid Architects Computation and Design Group (ZHCODE) en Architecture Extrapolated (R-Ex).

Het hart van de vier meter hoge gebogen betonnen schaal is dus gebreid. De bekisting van de structuur bestaat uit een textiel dat wordt ondersteund door een stalen kabelnet. KnitCandela is een prototype, en het is de eerste keer dat deze technologie op architectonische schaal wordt toegepast.

De structuur kwam tot stand in samen-

Bekistingssysteem

De KnitCrete-technologie werd ontwikkeld door de Block Research Group van het ETH Zürich in samenwerking met de leerstoel voor fysische chemie van bouwmaterialen, onderdeel van het Zwitserse National Centre of Competence in Research (NCCR) in Digital Fabricati-

INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

Foto: Lex Reiter

on. Volgens ETHZ is de KnitCrete-technologie een nieuw, materiaal-, kosten- en arbeidsbesparend bekistingssysteem voor het gieten van dubbel gebogen, geometrische, betonnen bouwwerken.

Het proces begint met een digitaal gegenereerd breipatroon, op basis waarvan een industriÍle breimachine de bekisting voor de schaalconstructie maakt. In 36 uur werd op die manier een volledig dubbelgelaagd 3D-textielmateriaal gebreid, bestaande uit vier lange stroken, met een lengte van 15 m tot 26 m. De onderste laag vormt het zichtbare plafond - een design oppervlak met een kleurrijk patroon. De bovenste laag bevat uitsparingen voor de kabels van het bekistingssysteem en holtes voor ballonnen, die, nadat de gehele constructie is bedekt met beton, holle ruimtes vormen. Dat laatste is nodig om te besparen op materialen en op gewicht en dus op kosten. Met conventionele methoden zou het vervaardigen van een bekisting voor zo’n complexe geometrisch structuur volgens ETHZ aanzienlijk meer kosten, zowel in termen van tijd als materiaal.

KnitCandela

De KnitCandela-constructie werd gebouwd op de binnenplaats van het museum. Daar werd de gebreide bekisting tussen een tijdelijk frame gespannen en opgespoten met een speciaal samengesteld cementmengsel. De eerste laag was enkele millimeters dik, maar

voldoende om een stijve mal tot stand te brengen. Zodra die was uitgehard, werd conventioneel vezelversterkt beton aangebracht.

De technologie achter KnitCandela is ontwikkeld door Mariana Popescu en Lex Reiter als onderdeel van het National Centre of Competence in Research

Foto: Lex Reiter

25 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

Foto: Mariana Popescu

(NCCR) in het onderzoeksproject Digital Fabrication. Mariana Popescu is een doctoraatsstudent bij Philippe Block, hoogleraar Architectuur en Structuur aan de ETH Zürich, terwijl promovendus Lex Reiter studeert bij Robert Flatt, hoogleraar Fysische chemie van bouwmaterialen.

Popescu’s onderzoek toont volgens ETHZ aan dat het gebruik van gebreid textiel in architecturale toepassingen voordelen heeft: het zorgt voor minder materiaalgebruik, minder afval, is minder arbeidsintensief en maakt het bouwproces voor complexe vormen een stuk minder ingewikkeld.

KnitCandela is volgens ETHZ ook de volgende stap voor het flexibele vormsysteem dat eerder werd toegepast voor het zogenaamde HiLo-dak: een dubbelgebogen, dunwandige betonconstructie die de Block Research Group ontwikkelde voor Empa’s NEST-faciliteit. (NEST is een innovatief bouwconcept van EMPA, de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalkunde en materiaaltechnologie. NEST is bedoeld om nieuwe technologie en producten in de bouw- en energiesector eerder in samenwerking met industriële partners op de markt te brengen.)

Voor KnitCandela fabriceerden de ETH-onderzoekers de gebreide bekisting in één keer, terwijl HiLo’s schaalstructuur was gemaakt van een netwerk van

26 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

Foto: Mariana Popescu

INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

Foto: Maria Verhulst

staalkabels en een genaaid textiel (zie ook Innovatieve Materialen nummer 6 2017).

Volgens Popescu is het grote voordeel van de breimethode dat het niet nodig is om 3D-vormen te maken door verschillende onderdelen samen te stellen. Met het juiste breipatroon kan een flexibele bekisting worden gemaakt voor alle soorten schaalstructuren, holtes en uitsparingen, simpelweg door op één knop te drukken.

Volgens Philippe Block is de nieuwe methode die door zijn groep werd ontwikkeld tot op zekere hoogte een nieuwe vorm van 3D-printen, met dat verschil dat er geen volledig nieuw soort apparaat voor nodig is. Een conventionele breimachine volstaat prima. www.ethz.ch> Zie ook ‘KnitCandela - A flexibly formed thin concrete shell at MUAC, Mexico City, 2018’ at Block Research Group>

Foto: Philippe Block

Video: (ETH Zürich/Block Research Group)

27 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

4TU-Bouw Lighthouse project

‘Re-printing architectural heritage’ Additive Manufacturing (3D-printen) technologie is wereldwijd een fenomeen geworden, ook voor het domein van ‘erfgoed’. Het wordt op dat vlak steeds meer gezien als een snelle en kosteneffectieve manier om architecturale structuren te restaureren. De technologie kan ook worden ingezet om verdwenen of vernietigd cultureel erfgoed te reproduceren, bijvoorbeeld in geval van conflicten of schade door milieurampen. Het 4TU project ‘Re-printing architectural heritage’ nam de Hippolytuskerk in het Nederlandse dorp Middelstum, als case study om de grenzen van de bestaande technologie te verkennen en onderzoek te doen naar de mogelijkheden van het 3D-printen van cultureel erfgoed. Architectuurhistorici, modelbouwexperts en wetenschappers van de universiteiten van Delft en Eindhoven hebben zich in dat verband beziggehouden met diverse aspecten van 3D-printen, met het doel verschillende ​​onderdelen van de 15e-eeuwse kerk te reproduceren. Zo werden de beschikbare technieken getest om een muurschildering ​​ te reproduceren in een van de gewelven van de kerk, zo getrouw mogelijk aan oorspronkelijke materiaal, de kleuren en de microstructuur. Het project geeft een beeld van uitdagingen en mogelijkheden van de hedendaagse 3D-printtechnologie voor het 3D-printen van erfgoed.

28 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018 Door nieuwe technologische ontwikkelingen op het gebied van 3D-scannen en 3D-printen te combineren met onderzoek op het gebied van architectonisch ontwerp, wilde het projectteam materiaalreproducties van architecturaal erfgoed kunnen maken.

Uiteindelijk selecteerde het team een schilderij van een engel, in een gewelf bij het koor. Het schilderij toont het laatste oordeel en maakt deel uit van een reeks scènes van Albrecht Dürer.

Tijdens het proces van scannen en afdrukken van de sectie kwamen de onderzoekers verschillende uitdagingen tegen, variërend van de onmogelijkheid van de scantechnologie om de bestaande scheurtjes in de vereiste resolutie vast te leggen, tot de hoge kosten van speciaal afdrukken met bepaalde materialen en de beperkte mogelijkheden voor het combineren van druktechnieken voor een dergelijke complexe structuur

Dunne film

Omdat er geen printtechnologie is die een kleur op een niet-vlak oppervlak kan aanbrengen, is onderzocht of het mogelijk zou zijn het schilderij op een dunne film te drukken en dit over een 3D-geprinte structuur met zichtbare microstructuren aan het oppervlak aan te brengen. In principe moet de filmafdruk rekening houden met de vervorming op basis van oneffenheden en krommingen op het oppervlak. Hoewel het in principe mogelijk is om een computermodelvervorming te genereren is vooralsnog besloten dit aspect voor dit proefproject te negeren.

Het printen van de structuur en dat van de film werden dus gescheiden.

Vervolgens is geëxperimenteerd met materialen voor 3D-structureel (niet-gekleurd) 3D-printen. Het CAMlab van de TU Delft produceerde een eerste gipsen testafdruk zonder kleur, wat een goede eerste indruk geeft van de oppervlaktestructuur. De onderzoekers ontdekten dat de dunne lijnen geproduceerd door de gipsafdruktechnologie onvoldoende waren om de textuur van een muuroppervlak weer te geven. Aanvullende testafdrukken werden geproduceerd door QUBICX om te experimenteren met verschillende materialen.

Twee methodes

Er zijn twee methodes getest: één met MultiJetPrinting, een ander met Selective Laser Sintering.

In het eerste geval werd een gekleurd zandsteenmodel geproduceerd op de 3D-systemen ProJet660Pro. De printer bouwt het model laag voor laag en brengt een dunne laag gipspoeder op de printtafel aan. Het gekleurde bindmiddel wordt afgedrukt op de gipsen laag, volgens de vormen van het model voor die specifieke laag. Het bindmiddel wordt afgedrukt op het gips met behulp van een inkjetprint-techniek. Dit systeem wordt ook wel MultiJetPrinting (MJP) genoemd.

Het kleurbindmiddel reageert met het gipspoeder dat het materiaal hardt.

Nadat de afdruk is voltooid, wordt het niet-gebonden, ongebruikte gips verwijderd voor hergebruik. Het afgedrukte object wordt vervolgens chemisch nabewerkt wat resulteert in levendige kleuren en een sterk model.

Het tweede model werd afgedrukt met PA12 wit (nylon) geproduceerd op een EOSint P770 SLS 3D-printer. Het PA12-poeder wordt laag voor laag op de printtafel op dezelfde manier als het eerste model verspreid. Alleen deze keer wordt het materiaal gebonden door het gebruik van laserstralen.

Het resultaat is een zeer nauwkeurig en sterk model.Deze techniek wordt ook wel Selective Laser Sintering (SLS) genoemd.

29 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

Beide objecten hadden de kwaliteiten die nodig zijn om als onderstructuur te dienen. Om de kosten van het afdrukmateriaal te verlagen, is besloten om het stuk uit te hollen en een honingraatachtige rugstructuur aan te brengen.

conservatoren experimenteren met reconstructies van schilderijen uit verschillende tijdsperioden, in vergelijking met het origineel. Zo’n vergelijking is vooral effectief wanneer de afdruk vanaf een bepaalde afstand wordt bekeken.

Voor de voorkant kwamen verschillende opties in aanmerking. Inkjet bleek geen optie en uiteindelijk werd ervoor gekozen om de uiteindelijke kleuren en texturen op een dunne flexibele folielaag (50 micron) te drukken en deze over de solide 3D-structuur aan te brengen, die in dit geval alle microstructuren en korrels zichtbaar laten. Lastig was evenwel om de glans van het materiaal zoveel mogelijk te verminderen, zodat het uiteindelijke resultaat de uitstraling behoudt van de kerkmuur. Om die reden is een extra matte laag aangebracht.

Een 3D-testafdruk bestaande uit vier panelen werd voor het eerst tentoongesteld op de Gevel 2018 in Rotterdam in (januari 2018). Sindsdien is het op twee andere evenementen aan het publiek getoond.

Er rest echter nog een aantal uitdagingen. Zo behoudt de folie een bepaalde glans die niet overeenkomt met de oorspronkelijke plafondschildering. Bovendien blijken de vier panelen die in de structuur samenkomen, vervormd tijdens het droogproces en blijven de scheidingslijnen zichtbaar, ondanks dat de folie ze bedekt. Dit probleem is gedeeltelijk te wijten aan de dunheid van het werkstuk, waarvoor in dit geval is gekozen om kosten te besparen.

Voorstellen voor een 3D-print van een Middelstum-kerkgewelf op basis van een nieuw ontwerp, zouden kunnen leiden tot een puzzelachtig systeem dat de oorspronkelijke versiering van de kerk nabootst. Een dergelijke aanpak zou kunnen worden gevolgd in toekomstig onderzoek en zou rekening houden met de specifieke materiĂŤle en technische kwaliteiten van 3D-printen.

De technologie die in dit project wordt gebruikt, is overigens niet de enige die

Uitdagingen

Door 3D-printing te combineren met een folie-oppervlaktebehandeling kunnen

30 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

door het team is uitgeprobeerd. Onderzoek naar en een proef 3D-print van een deel van de Gouden Zaal in het Mauritshuis zal in een volgende editie van Innovatieve Materialen aan de orde komen.

Tekst: 4TU Bouw Met dank aan Dick Vlasblom, QUBICX, prof. Carola Hein, hoogleraar Architectuur & Stedenbouw Geschiedenis - Afdeling Architecture, TU Delft Credits: - Delft University of Technology: prof.dr.ir. Carola Hein, dr. Michela Turrin, prof.dr.ir. Joris Dik, John Hanna, Miktha Alkadri, Serdar Asut, Prof.Dr.-Ing Ulrich Knaack, Peter Koorstra - Eindhoven University of Technology: prof.ir.

Juliette Bekkering, ir. Barbara Kuit - Culrural Heritage Agency of the Netherlands: Albert Reinstra - National Archives : Angela Dellebeke - 3iD: Dave Vanhove - QUBICX: Dick Vlasblom - Foundation for Old Groningen Churches: Jur Bekooy - BLOMSMA PRINT&SIGN: Ron Teeuw -4Visualization: Valentin Vanhecke - 3M Netherlands: Wim Oostveen

DUTCH DESIGN WEEK 2018

Winnaar van de New Material Award 2018: Algae Lab Luma

3D-geprinte Algae Lab Luma-objecten tijdens de DDW 2018

Bioplastic van algen in plaats van olie: ‘Algae Lab Luma’van Studio Klarenbeek & Dros en Atelier LUMA wint de New Material Award 2018. Klarenbeek & Dros hebben het Algae Lab opgezet in samenwerking met Atelier Luma. Met een team van wetenschappers onderzoeken en cultiveren ze lokale micro-organismen die vervolgens worden omgezet in toepasbare biopolymeren die kunnen concurreren met traditionele kunststoffen. Het materiaal kan net als traditionele kunststoffen op industriële schaal worden aangebracht en verwerkt en is geschikt gebleken voor spuitgieten.

De nadruk van de studio ligt echter op 3D-geprinte producten.

In 2016 initieerden de ontwerpers met Atelier LUMA het Algae Lab LUMA, vernoemd naar het in aanbouw zijnde museum voor moderne kunst in het Zuid-Franse Arles. Klarenbeek & Dros begonnen in Arles met het opbouwen van een consortium waarin niet alleen ontwerpers en kleurdeskundigen samenwerken, maar ook biologen, chemici, een brandstofdeskundige en de zoutindustrie uit de regio. De zoutvlakten langs de kust lenen zich bijzonder goed voor het kweken van algen in gesloten systemen zodat ze gecontroleerd kunnen groeien en efficiënt te oogsten zijn.

Het initiatief bleek al snel op belangstelling uit de industrie te kunnen rekenen, vooral uit de sector van de biobrandstof.

Maar Algae Lab LUMA oriënteert zich breder. In het Lab wordt geëxperimenteerd met de productie van een granulaat dat zich leent voor grootschalig industrieel gebruik, bijvoorbeeld als grondstof voor een filament op basis van algen dat deze biopolymeer geschikt maakt voor 3D-printen.

De tweejaarlijkse New Material Award wordt georganiseerd door Stichting DOEN, Fonds Kwadraat en Het Nieuwe Instituut. De volgende (achtste) editie vindt in 2020 plaats.

Alle winnaars> Atelier-luma.org> New Material Award bij de DDW>

Foto: Antoine Raab

31 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

ADVERTORIAL

Prolock Delta Dichtscherm

Duurzame bescherming van dijken tegen kwelwater en piping

Onze dijken vragen om duurzame en onderhoudsarme bescherming. Bij veel waterschappen staat de bescherming van dijken dan ook bovenaan de prioriteitenlijst. Een van die waterschappen is Waterschap Limburg. Het waterschap is bezig met het versterken van de dijken in onder andere Bergen - Aijen (gemeente Bergen). Een deel van de dijken in dit beheersgebied voldoet momenteel niet aan de veiligheidsnormen. Voor 2020 wil het waterschap alle dijken op veiligheidsnorm 1/250 hebben. Dit betekent dat de dijken alleen mogen overstromen bij een waterstand die eens in de 250 jaar voorkomt.

Het project ‘Prioritaire Dijkversterkingen perceel 1’ moet er voor zorgen dat inwoners, bedrijven én infrastructuur beschermd zijn en blijven tegen overlast bij hoogwater van de Maas.

De aannemerscombinatie ‘Dijkencombi’ is belast met de uitvoering van de werkzaamheden. Dijkencombi is een samenwerking tussen Wetering Vissers Ploegmakers en F.P.H. Ploegmakers. In deze aannemingscombinatie bundelen zij hun krachten om samen grootschalige GWW-projecten te realiseren, met name dijkversterkingen. Het betreft een langdurig samenwerkingsverband op basis van gelijkwaardigheid.

Eén van de maatregelen die genomen worden is het plaatsen van het Prolock Delta Dichtscherm.

Doordat een monumentale boom op de locatie staat, kan een traditionele voorlandverbetering hier niet gerealiseerd worden. Het Prolock Delta Dichtscherm vergt een klein ruimtebeslag en kan hier

32 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

(en in principe overal waar pipingmaatregelen genomen moeten worden) wel toegepast worden.

‘Gekozen is om een kunststofscherm van het fabricaat Prolock toe te passen.

Aan de hand van certificaten is aangetoond dat dit product voldoet aan alle uitgangspunten en eisen,’ aldus Patrick

Tolmeijer, Technisch manager, Prioritaire Dijkversterking perceel 1. ‘Een dergelijk scherm is in Baarlo in een grindige bodem (conusweerstand tot 25 MPa) al met succes toegepast. Ter plaatse van de boom en het heavescherm is ook een waterkerende duiker geprojecteerd. De duiker zal verplaatst worden en de exacte locatie is nog te bepalen.

ADVERTORIAL De duiker bestaat uit een leiding (Ø 500 mm) met een put (dubbele ­schacht) en kwelscherm (wordt door heavescherm overruled). De BOB van de kruisende duiker ligt op ongeveer 12,00 m +NAP. Een doorvoer wordt er in het scherm gemaakt ten behoeve van de duiker. Door middel van bentoniet wordt deze doorvoer waterdicht gemaakt.’

Het Delta Dichtscherm moet tot een diepte van 5,47 m +NAP worden aangebracht en een breedte hebben van 47 m.

De volgende uitgangspunten waren van toepassing bij de keuze voor het heavescherm: • De sterkte is berekend op een toekomstige maaiveldverhoging met 0,5 m; • Technische levensduur is 100 jaar.

Het Prolock dichtscherm wordt geproduceerd uit 100% gerecycled kunststof en heeft een zeer lange levensduur van meer dan 100 jaar. Het scherm kan in elke lengte tot 12 meter geproduceerd worden. Met twee stalen geleidebuizen wordt het scherm grondverdringend ingebracht in het watervoerend pakket met de bovenzijde in de klei-deklaag.

Het vernuft van het Prolock Delta Dichtscherm zit in de waterdichte slotverbinding, die is voorzien van een zachte afdichtingslip. Het scherm laat zich gemakkelijk in de grond trillen en de waterdichte slotafdichting zorgt voor een minimaal lekdebiet.

Het Prolock Delta Dichtscherm is een product van Profextru Productie b.v. gevestigd in Hardenberg. www.profextru.nl

Prolock opgenomen in milieu database Bij de ontwikkeling van bouwwerken en infrastructuur wordt steeds vaker gekozen voor materialen en grondstoffen met een zo laag mogelijke milieu-impact.

Opdrachtgevers zoals Rijkswaterstaat, Provincies, Waterschappen en Gemeentes maken daarbij gebruik van Dubocalc en de Nationale Milieudatabase, waarin milieu-informatie over producten en materialen is opgenomen. Dit is gebaseerd op de LCA-methodiek, waarmee de milieueffecten van een product in kaart worden gebracht over de gehele levenscyclus, vanaf de winning van grondstoffen en de productie tot en met de toepassing in een werk.

Dat was voor Profextru aanleiding om haar damwanden en dichtschermen te laten opnemen in de Nationale Milieudatabase, zodat opdrachtgevers het product kunnen vinden en in DuboCalc kunnen vergelijken met andere damwanden. Stimular heeft de LCA-quickscan uitgebreid tot een volledige LCA conform de SBK-Bepalingsmethode.

Het LCA-rapport is onafhankelijk getoetst en goedgekeurd door een extern LCA-bureau.

33 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

ONDERZOEK

Mineraal afval: een belangrijke basisgrondstof voor nieuwe, toekomstbestendige bouwmaterialen

Als gevolg van bevolkingstoename ontstaat er wereldwijd steeds meer mineraal afval. Met alkali geactiveerde materiaal technologie (Alkali Activated Materials, AAM) is het mogelijk om met het minerale afval, circulaire beton bouw materialen te produceren. Dit alles blijkt uit het promotie onderzoek ‘Performance of admixture and secondary minerals in alkali activated concrete; sustaining a concrete future.’

Beton is wereldwijd het meest gebruikte, door de mens gemaakte materiaal.

Onderzoek van dr. Arno Keulen samen met prof. H.J.H. Brouwers en assistent prof. Q.L. Yu van de faculteit bouwkunde (the Built Environment) aan de Technische Universiteit Eindhoven resulteerde in de ontwikkeling van een geavanceerd en milieuvriendelijk nieuw type beton: Alkali Activated Materials (AAM).

Hierin is het bindmiddel/cementachtige materiaal volledig gemaakt van mineraal afval of van industriële bijproducten in combinatie met chemische activatoren.

Deze nieuwe bindmiddeltechnologie wordt toegepast als aanvulling op of als alternatief voor traditioneel Portlandcement om duurzaam beton van hoge kwaliteit en met een lange levensduur te kunnen maken. In de volksmond word AAM beton ook wel geopolymeer beton genoemd.

Alkali geactiveerde materialen

Bij thermische industriële processen zoals staalproductie en energieopwekking,

34 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

komen minerale afval en bijproducten vrij zoals slakken en/of assen. Tegenwoordig wordt steeds meer onderzoek gedaan naar deze minerale stromen,

die vaak ‘cementachtige vervangende materialen’ worden genoemd. Deze materialen worden al gebruikt in traditioneel Portland cementbeton als

ADMIXTURE ENHANCED AAM CONCRETE MIXTURE DESIGN

3

1 WORKABILITY SAND

ALKALINE ACTIVATOR

2

GRAVEL

FLY ASH

4

SLAG AAM CONCRETE ADMIXTURE

Figuur 1 Samenstelling en productie van AAM beto

ONDERZOEK gedeeltelijke vervanging van primair cement of van een primaire vulstof. Vanwege de wereldwijde beschikbaarheid in combinatie met de relatief stabiele, potentiële puzzolane of hydraulische eigenschappen, zijn verschillende soorten slakken en assen van groot belang voor de ontwikkeling van alkali geactiveerde bindmiddelen waarmee duurzame en milieuvriendelijke AAM betonproducten kunnen worden gemaakt. In plaats van traditioneel Portland cement te gebruiken, kunnen deze ‘afval’ mineralen worden hergebruikt als 100 procent mineraal bindmiddel. In combinatie met een alkalische activator (bijvoorbeeld een metaalhydroxide en silicaat) kan dat worden toegepast voor de vorming van een stabiele anorganische (aluminium silicaat gedomineerde) polymeermatrix, waarin zand en grind zijn gebonden tot een betonmateriaal (figuur 1).

De resultaten van het onderzoek tonen aan dat, door speciaal gebruik van afvalmineralen (slakken en as) als bindmiddelbron, de betonproducten van AAM zelfs verbeterde duurzaamheid en levensduur eigenschappen hebben ten opzichte van traditioneel Portland cement beton.

In vergelijking met traditioneel Portland cement blijkt de AAM-technologie bovendien meer technische modificatie mogelijkheden voor mengsel samenstellingen te bieden, waardoor bouwmaterialen met lokale middelen (afval mineralen) kunnen worden geproduceerd.

Deze materiële ‘afstemmingsopties’ zijn voornamelijk gerelateerd aan, en

Figuur 2a. AAM beton in de wegenbouw

worden bepaald door het bindmiddeltype (samenstelling en verhouding van afval mineralen), de samenstelling en de concentratie en het type alkalische activeringsmiddelen.

Uiteindelijk zijn deze technologische mogelijkheden van groot belang voor het ontwerp, de ontwikkeling en de productie van toekomst bestendige bouwmaterialen. De AAM technologie heeft ook als voordeel dat in verschillende regio’s van de wereld lokale afvalmineralen kunnen worden gebruikt als basismateriaal om AAM te produceren in plaats van traditi-

onele cementen te importeren.

Als technisch voorbeeld: een hoger gehalte aan slak als vervanging van vliegas in de bindmiddelsamenstelling bevordert bijvoorbeeld de matrixverdichting en de materiaalsterkte door de vorming van hoofdzakelijk door calcium gedomineerde gelstructuren (C-A-S-H: calcium-aluminaat-silicaat-hydraat). Dat resulteert in verhoogde duurzaamheidsprestaties zoals verminderde migratie van chloriden en een betere chemische resistentie in agressieve milieus.

Aanvullend, vanuit visueel oogpunt zijn

Figure 2b. AAM betonnen fietspad

35 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

ONDERZOEK

Figuur 3. Reduton, wegverbredingselementen

er bovendien geen significante verschillen tussen traditionele en AAM-betonproducten, wat zowel de acceptatie als de toepassing van AAM als nieuw bouwmateriaal ten goede komt.

Deze bindmiddeltechnologie en een deel van de resultaten van het onderzoek worden inmiddels toegepast door een tech-bedrijf onder de naam SQAPE Technology. Zij zorgen voor de marktintroductie van deze technologie en stimuleren de ontwikkeling en productie van toekomstig bestendige bouwmaterialen binnen de relatief conservatieve bouwmaterialen industrie.

Op dit moment zijn er twee productlijnen op de Nederlandse markt: Reduton en RAMAC. Reduton-betonverhardingsproducten (bijvoorbeeld straatstenen, stenen en tegels) zijn geprefabriceerd en zijn ontworpen met verbeterde materiaalei-

genschappen en een significant lagere milieu-impact (verder besproken in volgende paragraaf). RAMAC, een gebruiksklaar ready-mix beton, wordt vooral toegepast als zeer duurzaam en hoogwaardig beton voor de aanleg van verschillende bouwtoepassingen veelal wegen, rotondes en betonnen vloeren; (zie figuur 2a, b).

Milieu-impact en circulariteit

Een van de belangrijkste toegevoegde waarden van AAM-beton is de lage ecologische footprint. Er is een significante reductie van de CO2-uitstoot en op de uitputting van natuurlijke omgeving, omdat er geen de winning van grondstoffen plaatsvindt en alleen afvalmineralen worden gebruikt.

Modelberekeningen, geverifieerd door onafhankelijke insti-

€ 800 8,909

8000

6000

78% CO2 reductie

4000 1,946

2000

0

Portland cement

€ 731

€ 700

Reduton

Figuur 4. Het verschil in CO2 emissie per kilometer tussen AAM en traditioneel beton

36 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

MKI (euro) per kilometer beton element

CO2 emissie (kg) per kilometer beton element

10000

€ 600 € 500

68% lagere MKI

€ 400 € 300

€ 236

€ 200 € 100 €0

Portland cement

Reduton

Figuur 5. Het verschil tussen schaduwkosten (euro) per kilometer tussen AAM en traditioneel beton

ONDERZOEK tuut, tonen een significant verschil aan tussen AAM en traditioneel Portland cementbeton. Als bijvoorbeeld is er een vergelijking gemaakt tussen geprefabriceerde Reduton AAM en traditionele betonelementen met Portland cement.

Deze elementen worden toegepast in geval van veiligheidsmaatregelen om bermen van provinciale te verbreden. (figuur. 3).

Voor elke kilometer element wegverbreding blijkt de totale CO2-emissie voor de productie van AAM-elementen tot ≈ 80 procent lager in vergelijking met Portland cementbeton elementen (figuur 4).

Bovendien leidt AAM-beton tot een ≈ 65 procent lagere milieu-impact of zogenaamde ‘Milieu Kosten Indicator, MKI’ (figuur 5). Ofwel de kosten die moeten worden betaalt om de milieuschade voor de productie van de betonproducten te compenseren.

Bovendien hebben alle betonproducten een bepaalde levensduur en dit onderzoek beoordeeld ook het recyclepotentieel van AAM-beton aan het einde van de levensduur (figuur 6). Met als conclusie, het verkregen AAM aggregaat (2e levensfase) voldoet aan de huidige EU-normen wat betreft materiaaltechnische als milieu-eisen als het gaat om veilig hergebruik in de productie van beton en is vergelijkbaar met traditioneel betonaggregaat. Dit maakt AAM-betonmaterialen circulair.

Figuur 6. Processchema, van beton naar recycling

Circulaire economie

De groei van de wereldbevolking leidt direct tot een aanzienlijke toename van mineraalafval. Tegelijkertijd eist de wereld meer toekomst bestendige bouwmaterialen om de groei te kunnen verwezenlijken en te verduurzamen.

Daarom is het vervangen van natuurlijke bronmaterialen voor minerale afvalstromen een voor de hand liggende transitie. Bij het vinden van synergie tussen groei en verduurzaming is dit een sleutelfactor, met name in termen van innovatie op het gebied van hergebruik van afvalmineralen in de bouwsector. Als bijgevolg worden minerale afvalstoffen van groot belang, als bronmateriaal voor

de productie van milieuvriendelijker beton.

Author: Dr. Arno Keulen More info: www.linkedin.com/in/arno-keulen/

Eerder dit jaar promoveerde dr. MSc. Arno Keulen aan de TU Eindhoven op de dissertatie ‘Performance of admixture and secondary minerals in alkali activated concrete; sustaining a concrete future.’

Het hele arikel is online> https://pure.tue.nl/ws/ files/92192567/20180226_Keulen.pdf

AAM betonnen fietspad, Zeewolde. (Innovatieve Materialen 6 2016)

37 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

ONDERZOEK

Duurzame materialen voor slimme steden Door een groeiende wereldbevolking en toenemende welvaart is het materiaalverbruik de afgelopen eeuw met een factor 34 toegenomen, resulterend in grote afvalstromen en bijbehorende CO2-emissies. Het wordt algemeen erkend dat dit lineaire ‘take, make, dispose’ model niet kan worden gehandhaafd. Een oplossing voor dit probleem is het introduceren van constructies met een bijna oneindige levensduur. Dit moet met een minimale hoeveelheid materiaal worden gedaan, bij voorkeur hergebruikt uit retour-stromen, en moet economisch rendabel, veilig, gezond en comfortabel zijn.

Het Materialen innovatie instituut M2i heeft daarom, ondersteund door een groot consortium aan partners uit het bedrijfsleven, overheid, universiteiten en onderzoeksinstituten, het initiatief genomen voor een programma waarin een nieuwe generatie bouwmaterialen wordt ontwikkeld. Het geheel wordt geleid door Prof. Dr. Daniel Bonn van de UVA, en richt zich met name op staal en beton, veruit de meest gebruikte bouwmaterialen, zodat de te verwachten impact groot is. Het programma is ingediend bij NWO en heeft tot doel om ‘slimme’ steden in staat te stellen om tot een circulaire economie te komen. Zoals te zien in het model (rechts) is samenwerking tussen vele partijen essentieel om tot daadwerkelijke oplossingen te komen.

Alle door de mens gemaakte producten en structuren zijn onderhevig aan milieu-invloeden en veroudering. Er is een toenemende behoefte om degradatie van gebouwen en constructies, zoals vermoeidheid en corrosie, te verminderen en zo de veilige en economische levensduur te verlengen. Het is daarbij essentieel om de mechanismes van degradatie te begrijpen en om betrouwbare sensoren te ontwikkelen die de toestand van constructies (zoals een gebouw, brug of windturbine) en de belastingen continu monitoren, zodat tijdig onderhoud gepleegd kan worden. Op deze manier kunnen afvalstromen worden gereduceerd, maar nooit helemaal worden voorkomen. Als er dan toch af-

38 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

val ontstaat moeten we zorgdragen dat het materiaal hergebruikt kan worden.

Een voorbeeld van een project op het gebied van hergebruik van bouwmaterialen, dat recent van start is gegaan,

wordt in het volgende artikel (pag. 39 e.v.) beschreven door Siska Valcke van TNO. Dr. ir. Bert van Haastrecht, M2i

Het Holistisch Model (klik hier voor een vergroting)

Fig 1. Het holistische model van cross-over disciplines geeft een overzicht van de onderlinge verbindingen op 3 samenwerkende niveaus in de ontwikkeling van een volgende generatie van CO2-verlaagde duurzame bouwmaterialen. Het verklaart de noodzaak om in een circulaire economie samen te werken. Rond de kern van materialen omvatten de drie niveaus - het materiaalniveau, het ontwerp- en onderhoudsniveau, het beleids- en wetgevingsniveau - alle stappen die co-afhankelijk moeten worden genomen en daarom niet zonder elkaar kunnen

ONDERZOEK

Hergebruik van de fijne fractie uit beton Recent is een onderzoek van start gegaan naar optimaal hergebruik van de fijne fractie van beton in nieuw beton met TNO, M2i, TU Delft, RWS, Twee R Recycling, Cementbouw Recycling, AVG en BRBS Recycling. Het project wordt ondersteund door de topsector High Tech Systems & Materials (HTSM).

In Nederland wordt jaarlijks 33 Mton nieuw beton geproduceerd en ongeveer 12 Mton oud beton komt vrij. Daarnaast is de Nederlandse productie van beton verantwoordelijk voor bijna 2 procent van de jaarlijkse CO2-uitstoot in Nederland, en dit is voornamelijk te wijten aan het gebruik van cement (1). Recycling van de 12 Mton vrijkomend beton resulteert in grofweg 7 Mton grof granulaat (> 4 mm) en 5 Mton fijne fracties tussen 0 en 4 mm. Met de huidige toenemende vraag naar grof betongranulaat en de te verwachten afnemende vraag voor betonpuin onder het wegdek, kampen de recyclingbedrijven met de fijne fracties die achterblijven na opwerking tot granulaat.

Voor die fijne fracties zijn op dit moment nog geen hoogwaardige betontoepassingen. De belemmering hiervoor heeft te maken met variaties in de fijne fracties, het effect van de fijne fracties op het

39 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

ONDERZOEK betonmengsel en de hoge eisen aan de opslag ervan. Ook is de regelgeving nog niet optimaal afgestemd op het hergebruik van de fijne fractie. Desalniettemin, bepaalde fracties zouden zich uitstekend lenen voor hoogwaardige beton toepassingen.

Verschillende (in ontwikkeling zijnde) scheidingstechnologieĂŤn, kunnen steeds schoner granulaat produceren (2 - 3), waardoor de hoeveelheid fijne(re) fracties toeneemt (er wordt meer fijn zand en cementsteen van het grove grind gehaald). Omdat de manier van scheiden bij deze technologieĂŤn varieert, zullen de daaruit volgende fijne fracties verschillen vertonen in fysische (korrelvorm, textuur, grootte) en chemische eigenschappen. Bovendien is er ook variatie in de betonsoorten die gescheiden worden.

Variaties in (verhoudingen van) toeslagmaterialen, vulstoffen en cementsoorten zowel als verschillende mechanische belasting en milieubelasting van het beton gedurende de gebruiksfase, resulteren in fracties met variabele fysische en chemische eigenschappen. Ook binnen de fijne fracties bestaan dus verschillen qua materiaal, fysische en chemische eigenschappen.

Gerecycled betonpuin

In de voorbije vijftien jaar is redelijk wat onderzoek verricht naar het hergebruik van de fijne fracties uit gerecycled betonpuin. Wat betreft het betonmengsel

40 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

is aangetoond dat het gebruik van de fijne fracties kan resulteren in ontoereikende verwerkbaarheid. Vaak wordt dit geweten aan de extra waterbehoefte van de fijne fracties. Oplossingen bestaan dan ook met name uit het vooraf water verzadigen van de fracties en/of het

gebruik van superplasticizers of andere additieven. Als dit niet helemaal adequaat gebeurt, bestaat het risico op de noodzaak voor een hoger watergehalte en aldus hoger cement gehalte om de gewenste verwerkbaarheid zowel als prestatie van het beton te bereiken.

De fysische en chemische eigenschappen van de fijne korrels hebben niet alleen

ONDERZOEK een effect op de waterbehoefte, maar ook op de korrelpakking, het bindende vermogen en de uiteindelijke prestatie en duurzaamheid van het mengsel.

Er is geen wetenschappelijk onderbouwde relatie afgeleid tussen de eigenschappen van de fijne fracties en de benodigde aanpassing van het betonmengsel om verhoogde cementgehaltes te voorkomen en benodigde prestaties te bereiken.

Dit maakt het moeilijk om de betonmengsels snel en efficiënt aan te passen op basis van de variërende eigenschappen van de fijne fracties.

Regelgeving

Nederland loopt voorop met regelgeving en aanbevelingen random het hergebruik van beton. CUR Aanbeveling 106 (5) geeft handvatten voor het toepassen van de fijne fracties 0-4 mm als vervanging van fijn zand in beton op voorwaarde dat de fijne fractie inert (niet ‘reactief’) is en niet meer dan 10 procent deeltjes kleiner zijn dan 63 micron. De specifieke droge dichtheid moet hoger zijn dan 2000 kg/m3 en het chloride gehalte moet lager zijn dan 0,03 procent m/m. Als aan deze voorwaarden is voldaan, dan is 50 procent V/V zandvervanging toegestaan, behalve in bepaalde gevallen van voorgespannen staal in beton.

Echter, in de 0-4 mm bandbreedte kunnen de fijnste fracties in meer of mindere mate invloed hebben op de bindende werking van het mengsel, hetzij door oplosbare chemische componenten

(‘reactiviteit’), hetzij door nucleatie en versnellende effecten op de werking van het cement. Daarnaast zijn de in de regelgeving voorgeschreven ontwerpen veelal gebaseerd op optimale korrelpakking voor de gangbare primaire toeslagmaterialen en vulstoffen. Bij het vervangen van primaire toeslagmaterialen door betongranulaat (grof dan wel fijn) met andere korrelvorm en oppervlakte eigenschappen, zijn de voorgeschreven zelfde korrelgraderingen niet altijd de meest optimale. Met andere woorden, de regelgeving bevat op dit moment niet alle handvatten voor een efficiënte toepassing van de fijne fractie hetgeen de huidige toepassingen beperkt.

Om het hergebruik van de fijne fractie te bevorderen zal door het consortium de komende twee jaar onderzoek worden gedaan om de volgende vraag te beantwoorden: Welke korrelfracties van zand, vulstof en/of cement kunnen vervangen worden door welke korrelfracties uit de 0-4 mm fractie van gerecycled beton en welke hoeveelheden zijn nodig om het ­cementgehalte maximaal gelijk te houden of zelfs te verlagen? Het doel van het project is daarom om de korrelfracties te vinden die resulteren in zowel: (1) optimale korrelpakking als (2) optimale interactie met cement en optimale bijdrage aan de bindende werking. Daarnaast levert dit inzicht ook de eigenschappen van de fracties waarvan het cruciaal is om de continuïteit te monitoren tijdens kwaliteitscontroles.

In het project zullen verschillende korrelfracties van fijn gerecycled beton die op verschillende manieren gescheiden

en verwerkt zijn onder de loep genomen worden. Met geavanceerde technieken en methodes worden fysisch-chemische karakteristieken gemeten en worden deze middels modellen van korrelpakking en cement interactie in verband gebracht met de prestatie van geoptimaliseerde betonmengsels.

Hiermee heeft het consortium als doel om innovaties in scheidingstechnologieën voor het recyclen van beton zowel als toepassingen met (fijn) betongranulaat te ondersteunen en te versnellen.

Auteur: Siska Valcke, TNO Meer info: Iris Jönsthövel | Program Manager | Materials innovation institute (M2i), Mobile: +31 6 18 34 45 90| i.jonsthovel@m2i.nl of met TNO

Literatuur 1) Bijleveld, M.M., Bergsma, G. C., Lieshout van, M. 2013. Milieu-impact van betongebruik in de Nederlandse Bouw.

Status quo en toetsing van verbeteropties. CE Delft report, 66p.

2) Beton maken van Beton. Volkskrant 04-06-2018.

3) Rem, P., Di Maio, F., Gebremariam, A. 2018. Terugwinnen fijne fractie uit beton. Cement 4, 2018, p. 34-37 4) L. Evangelista & J. de Brito. 2014. Concrete with fine recycled aggregates: a review. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 18:2, 129-172 5) CUR Aanbeveling 106:2014 (update foreseen). Beton met fijne fracties uit BSA granulaten als fijn toeslagmateriaal

41 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

ONDERZOEK

Structuurvorming in hiërarchische hybride materialen met behulp van cryo-elektronentomografie en vloeistofelektronenmicroscopie Inleiding

Zowel biologische hiërarchische materialen als veel synthetische materialen worden gevormd in water. In dit soort omgevingen worden deze materialen gevormd door middel van dynamische processen: nucleatie, zelfassemblage en kristalgroei. Aangezien de meeste materialen een complexe 3D-structuur hebben, de bouwstenen klein zijn en in oplossingen snel migreren, zijn er maar weinig technieken waarmee we op nanoniveau inzicht kunnen krijgen in de vormingsmechanismen. Dankzij recente ontwikkelingen in vloeistofelektronenmicroscopie (LPEM) en cryo-elektronentomografie (cryo-ET, 3D-cryo-TEM) zijn we echter beter in staat om de synthese van materialen in oplossingen te bestuderen op verschillende niveaus (De Yoreo et al. 2016; Patterson et al. 2017).

De twee technieken leveren complementaire informatie op: bij LPEM kan een video gemaakt worden van de materiaalvor-

ming maar is er weinig controle over de omgevingscondities.

Bij cryo-ET staan de omgevingscondities daarentegen vast en is het resultaat een 3D-analyse met hoge resolutie. Deze twee technieken kunnen worden gecombineerd om verschillende materiaalsystemen te analyseren, zoals biologische materialen, composietfilms, vesikels, macromoleculen en nanodeeltjes. Op dit moment kan de vorming van hiërarchische hybride materialen het meest gedetailleerd worden geanalyseerd door een tijdsgeresolveerd cryo-ET-experiment te combineren met een LPEM-experiment op siliciumnitride (SIN)-vloeistofchips of in grafeenvloeistofcellen.

Tijdsgeresolveerde cryo-elektronentomografie

Bij een algemeen cryo-TEM-experiment wordt een dunne gevitrificeerde laag van een oplossing of dispersie bestudeerd.

Hierbij worden de processen stopgezet door een dunne vloei-

Figuur 1. Schematische weergave van een vloeistofelektronenmicroscopie-experiment op een SiN-chip (links) en een verzameling van 2D-projecties van een gevitrificeerd monster op een TEM-grid vanuit verschillende rotatiehoeken (rechts), waarmee een 3D-model van bestaande objecten kan worden gemaakt bij cryo-elektronentomografie

42 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

ONDERZOEK reeks afbeeldingen van hetzelfde object opgenomen vanuit verschillende rotatiehoeken (Nudelman et al. 2011). Bij tijdsgeresolveerde cryo-ET is het vaak lastig om de complexe morfologische overgangen te volgen in macromoleculaire materialen of systemen die bestaan uit meerdere onderdelen. Dit geldt met name voor disperse systemen waarbij de evolutie niet bij elk deeltje gelijk is (zie Figuur 2). In deze situaties is LPEM een geschikte analysemethode om te combineren met cryo-ET.

Vloeistofelektronenmicroscopie

Figuur 2. Schematische weergave van een meerschalig zelfassemblageproces van primaire deeltjes via materiaalblokvorming tot macrokristallen of ruimtelijk beperkte organisaties, waarbij de structuurdynamiek wordt gekoppeld aan de evolutie van grootte en de tijdsresolutie die relevant is voor dit onderzoek. Geïnspireerd op (Dey et al. 2010)

stoflaag op een koperen rooster onder te dompelen in een geschikte koelvloeistof. Op deze manier worden de onderzochte objecten gefixeerd in een vaste amorfe laag van het oplosmiddel. De gevitrificeerde laag mag maximaal 100 nm dik zijn, zodat de laag electronen transparant is. Door de vitrificatie is een tijdsgeresolveerde monsterpreparatie van de reactieoplossing mogelijk met een effectieve resolutie van enkele seconden. Door de processen stop te zetten, kan de 3D-structuur worden bepaald met behulp van cryo-ET. Hierbij wordt een 3D reconstructie van het bestudeerde volume gemaakt uit een

LPEM biedt inzicht in de dynamiek van materiaalsynthese door de nucleatie, groei en zelfassemblage te beheersen door middel van het mengen van reagentia, stralingsgeïnduceerde depositie of thermisch geïnduceerde reacties. LPEM vult de gaten van cryo-ET-experimenten op doordat de processen in de sub-micronvloeistoflaag kunnen worden geobserveerd en de structuur en compositie kunnen worden geanalyseerd (De Yoreo & N.A.J.M. Sommerdijk, 2016). Hoewel de ruimtelijke resolutie van LPEM niet vergelijkbaar is met cryo-TEM-experimenten, is de tijdsresolutie bijvoorbeeld wel hoger dan bij atoomkrachtmicroscopie (AFM). Waarbij alleen de processen op het oppervlak geanalyseerd kunnen worden. LPEM ontwikkelt zich ook snel vanuit een scheikundig-technologisch perspectief. Dankzij nieuwe cel-/chipontwerpen kan deze techniek bijvoorbeeld worden gebruikt om chemische nanoreactoren met microfluïdische in- en uitvoerkanalen te bestuderen.

Controle en synthese van complexe polymeerstructuren

Cryo-ET kan belangrijke informatie opleveren met betrekking tot de structuur en, tot op zekere hoogte, de vorming van synthetische macromoleculaire systemen. Hoewel cryo-TEM

Figuur 3. (a) Een 2D-cryo-TEM-beeld (i) en een 3D-weergave (ii) van een poly[norborneenoligo(ethyleenoxide)]–b-[polynorborneen-GLF-peptide] bicontinu nanodeeltje en (b) een reeks cryo-TEM-beelden tijdens het afkoelen van PEO-b-PODMA-dispersies. (c) Een cryo-TEM-beeld (i) en een 3D-weergave (ii) van een uitstekend polymeervesikel, gevormd door de polymerisatie van ethyleenglycoldimethacrylaat (EGDMA) in/op een surfactantvesikelmembraan door middel van levende radicaalpolymerisatie. (d) Een reeks 2D-cryo-TEM-beelden waarop de invloed van verschillende gewichtspercentages van EDGMA in de monomeercompositie op de resulterende nanocapsules te zien is. (a) is overgenomen van (Parry et al. 2008) met toestemming van WILEY‐VCH. (b) is herdrukt met toestemming van (McKenzie et al. 2010), copyright 2018, American Chemical Society. (c, d) zijn herdrukken van (Moradi et al. 2018) met toestemming van Elsevier

43 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

ONDERZOEK inmiddels vaak wordt gebruikt om organische zelfgeassembleerde structuren te karakteriseren, is cryo-ET een relatief nieuwe onderzoeksmethode voor niet-biologische materialen. Een van de eerste voorbeelden hiervan is het onderzoek naar bicontinue polymeernanodeeltjes (Figuur 3a) (McKenzie et al. 2010; Parry et al. 2008; McKenzie et al. 2015). Hierbij is gebruikgemaakt van cryo-ET om het vormingsproces te bestuderen van de bicontinue structuren van tripeptidebevattende amfifilische dubbelgekamde di-blokcopolymeren en het blokcopolymeer poly(ethyleenoxide)-b-poly(octadecylmethacrylaat) (PEO-b-PODMA). Daarnaast is cryo-TEM gebruikt om de verschillende stadia van het polymeerassemblageproces in kaart te brengen onder variërende oplosmiddelcomposities en temperaturen. Dit onderzoek toonde aan dat de bicontinue aard van deeltjes tegen de verwachtingen in niet wordt veroorzaakt door een veranderende oplosmiddelcompositie, maar door een omkeerbare temperatuurtransitie in puur water (nadat het organische oplosmiddel volledig is verwijderd) (McKenzie et al. 2016).

Cryo-ET is ook gebruikt om de vorming van hybride surfactantpolymeervesikels te bestuderen. Hierbij werd de evolutie van de vesikelstructuur bepaald door de compositie van monomeren te veranderen tijdens een levende radicaalpolymerisatie aan de surfactantvesikeloppervlakte (Figuur 3b) (Moradi et al. 2018).

Dit onderzoek naar de evolutie van uitstekende nanocapsulemorfologieën met verschillende diffusie-eigenschappen

tijdens levende radicaalpolymerisatie van monomeer mengsels met verschillende hydrofobiciteiten en reactiesnelheden op de surfactantvesikeloppervlakte laat goed zien wat de voordelen zijn van cryo-ET bij materiaalsynthese. Het is essentieel om gedetailleerd inzicht te krijgen in deze processen, zodat deze informatie kan worden gebruikt voor toekomstig onderzoek naar de synthese van complexe morfologieën.

Onderzoek naar polymeergecontroleerde mineralisatievorming

In veel biomineralisatiesystemen worden de nucleatie en groei van verschillende kristallijne fasen aangestuurd door macromoleculaire clusters (Veis & Dorvee 2013). Geladen biopolymeren spelen een rol bij de stabilisatie van amorfe precursorfasen waaruit de meeste van deze kristallijne biomineralen gevormd worden (Xu et al. 2018). Het is echter nog onduidelijk hoe de polymeren het biomineralisatieproces sturen. Dit komt gedeeltelijk doordat het erg lastig is om biomimetische mineralisatiesystemen te bestuderen met een temporele en ruimtelijke resolutie die hoog genoeg is.

Een interessant voorbeeld hiervan is het onderzoek naar de nucleatie en groei van CaCO3 in een matrix van polystyreensulfonaat (PSS) met behulp van LPEM (Figuur 4). Hieruit bleek dat de binding van calciumionen, die Ca-PSS-globulen vormen, een essentiële stap is bij de vorming van metastabiel amorf calciumcarbonaat (ACC) (Smeets et al. 2015). Bij dit onderzoek werd de deeltjesontwikkeling over tijd geanaly-

seerd om kinetische informatie over de reactie te verkrijgen. Met behulp van deze informatie kon het vormingsmechanisme worden bepaald. Het belangrijkste resultaat van dit onderzoek was dat ionenbinding een significante rol kan spelen bij het aansturen van de nucleatie, onafhankelijk van de controle over de vrije-energiebarrière tijdens nucleatie. Dankzij deze informatie beschikken biologen over een nieuw hulpmiddel om groeifasen te manipuleren.

Conclusie

Het begrijpen van de materiaalvormingsprocessen in en uit oplossingen/ dispersies is een gecompliceerde maar essentiële taak binnen de materiaalchemie. Cryo-ET kan worden gebruikt om de structurele evolutie te bestuderen van een groot aantal materialen onder verschillende omstandigheden, zoals opwarming/koeling of de interactie met reagerende monomeren. De combinatie van cryo-ET met LPEM kan erg nuttig zijn bij kinetisch onderzoek naar dit soort transformaties. Daarnaast zorgen deze twee technieken samen voor een beter inzicht in de evolutie van nanostructuren.

Mohammad-Amin Moradi, Mark M.J. van Rijt en Nico A.J.M. Sommerdijk, Materials and Interface Chemistry, Department of Chemical Engineering and Chemistry, Eindhoven University of Technology.

Figuur 4. (a) Reeks beelden 45 minuten na diffusie van (NH4)2CO3, waarop de initiële nucleatie en groei van een CaCO3-deeltje in of op een primaire Ca-PSS-globule te zien is binnen een periode van 4 seconden (i-viii) (ACC 1; schaalbalken van 20 nm). (b) Geëxtrapoleerde groeisnelheden tegen de gemiddelde radius van twee ACC-deeltjes (ACC 1 en 2 met PSS), vergeleken met die van drie vaterietdeeltjes (zonder PSS). (a, b) zijn herdrukken van (Smeets et al.

2015) met toestemming van de Nature Publishing Group

44 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

ONDERZOEK Een deel van dit onderzoek is uitgevoerd in het kader van het 4TU.High-Tech Materials-onderzoeksprogramma ‘New Horizons in designer materials’ (www.4tu. nl/htm). De projectpagina vindt u hier: https://www.4tu.nl/htm/en/new-horizons/understanding-structure-formation/ m.a.moradi@tue.nl

Referenties Dey, A., de With, G. & Sommerdijk, N.A.J.M., 2010. Chemical Society Reviews, 39(2), pp. 397–409.

McKenzie, B.E. et al., 2015. Angewandte Chemie (International ed. in English), 54(8), pp.2457–61.

McKenzie, B.E. et al., 2010. Journal of the American Chemical Society, 132(30), pp.10256–9.

McKenzie, B.E. et al., 2016. Soft Matter, 12(18), pp.4113–4122.

Moradi, M.-A. et al., 2018. European Polymer Journal, 108, pp.329–336.

Nudelman, F., de With, G. & Sommerdijk, N.A.J.M., 2011. Soft Matter, 7(1), pp.17–24.

Parry, A.L. et al., 2008. Angewandte Chemie, 120(46), pp.8991–8994.

Patterson, J.P. et al., 2017. Accounts of Chemical Research, 50(7), pp.1495– 1501.

Smeets, P.J.M. et al., 2015. Nature Materials, 14, p.394.

Veis, A. & Dorvee, J.R., 2013. Calcified tissue international, 93(4), pp.307–315.

Xu, Y. et al., 2018. Nature Communications, 9(1), p.2582.

De Yoreo, J.J. & Sommerdijk, N.A.J.M., 2016. Nature Reviews Materials, 1(8), p.16035.

45 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

AGENDA BAU München 2019 14 - 19 januari 2019, München

Building Holland 2019 9 - 11 april 2019

43rd (ICACC19) 27 januari - 1 februari 2019, Daytona Beach, Fla. USA

3D-printing Europe 2019 10 - 11 april 2019, Berlijn

Bouwbeurs 2019 4 - 8 februari 2019, Utrecht

KMO, Fachmesse für Kunststoffinnovationen 11 april 2019, Bad Salzuflen

Ulmer Betontage 19 - 21 februari 2019, Ulm

5th Ceramics Expo 30 april - 1 mei 2019, Cleveland, Ohio USA

Maintenance Dortmund 2019 20 februari 2019, Dortmund

Swisstech 2019 14 - 17 mei 2019, Basel

AM Expo 2019 12 - 13 maart 2019, Luzern

Materials & Eurofinish 2019 15 - 16 mei 2019, Leuven

MaterialDistict 12 - 14 maart 2019, Rotterdam

Materials & Eurofinish 2019 15 - 16 mei 2019, Leuven

JEC World 2019 12 - 14 maart 2019, Parijs

Architect@work Zürich 15 - 16 mei 2019, Zürich, Zwitserland

CCE International 2019 12 - 14 maart 2019, München

Moulding Expo 2019 21 mei 2019, Stuttgart

RapidPro 2019 13 - 14 maart 2019, Veldhoven

25th International Congress on Glass (ICG2019) 9 - 14 juni 2019, Boston, USA

Fastener Fair Stuttgart 2019 19 - 21 maart 2019, Stuttgart

XVI ECerS Conference 16 - 20 juni 2019, Turijn

Bauma 2019 8 - 14 april 2019, München

Materials Science & Engineering 2019 24 - 26 juni 2019, Wenen

46 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

http://hightechmaterials.4tu.nl

INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

Select key words and find relevant materials scientists or research groups within 4TU.

High-Tech Materials form the key to innovative and sustainable technology

www.4tu.nl/htm @4TU_HTM

4TU.HTM Research Programme New Horizons in Designer Materials | Visibility and accessibility of Materials Science & Engineering | Annual symposium Dutch Materials | 4TU.Joint Materials Science Activities | web application http://hightechmaterials.4tu.nl

47 | INNOVATIEVE MATERIALEN 6 2018

Innovatieve Materialen Innovatieve Materialen is een interactief, digitaal vakblad over nieuwe en/of innovatief toegepaste materialen in de civieltechnische sector, bouw, architectuur en design. Kerngedachte achter het blad is dat de materialensector tot dusver was ‘verzuild’ op basis van materiaalsoorten, waardoor veel kennis en kansen niet worden benut. Daar wil Innovatieve Materialen iets aan doen.

Innovatieve Materialen verschijnt in digitale vorm zes keer per jaar. Abonnees ontvangen een bladerbare versie plus een downloadable pdf-editie. Beide versies zijn interactief, en bevatten hyperlinks en video’s.

Digitaal

Innovatieve Materialen is een digitaal vakblad, wat logischerwijs de mogelijkheid geeft om meer informatie toe te voegen dan in een conventio­neel papieren vakblad gebruikelijk is.

Vaak wordt er bij de artikelen een koppeling gemaakt met een relevante website, achterliggende informatie, rapporten, videomateriaal en/of eerder verschenen artikelen.

Uitgever: SJP Uitgevers: Postbus 861, 4200 AW Gorinchem. Tel. 0183 66 08 08 Vraag een gratis digitaal proefnummer aan: info@innovatievematerialen.nl