IM20193NL

Nummer 3 2019

URBACHTOREN VAN ZELFVORMEND HOUT EXPERIMENTEEL BETON 2018 DEKPLANKEN VAN VEZELVERSTERKT KUNSTSTOF DUN ‘SMARTPHONE GLASS’ ALS GEVELBEGLAZING HET ONTSTAAN VAN DE MODERNE POLYMEERWETENSCHAP

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

Hoofdredactie: Gerard van Nifterik

Uitgeverij

Advertenties

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, Prof. Dr. ir. Christian Louter Institut für Baukonstruktion Technische Universität Dresden ).

1Nieuws 8 Urbachtoren; zelfvormend hout

Onderzoekers van de universiteit van Stuttgart ontwikkelden de zogenaamde Urbach-toren, een constructie gemaakt van zelfvormend hout. De componenten voor de 14 m hoge toren zijn vlak ontworpen en vervaardigd en vervormen zelfstandig door te drogen. De toren is gebouwd als onderdeel van de Remstal Gartenschau 2019.

12 Experimenteel beton 2018

Sinds een aantal jaren wordt het inspiratieproject ‘experimenteel beton’ georganiseerd, bedoeld om de grenzen op te zoeken van dat wat met het materiaal mogelijk is. Ieder jaar wordt er een presentatie van de workshops van het daaraan voorafgaande jaar gehouden. Die van 2018 werden gepresenteerd tijdens de Bouwbeurs in februari van dit jaar. Eind april verscheen een inspiratieboek, waarmee het project Experimenteel Beton 2018 formeel werd afgerond.

16 Dinzerbrug: dekplanken van vezelversterkt kunststof

Zeven bruggen over de Stroobosser Trekfeart, tussen Dokkum en Gerkesklooster in Friesland, bleken bij een onderzoek in 2012 niet sterk genoeg meer te zijn voor hun huidige functie. De provincie Fryslân, die deze bruggen in eigendom heeft, maakte een plan voor de restauratie en versterking van de bruggen met als belangrijk uitgangspunt het behoud van de beeldkwaliteit. De brugdekken bestonden vanouds uit houten planken en ook op de nieuwe bruggen komen houten dekken, met uitzondering van de Dinzerbrug bij Dokkum. Daarvoor zocht de provincie Fryslân een duurzaam alternatief en dacht daarbij aan vezelversterkt kunststof.

20 Dun ‘Smartphone Glass’ als gevelbeglazing

Het onderzoek op het gebied van nieuwe toepassingen van dun glas in de bouwsector laat veelbelovende resultaten zien. Dun glas kan worden toegepast als een aanpasbaar gevelbeglazingssysteem. Hierdoor biedt het aantrekkelijke glasoplossingen die hun vorm kunnen veranderen in functie van externe parameters. Bovendien biedt dun glas in combinatie met 3D-geprinte polymeerkernen sterke en stijve maar zeer lichtgewicht composiet gevelbeglazingspanelen met een aantrekkelijk uiterlijk.

Voordeel van dergelijke panelen is het installatiegemak, vermindering van transportenergie en mogelijkheden voor zonwering en daglichtregeling binnen het ontwerp van de 3D-geprinte kern. Verdere studies naar dun glas als gevelbeglazing worden momenteel ontwikkeld.

26 Het ontstaan van de moderne polymeerwetenschap

Polymeren zijn essentiële bouwstenen van zowel het biologische leven als van kunstmatige, alledaagse objecten. Elk polymeermolecuul bestaat uit lange ketens van zich herhalende eenheden (mers) die ofwel lineair ofwel in een complexe architectuur met elkaar zijn verbonden. Bouwstenen kunnen nucleotiden zijn in DNA, aminozuren in eiwitten of op aardolie gebaseerde kleine moleculen, zoals ethyleen, propyleen of styreen in het geval van synthetische polymeren. Herman Staudinger stelde vrijwel precies honderd jaar geleden voor dat polymeren covalent gebonden, kettingachtige moleculen zijn. Om deze ontdekking te vieren, is het jaar 2020 het jaar van de polymeerwetenschap genoemd.

34 Smart Materials deel 2: Piëzo-elektrische materialen

Slimme materialen zijn overal, maar vaak onzichtbaar of gewoon niet herkend. Dit is het tweede artikel in een reeks van acht, waarin prof. Pim Groen de wereld van slimme materialen bespreekt; dit keer piëzo-elektrische materialen. Piëzo-elektriciteit is de elektrische lading die zich ophoopt in bepaalde vaste materialen als reactie op toegepaste mechanische vervorming/druk en vice versa.

38 Enterprise Europe Network: New requests for partnership INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2019

NIEUWS

Polymeer geleidt warmte Polymeren zijn meestal het aangewezen materiaal voor thermische isolatie.

Ingenieurs van het Massachusetts Institute of Technology MIT. Het instituut ontwikkelde een dunne, warmtegeleidende polymeer film; een eigenschap die normaal gesproken in verband wordt gebracht met metalen. De resultaten werden eerder dit jaar gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, onder de titel ‘Nanostructured polymer films with metal-like thermal conductivity’. Volgens MIT kan het onderzoek een belangrijke versnelling geven aan de ontwikkeling van flexibele, corrosiebestendige, lichtgewicht, polymere isolatoren. Zulke materialen zijn een alternatief voor traditionele metalen warmtegeleiders, voor toepassingen, variërend van warmteafvoer in laptops

en mobiele telefoons, tot koelelementen in auto's, koelkasten enzovoorts.

Het team slaagde er in om dunne polymere films te maken op basis van een commercieel verkrijgbaar polyethyleenpoeder. Normaal lijkt de microscopische structuur van polyethyleen (en de meeste polymeren) op een spaghetti-achtige wirwar van molecuulketens. Warmte heeft moeite om die ketenkluwens te passeren (wat de intrinsieke isolerende eigenschappen van een polymeer verklaart). Het team zocht daarom naar manieren om de moleculaire kluwens van polyethyleen te ontwarren en zodoende min of meer parallelle ketens te maken waarlangs warmte beter afvloeit. Daartoe ontwikkelde het team een oplossing die als het polyethyleen poeder er in wordt opgelost, de opgerol-

de ketens ontwart. Vervolgens ontwikkelde men een methode om de vloeistof te verwijderen en van het resterend polymeer een film te maken, dunner dan plastic folie.

Uit tests bleek ten slotte dat de nieuwe polyethyleen film rond 60 watt per meter per graad Kelvin kan afvoeren; terwijl dat voor de meeste polymeren op ongeveer 0,1 tot 0,5 watt per meter per Kelvin ligt.

Meer op MIT > De paper ‘Nanostructured polymer films with metal-like thermal conductivity’ is online>

MIT onderzoekers veranderden de structuur van polyethyleen van spaghetti-achtige, moleculaire ketens (links) in rechtere strengen (rechts). Daardoor bleek het materiaal uitstekend warmte te kunnen geleiden, beter zelfs dan de veel metalen

1 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

NIEUWS

Betonnen rioolcomponenten van de 3D-printer

Tijdens de Hannover Messe 2019 presenteerde het Bundesanstalt f端r Materialforschung und pr端fung (BAM) haar onderzoek naar fabricagetechnieken voor complexe 3D-geprintte betonelementen.

BAM denkt dat in de toekomst deze processen het mogelijk zullen maken om op maat gemaakte componenten voor bijvoorbeeld rioolsystemen relatief snel en goedkoop te produceren.

Het basisidee is dat bij de conventionele productie van betoncomponenten de ontwerpopties worden beperkt door de relatief dure bekisting. Als in de infrastructuur functionele elementen moeten worden vervangen, bijvoorbeeld van-

2 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

wege schade, wordt reparatie dan ook vaak geassocieerd met hoge kosten. Met additieve productieprocessen kunnen in zulke gevallen kosteneffectieve, op maat gemaakte betoncomponenten in kleine series worden geproduceerd. Tegen deze achtergrond onderzoeken BAM en de TU Clausthal momenteel de mogelijkheden van het 3D-printen van alkali geactiveerd beton. Op de stand van BAM werd tijdens de Hannover Messe een zestig centimeter grote kubus met gaten getoond, die met een 3D-printer was gemaakt.

Het Bundesanstalt f端r Materialforschung und pr端fung is betrokken bij het EU-pro-

ject AMITIE (Additive Manufacturing Initiative for Transnational Innovation in Europe). Als onderdeel van AMITIE werken de BAM-wetenschappers samen met de Italiaanse startup Desamanera aan het 3D-printen van zeer grote, complexe componenten gemaakt van beton.

Bron: Baulinks.de>

NIEUWS

’s Werelds langste betonnen 3D-geprinte brug Op 13 mei is begonnen met het 3D-printen van een brug, die de langste betonnen 3D-geprinte voetgangersbrug ter wereld moet worden. Het project is een samenwerkingsverband van RWS en de gemeente Eindhoven (opdrachtgevers), de Technische Universiteit Eindhoven als kennispartner en BAM, Dywidag, Weber Beamix, Summum Engineering en Witteveen+Bos als marktpartijen.

Rijkswaterstaat wil naar eigen zeggen ervaring opdoen met de mogelijkheden die 3D-printen biedt voor duurzame en circulaire projecten. Samen met ontwerper Michiel van der Kley is een voetgangersbrug ontwikkeld, die in de zomer van 2019 wordt geplaatst in Nijmegen.

Rijkswaterstaat draagt zorg voor de bouw van de brug. Het onderzoek naar de constructieve veiligheid van de 3D-geprinte brug gebeurt op de TU Eindhoven.

3D-printen met beton biedt milieuvoordelen: zo is minder materiaal nodig, doordat de betonprinter alleen beton toepast daar waar het nodig is.

Daarnaast is het efficiĂŤnter omdat het ontwerp, de mal, met slechts wat kleine aanpassingen hergebruikt kan worden voor andere nieuwe bruggen.

De voetgangersbrug heeft een overspanning van 28,5 m en een breedte van 3,6

m en zal in delen worden geprint. Deze delen worden vervolgens op locatie in elkaar gezet. De brug komt in plaats van een verouderde houten brug Nijmegen.

Volgens planning wordt de 3D-geprinte brug in de zomer van 2019 geplaatst.

Meer bij RWS>

3 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

NIEUWS

Foto: notredamedeparis.fr

‘Herbouw Notre Dame met haar eigen 3D-geprinte as’ Afgelopen april werd het dak van de Notre Dame in Parijs verwoest door brand. Sindsdien heeft president Macron beloofd het gebouw te restaureren en miljoenen euro's zijn inmiddels vrijgemaakt om dat mogelijk te maken. Maar hoe? De schatting is dat er minstens vierhonderd vakmensen moeten worden opgeleid om de klus te klaren: meester-steenhouwers, houtbewerkers, dakdekkers, beeldhouwers en andere ambachtslieden. De gespecialiseerde arbeid is in Frankrijk eenvoudigweg niet beschikbaar en er wordt geschat dat het minstens tien jaar zou duren om genoeg geschikte vaklieden op te leiden. En dan nog, als die vakmensen er zijn, hoe zit het met de materialen?

Notre Dame werd gebouwd van hout en steen. Het eikenhout komt uit oude bossen die in de 13e eeuw werden gekapt. Het gebruikte steen is een typische Parijse steen, gedolven uit Parijse mijnen, die al lang zijn gesloten en zich nu diep onder onder het 5e, 6e, 14e en 15e arrondissement bevinden.

4 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

Volgens de oprichters van CONCR3DE, Eric Geboers en Matteo Baldassari, zou het simpelweg kopiëren van het gebouw, alsof er nooit een brand was geweest,

daarom een historische vervalsing zijn, ook al waren alle materialen en vakmanschap beschikbaar. CONCR3DE werd in 2016 opgericht met het doel

3D-geprinte Le Stryge uit Parijse kalksteen en as, in avondlicht (afbeelding door CONCR3DE)

NIEUWS om met behulp van inkjet 3D-printtechnologie duurzame, architectonische en constructieve vormen te ontwerpen en te maken. Hun idee is nu om de overblijfselen van de Notre Dame te gebruiken om de kathedraal weer op te bouwen.

Op die manier zou het steenmateriaal worden hergebruikt en de ‘ziel’ van het gebouw worden behouden.

Gelukkig is in 2000 een volledige 3D-scan van de kathedraal gemaakt, waardoor het oorspronkelijke ontwerp van de kerk bewaard is gebleven. CONCR3DE wil dit gebruiken om de Notre Dame te reconstrueren door het 3D te printen en wel door de as, stof en beschadigde steen te verzamelen en om te zetten in een 3D-printbaar poeder. Het poeder heeft dezelfde kleur als het geelgrijze Parijse steen, vermengd met de verkoolde res-

tanten van het hout. Zo zouden de verloren gegane delen van de Notre Dame kunnen worden gereconstrueerd door ze op basis van 3D-scans te 3D-printen.

Volgens Geboers en Baldassari is dat geen luchtfietserij. De afgelopen jaren heeft het Rotterdamse bedrijf allerlei steenachtige 3D-drukmaterialen gemaakt. Zoals een 3D-print van Le Stryge 3D, een beroemde demon, in de 19e eeuw werd gemaakt door Viollet Le Duc. Ze maakten de replica op basis van een 3D-scan en met een materiaal dat bestond uit een combinatie van kalksteen en as.

Op dezelfde manier denken ze nu de Notre Dame te kunnen herbouwen.

Er kan een werkproces worden opgezet, waarbij puin wordt vermalen en gemengd, en direct 3D-geprint. De bouwdelen kunnen vervolgens door vak-

mensen worden geïnstalleerd. En dat, zonder dat er nieuwe, dure en moeilijk te vinden materialen nodig zijn. Volgens CONCR3DE zou de Notre Dame op die manier binnen enkele maanden kunnen worden heropend.

'We willen graag dat de Notre Dame als een feniks uit haar as herrijst,' zeiden Geboers en Baldassari, 'De brand maakt nu deel uit van de lange geschiedenis.

Het gebouw moet trots zijn bewogen geschiedenis laten zien en de wereld laten tonen wat het heeft overwonnen.

De brand kan ook de toekomst van de Notre Dame zijn.'

Tekst is gebaseerd op een artikel van Eric Geboers en Matteo Baldassari.

Meer info over CONCR3DE is te vinden op CONCR3DE.com>

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

5 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

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.

3D-geprinte bioplastic structuren In opdracht van modemerk COS ontwierp architectenbureau Mamou-Mani een groot 3D-geprinte architectonische structuur gemaakt van bioplastic, die was te zien tijdens Milaan Design week eerder dit jaar. Conifera, zoals het project heet, werd gemaakt van 700 in elkaar grijpende modulaire ‘stenen,’ van een mix van hout en bioplastic. Het materiaal is gemaakt van volledig composteerbare middelen. De stenen zijn er in drie verschillende kleuren. De bruine zijn van hout, de witte zijn gekleurd met pigment en de doorschijnende zijn gemaakt van puur PLA. Meer bij MaterialDistrict>

Remake ceramics Met ‘Remake ceramics’, hergebruikt Fabrique publique keramische scherven, en gebruikt ze als grondstof voor nieuwe producten. De eerste tests met gerecycleerde keramiek werden toegepast op een servies onder de naam ‘Future history’. De keramische voorwerpen bevatten tussen vijf en tien procent gerecycled materiaal. Met vervolgonderzoek werden tests uitgevoerd met hogere percentages gerecycled materiaal, evenals experimenten met kleinere/grotere korrels.

Meer bij MaterialDistrict>

Gordijn-achtige bakstenen gevel Architectenbureau Behet Bondzio Lin Architekten ontwierp een bakstenen gevel die lijkt op een gedrapeerd gordijn. Het is ontworpen voor het gebouw van de Vereniging van de Noordwest-Duitse Textiel-en Kledingindustrie. Het architectenbureau gebruikte zeven verschillende soorten bakstenen in verschillende kleuren. In totaal zijn 74.000 custom-made stenen gebruikt, elk vooraf gerangschikt in een computerprogramma om het gewenste effect te creëren. Het ontwerp won de Deutscher Ziegelpreis 2019.

Meer bij MaterialDistrict>

6 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2019

MAKE IT MATTER Tegels met vulkanische as Design Studio Formafantasma en Dzek ontwikkelden een tegelcollectie - ExCinere - geglazuurd met vulkanische as. ExCinere is een tegelfamilie voor zowel binnen- als buitentoepassingen, van keuken- en badkamervloeren tot aan architectonische gevelbekleding. Het ExCinere project onderzoekt verder de toepassing van lava, een natuurlijk en veelvoorkomend materiaal.

Dzek en Formafantasma presenteerden de nieuwe collectie tijdens de Milan Design week.

Meer bij MaterialDistrict>

Koffiepolymeer Koffiepolymeer is een materiaal dat voor 30 procent bestaat uit koffiedik en voor 70 procent uit andere biobased grondstoffen. Er zijn drie versies beschikbaar. Espresso-polymeer is een biobased materiaal, volledig gemaakt van een natuurlijke grondstof. Het cappuccino-polymeer is volledig biologisch afbreekbaar in natuurlijke omstandigheden in ongeveer een jaar.

Opgeslagen onder droge omstandigheden kan het jarenlang worden gebruikt. Het Americano-polymeer is ontwikkeld voor eenmalig gebruik. In ongeveer twee maanden wordt het materiaal biologisch afgebroken.

Meer bij MaterialDistrict>

Warka Toren haalt drinkwater uit de lucht Non-profit organisatie Warka Water ontwierp een verticale constructie, gemaakt van eenvoudige materialen zoals een polyester net en bamboe, waarmee drinkwater uit de lucht kan worden gehaald. Het ontwerp van de Warka toren is gebaseerd op het feit dat de lucht altijd een bepaalde hoeveelheid waterdamp bevat, ongeacht de lokale omgevingstemperaturen en de vochtigheidsomstandigheden. Doel is om dagelijks 40 tot 80 liter drinkwater te verzamelen.

Meer bij MaterialDistrict>

3D-geprinte straatmeubilair als anti terreur barrière Joe Doucet ontwierp ‘Rely:’ een rij van 3D-geprinte, en aan elkaar vebonden betonnen zitbanken, die tegelijk kunnen worden gebruikt als anti-terreur barrière. De 3D-geprinte betonnen units, ieder met een gewicht van meer dan een ton, zijn aan elkaar bevestigd met stalen staven. Als een voertuig inrijdt op een voetgangersgebied, expres of per ongeluk, vangen de banken het voertuig op en maken het onschadelijk. Rely wordt geproduceerd door Urbastyle.

Meer bij MaterialDistrict>

7 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

Zelfvormend hout

Urbach-toren

Het Institute for Computational Design and Construction (ICD) en het Institute of Building Structures and Structural Design van de universiteit van Stuttgart ontwikkelden de zogenaamde Urbach-toren, een constructie gemaakt van zelfvormend hout. De componenten voor de 14 m hoge toren zijn vlak ontworpen en vervaardigd en vervormen zelfstandig door te drogen. Daarbij krijgen ze hun definitieve, voorgeprogrammeerde, gebogen vorm. Volgens ICD opent dat nieuwe, architectonische mogelijkheden voor hoogwaardige, elegante structuren, gemaakt met duurzaam, hernieuwbaar en lokaal geproduceerd bouwmateriaal.

De toren is gebouwd als onderdeel van de Remstal Gartenschau 2019.

In houtconstructies zorgt vocht voor typische problemen als scheuren en vormverandering. Dat maakt het noodzakelijk om vochtveranderingen en spanningsontwikkeling zorgvuldig te beheersen. Daarentegen is hout in het Urbach-project juist zo geprogrammeerd en gerangschikt om de natuurlijk voorkomende vervorming te gebruiken om zelfvormend gedrag te activeren.

De vormverandering wordt alleen gedreven door de typische krimp van het hout als het vochtgehalte afneemt. De structurele gebogen Cross Laminated Timber (CLT) componenten van de toren zijn ontworpen en geproduceerd als

8 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019 vlakke panelen die autonoom vervormen tot voorspelde gebogen vormen als ze zijn gedroogd.

De dubbele vurenhouten panelen van 5,0 m x 1,2 m worden aanvankelijk vervaardigd met een hoog houtvochtgehalte en vervolgens gedroogd met een standaard industrieel droogproces. Als de panelen uit de droogkamer komen, zijn ze exact gekromd. De delen worden overlappend en aan elkaar gelamineerd, waardoor grotere gebogen CLT-componenten ontstaan met een vormstabiele geometrie. Er zijn materiaalspecifieke mechanica-modellen ontwikkeld om zowel de materiaalsamenstelling te bepalen als het gedrag te voorspellen, nodig om verschillende krommingen te kunnen maken.

Componenten

De toren bestaat uit twaalf gebogen delen, veertien meter hoog, naar buiten uitkragend, met een transparant dak.

De kromming maakt een laag gewicht en slanke structuur mogelijk. Elk van de onderdelen is slechts 90 mm dik en heeft een beschermende laag gelamineerd larikshout en een anorganische coating die het hout beschermt tegen UV-straling en schimmels. De elementen zijn verbonden door kruiskopschroeven.

De Urbach-toren is een van de zestien ‘structuren’ ontworpen voor de Remstal Gartenschau 2019. De bouwwerken zijn relatief kleine, permanente gebouwen die doen denken aan de traditionele

witte kapelletjes die verspreid liggen tussen de velden en wijngaarden langs de schilderachtige Rems Vallei in Baden-Württemberg.

Projectteam ICD – Institute for Computational Design and Construction, University of Stuttgart Prof. Achim Menges, Dylan Wood ITKE – Institute of Building Structures and Structural Design, University van Stuttgart Prof. Jan Knippers, Lotte Aldinger, Simon Bechert In samenwerking met het Zwitserse Laboratory of Cellulose and Wood Mate-

rials, Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology), de eveneens Zwitserse Wood Materials Science afdeling van ETH Zurich en Blumer-Lehmann AG, Gossau, Zwitzerland Het project werd ondersteund door Gemeinde Urbach, Remstal Gartenschau 2019 GmbH, the University of Stuttgart, de Deutsche Bundesstiftung Umwelt DBU en het Zwitserse innovatie agentschap InnoSuisse Universiteit Stuttgart> Remstal Gartenschau 2019> Foto’s: ICD ITKE Universiteit van Stuttgart

9 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

NIEUWS

FIBERBOTS FIBERBOTS is de naam voor een digitaal productieplatform, ontwikkeld door de Mediated Matter-groep van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) Media Lab. De groep houdt zich vooral bezig met de combinatie van robotproductie en zogenaamde geavanceerde materiaalarchitectuur. Het FIBERBOTS platform maakt ontwerp en digitale fabricage mogelijk van grote structuren met hoge ruimtelijke resolutie. Dat gebeurt door gebruik te maken met een soort zwerm-gedrag. In de natuur wordt soms op zo’n manier samengewerkt, bijvoorbeeld door bijen, mieren en termieten om snel structuren te bouwen die veel groter zijn dan zijzelf.

De FIBERBOTS zijn volgens de ontwikkelaars in wezen een communicerende zwerm robots, ontworpen om glasvezelfilament om zich heen te winden,

10 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

NIEUWS waardoor sterke buisstructuren ontstaan. Deze structuren kunnen parallel worden gebouwd en met elkaar worden verweven, waardoor er snel architectonische structuren tot stand kunnen worden gebracht. De robots zijn mobiel en maken gebruik van sensorfeedback om de lengte en kromming van elke afzonderlijke buis te regelen, en dat op basis van een speciaal ontwerpprotocol.

De zestien robots, inclusief het besturingssysteem, werden door MIT in eigen beheer ontwikkeld en zijn inmiddels gebruikt om autonoom een 4,5 m hoog bouwsel tot stand te brengen.

De onderzoekers zeggen met hun onderzoek te willen laten zien dat een een-axiale productiemethode met communicerende fabricage-units prima in staat is om multifunctionele structuren te bouwen. Bovendien willen de onderzoekers aantonen dat het principe toepasbaar is op alle schaalniveaus: van microstructuren tot architectonische bouwwerken.

Het FIBERBOTS-project is een ontwikkeling van de Mediated Matter-groep in het MIT Media Lab. Onderzoekers zijn: Markus Kayser, Levi Cai, Christoph Bader, Sara Falcone, Nassia Inglessis, Barrak Darweesh, João Costa en Prof. Neri Oxman (Founding Director). www.media.mit.edu/projects/fiberbots/overview/

Video

Koperen wandbekleding Archdaily.com besteedde eerder dit jaar aandacht aan een opvallend renovatieproject van Architect en ontwerper Peter Ebner and friends ZT GmbH. De renovatie vond plaats aan het ‘Freiherrliche von und zu Guttenberg`sche Hauptverwaltung GbR’ in München.

Het project had betrekking op een oorspronkelijk in Art Nouveau stijl ontworpen gebouw van architect Emanuel von Seidl.

Na de Tweede Wereldoorlog werd het gesloopt, op de gevel na. De rest werd opnieuw opgebouwd. De architecten wilden bij de renovatie op de eerste verdieping de sfeer van de oude gevel binnen laten terug komen. De materiaalkeuze voor de wandbekleding viel daarbij op koper. Eerst werden de wanden in de gewenste vorm bekleed met gips, waarover de 2 mm dikke koperen platen werden aangebracht. Het resultaat is een blinkend, enigszins barok interieur, met een sfeer en belichting die door het reflecterende metaal gedurende de dag steeds verandert.

Archdaily.com>

11 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

Experimeteel beton 2018 Sinds een aantal jaren wordt het inspiratieproject ‘experimenteel beton’ georganiseerd, bedoeld om de grenzen op te zoeken van dat wat met het materiaal mogelijk is. Het project is ontstaan in 2003 als initiatief van het Cement&BetonCentrum en valt tegenwoordig onder de verantwoordelijkheid van het Betonhuis Constructief Prefab. De grondgedachte bleef echter hetzelfde en dat leverde inmiddels een indrukwekkend aantal out of the box concepten op. In plaats van grijs, saai en functioneel, wordt beton opgevat als speels, innovatief en grensverleggend (zie ook Innovatieve Materialen nummer 1 2018). Ieder jaar wordt er een presentatie van de workshops van het daaraan voorafgaande jaar gehouden. Die van 2018 werden gepresenteerd tijdens de Bouwbeurs in februari van dit jaar. Eind april verscheen een inspiratieboek, waarmee is het project Experimenteel Beton 2018 werd afgerond.

Experimenteel beton 2018 vond plaats onder de noemer ‘Adaptieve bekistingen’ en in die geest zijn verschillende concepten onderzocht. Zoals B adaptive waarbij de drie materialen beton, glas en staal tot een sandwichelement zijn samengevoegd. De interne ruimte wordt tot een bijna vacuüm gebracht waardoor een zeer hoge isolatiewaarde wordt

12 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

bereikt. De interne druk is instelbaar van bijna vacuüm tot normale luchtdruk. Hierdoor kan op ieder moment van de dag, in elk jaargetijde, de juiste isolatiewaarde verkregen worden.

(Idee & ontwerp: Egbert Boertien; prototype: Geelen Beton met Skaup architecture)

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

B adaptive: de interne ruimte is tot een bijna vacuüm gebracht, waardoor een hoge isolatiewaarde wordt bereikt

Geaderd

Typisch aan natuursteen is de ‘tekening’ of ‘aders’ die zorgen voor telkens een ander paneel terwijl ze wel duidelijk ‘familie’ van elkaar zijn, qua kleur en structuur. Experimenteel beton heeft gezocht naar soortgelijke eigenschappen in beton. Er is getest met productiemethoden en mengsels waarmee vanuit hun eigen karakter de gewenste patronen en texturen werden gemaakt. De eindresultaten zijn dus niet esthetisch ontworpen, alleen de productiemethode is bepaald.

(Idee & ontwerp: Siebe Bakker & Patricia Hessing; prototype: Byldis)

Kleimal

Onderzoek naar het gebruik van klei als malmateriaal. Het blijkt dat de klei goede eigenschappen heeft om te gebruiken als bekisting. Het kan alle vormen aannemen en is te voorzien van een oppervlaktestructuur. Het is geschikt om ‘onmogelijke’ ‘niet-lossende’ vormen te maken. Na uitharding van het Boven: ‘geaderd’; onder: kleimal

13 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019 beton is de klei nog soepel en deze kan weer opnieuw worden gebruikt in een volgende mal.

Een tweede onderzoek richt zich op het opschalen van de techniek en het gebruik van een drie-assige frees om de klei te bewerken. Deze techniek wordt al lange tijd gebruikt door ontwerpers bij het maken van één op één prototypen voor de auto-industrie. (Idee & ontwerp: Michael van Leeuwen; prototypen: Riboton & Geelen Beton; Verhoeven Timmerfabriek Nederland)

Links: Latex; boven en onder: dubbel-dubbel gekromd

Latex

Een goede combinatie tussen latex (rubber) en beton moet kunnen leiden tot flexibele elementen. Essentieel zijn de hechting tussen de beide materialen en de verwerkbaarheid. Het is gebleken dat het gelijktijdig produceren van het beton en de rubberelementen helaas niet goed werkt gezien de verschillen in ‘verhardingstijd’. Er moet dus een stapsgewijs proces worden doorlopen.

(Idee & ontwerp: Egbert Boertien, Patricia Hessing & Gabriel Korenhof; prototype: Westo Prefab Beton Systemen)

Dubbel-dubbel gekromd

In dit prototype is getest hoe de dubbelgekromde vorm van één paneel direct als mal kan worden gebruikt voor een volgende paneel. Zo onstaat er een serie elementen die allemal anders van vorm zijn, waarbij de verschillen nog duidelijk verwantschap tonen en een evenwichtig en afwisselend totaal kan worden gevormd. (Idee & ontwerp: Mark Hemel & Arman Kayhan; prototype: Haitsma Beton met Verhoeven Timmerfabriek Nederland)

14 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019 Traploze mal

Normaal gesproken moet voor elke trap een aparte mal worden gemaakt. Vaak zijn de verschillen tussen de trappen echter zeer klein. Aanpassingen aan open aantreden kunnen soms ook noodzakelijk zijn op het allerlaatste moment, wanneer tijdens de bouw blijkt dat andere gebouwdelen toch afwijkingen vertonen ten opzichte van het ontwerp. Er is in het kader van Experimenteel beton gewerkt aan een malsysteem dat traploos kan worden ingesteld. Zodoende kan elke gewenste trap eenvoudig worden vervaardigd. Ook is het mogelijk om ‘op voorraad’ elementen te produceren die ‘just in time’ kunnen worden samengesteld voor de dan gevraagde trap.

(Idee & ontwerp: Jos Roodbol & Cindy Vissering; prototype: HCI Betonindustrie)

verschillende ideeën onderzocht, zoals het instorten van een rubberbal of het verbinden van betonnen ballen met siliconen.

Een ander concept was Grow-crete, waarbij is gekeken naar de mogelijkheden van begroeiing op beton en De-crete, beton dat na een bepaalde tijd verkruimeld.

Het inspriratieboekje Experimenteel Beton 2018; Adaptieve Bekistingen (Betonhuis Constructief Prefab) werd samengesteld onder redactie redactie van Siebe Bakker – bureaubakker en is on-line beschikbaar (pdf) >

Onder: All-crete: De -crete

Traploze mal

All-crete

Daarnaast vond in 2018 (voor het eerst) een incompany sessie plaats, op verzoek van ontwerpbureau MVRDV. De nadruk lag daarbij op de materiaaleigenschappen, vaak met meerdere functies. Bijvoorbeeld beton dat zacht en flexibel is, maar ook met constructieve eigenschappen. Kortom: een materiaal dat alles in zich heeft: ‘All-crete’.

In dat verband zijn verschillende concepten onderzocht, waaronder de mogelijkheden van flexibel beton, Flowcrete: een materiaal dat meegeeft, zodat het vormbaar is en zacht genoeg om op te zitten (MVRDV/Geelen Beton). Er zijn

15 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

Recyclaat kern met biocomposiet hars

Dinzerbrug: dekplanken van vezelversterkt kunststof Figuur 1: Dinzerbrug voor de renovatie

Zeven bruggen over de Stroobosser Trekfeart, tussen Dokkum en Gerkesklooster in Friesland, bleken bij een onderzoek in 2012 niet sterk genoeg meer te zijn voor hun huidige functie. Dat was ook wel te verwachten, want deze zeven bruggen zijn meer dan honderd jaar oud en worden nog steeds intensief gebruikt door fietsers, personenauto’s en zwaar vrachtverkeer. De provincie Fryslân, die deze bruggen in eigendom heeft, maakte een plan voor de restauratie en versterking van de bruggen met als belangrijk uitgangspunt het behoud van de beeldkwaliteit. De brugdekken bestonden vanouds uit houten planken en ook op de nieuwe bruggen komen houten dekken, met uitzondering van de Dinzerbrug bij Dokkum.

Daarvoor zocht de provincie Fryslân een duurzaam alternatief en dacht daarbij aan vezelversterkt kunststof (VVK).

Er bestaan al geruime tijd VVK-rijdekken, maar is er ook een VVK-alternatief te bedenken voor houten dekplanken?

En zijn die zo sterk te maken dat ze de zware verkeersbelastingen op de bruggen over de Trekfeart kunnen dragen?

Om de haalbaarheid van een brugdek van VVK-dekplanken in kaart te brengen heeft adviesbureau Royal HaskoningDHV een haalbaarheidsstudie uitgevoerd.

Belangrijke voorwaarde hierin is het behoud of, bij de Dinzerbrug, het herstel van het monumentale beeld. Hierbij hoort een brugdek van losse planken.

Een idee om een groot dicht dekpaneel te maken met groeven in plaats van

16 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

losse planken werd om die reden afgewezen.

Het conceptontwerp van de plank bestond uit een holle schaal met een tussenschot, te produceren met bijvoorbeeld vacuüminjectie. Een verkennende berekening toonde aan dat met name de lokale belasting van een vrachtwagenwiel (LM2) maatgevend zou zijn voor de planken. Het bleek echter goed mogelijk deze belasting binnen de gestelde afmetingen van 245 mm bij 95 mm op te vangen. Ook voor het verbinden van de planken werden diverse oplossingen in kaart gebracht, variërend van blinde bouten tot de ook voor houten

planken gangbare kikkerplaten. Op materiaalniveau is verder gekeken hoe meer duurzaamheidswinst bereikt kon worden. Biobased harsen en basaltvezel bleken interessante alternatieven voor het gewone ‘glas-polyester’-composiet.

De conclusie van de studie was dat VVKdekplanken technisch haalbaar zijn.

Nieuwe technologie met oud materiaal

Toen de haalbaarheid was aangetoond, heeft de opdrachtgever een budget beschikbaar gesteld voor het verder ontwikkelen en toepassen van dit principe.

Met een onderhandse aanbesteding

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019 dragende VVK-schil om een niet-constructieve schuimkern ontwierp het bouwteam een massieve plank met een meedragende kern. De VVK-schil kan daardoor dunner zijn dan bij een schuimkern. De massieve kern, die goed bestand is tegen vocht in de plank, biedt houvast voor de verbindingsmiddelen.

De meedragende kern maakt de plank zwaarder dan de uitvoering met schuimkern, maar hierdoor zal het brugdek minder geluid genereren bij passage.

Het bouwteam werkte het ontwerp en de productietechniek verder uit op basis van de nieuwe VVK-richtlijn CUR96;2017.

Figuur 2 Verloop sterkte (l) en stijfheid (r) na 0h, 260h en 520h QUV test

werd een producent gecontracteerd om met de provincie en Royal Haskoning­ DHV in een bouwteam zitting te nemen.

Composite Structures uit Meerkerk stelde een oplossing voor met een kern van versnipperd composiet restproduct (‘recyclaat’). Deze technologie, waaraan hogeschool Windesheim met de VVK- en recyclingbranche al geruime tijd werkt, sluit goed aan bij de ambitie van Fryslân

Tabel 1: resultaten materiaaltest en verbindingstest

om het gebruik van primaire grondstoffen te reduceren door hergebruik van oud materiaal.

Ontwerp en testen

Het voorgestelde concept bestaat uit een kern van recyclaat met een schil van nieuw glasvezelcomposiet met een 25 procent biocomposiet hars (type Polynt 1580 IBA). In plaats van een dikke

Composite Structures maakte enkele proefplanken waarop testen zijn gedaan om de eigenschappen van het laminaat in de VVK-schil en de hechtsterkte van de verbindingsmiddelen te bepalen. Het resultaat is weergegeven in tabel 1.

Uit de tests kwam naar voren dat het materiaalgedrag binnen een acceptabele bandbreedte varieerde en dat de plank sterker en stijver was dan de ontwerpwaarden. De uittreksterkte van de bevestigingsmiddelen bleek bijna twee maal sterker dan vereist.

De materiaalleverancier voerde een serie versnelde verouderingsproeven uit waarin het composiet gedurende 520 uur diverse combinaties van UV-straling, temperatuur- en vochtigheidswisselingen blootgesteld werd: een zogenaamde QUV-test. De test representeert naar schatting vijf tot tien jaar blootstelling aan een buitenomgeving. De resultaten van deze proeven laten zien dat de biobased hars een geringe afname van de stijfheid vertoont vergelijkbaar met het conventionele harsen (figuur 3). Door de beperkte duur en schaalgrootte geven de QUV-testen een indicatie van het lange-termijngedrag. De resultaten bieden echter een goede basis voor verdere ontwikkeling.

Kwaliteitsborging kreeg tijdens productie van de planken grote aandacht. Een bepalende factor in de kwaliteit van het eindproduct is de uithardingsgraad van de hars. Hoe hoger de uithardingsgraad hoe groter de weerstand tegen veroudering. De glasovergangstemperatuur is de faseovergang waarboven VVK zijn stijfheid in eerste instantie langzaam

17 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019 In een speciale testopstelling (figuur 4) is een planksectie met 40 lastwisselingen belast, waarbij de doorbuiging van de plank en de afname in het aandraaimoment van de kikkerplaatverbinding is gemeten. Deze test is bedoeld om een indruk te krijgen van het gedrag van de plank onder praktijkomstandigheden.

De lastwisselingen liepen steeds van nul tot 1,1x de belasting in de bruikbaarheidsgrenstoestand, ofwel 63.3kN (= 1,1*57,5kN). De toegepaste stempelgrootte van 200 mm x 300 mm is aanzienlijk kleiner dan NEN-EN1991-2 voorschrijft, om te voorkomen dat een gedeelte van de belasting direct via drukspanningen in de liggerflenzen komt. De berekende en gemeten doorbuiging bleken vrijwel gelijk (1,3 mm).

Ook na meermalen belasten was het stijfheidsgedrag van de plank stabiel.

Verwerken van recyclaat

Figuur 3: Voorbeeld resultaat temperatuurmeting thermokoppels (blauwe lijn: oppervlak plank, rode lijn: kern plank)

verliest. Het is niet alleen een maat voor de gebruikstemperatuur, maar omdat de Tg afhankelijk is van de mate van polymerisatie (uithardingsgraad) is het indirect ook een maat voor de duurzaamheid. Van 20 procent van de planken is daarom de temperatuur tijdens productie gemeten met thermokoppels aan het oppervlak en in de kern

van de plank. De gemeten piektemperatuur bedroeg ongeveer 90 °C en in plank vier zelfs meer dan 100 °C. In plank drie blijft de kerntemperatuur gedurende 3,5 uur boven de 70 °C (figuur 3). Hiermee is aannemelijk gemaakt dat de verwachte glasovergangstemperatuur (Tg) boven de 60°C is (conform CUR96).

Het vinden van een gestroomlijnd productieproces voor de planken heeft de nodige inspanning gevergd. Diverse oplossingen voor het verwerken van het recyclaat en productietechnieken zoals vacuüminjectie, drukpersen en een giettechniek zijn uitgeprobeerd. Uiteindelijk is gekozen voor de giettechniek. Hierbij wordt de cachering (de buitenste schil van de plank), die bestaat uit een aantal glasvezellagen, handmatig geïmpregneerd in een stalen mal die de afmeting heeft van de dekplank (figuur 5).

Daarna wordt het recyclaat gemengd met zand en polyesterhars om er een gietbaar mengsel van te maken. De hars bindt het recyclaat en het zand en zorgt voor de hechting aan de cachering. Het zand dient voor het vullen van de holtes tussen de recyclaatvlokken waardoor er minder hars nodig is. De gevulde mal wordt met een houten plank afgedekt, waarna het mengsel kan uitharden. Na het lossen van de VVK-plank worden draadeinden voor de bevestiging ingelijmd en wordt op de bovenkant van de plank een slijtlaag aangebracht.

Na het gereedmaken van de prefab-planken zijn de planken met zogenaamde kikkerplaten bevestigd op de stalen liggers van de draagconstructie.

Figuur 4: Testopstelling full scale test

18 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

Figuur 5: VVK cachering wordt gevuld met VVK- recyclaat

VVK dekdelen goed alternatief

Het brugdek is sinds september 2018 in gebruik. De planken dragen de verkeersbelasting zonder grote momentane en blijvende vervormingen. Direct na het aanbrengen viel wel op dat de VVK-planken minder maatvast zijn dan de houten dekken. Dit is voornamelijk toe te schrijven aan de productie die voor deze pilot geheel met de hand is gedaan. Ook de

Figuur 6: Eerste set VVK-planken voor de Dinzerbrug

warmteontwikkeling door de polymerisatie van het biobased hars zal hebben bijgedragen aan kleine vervormingen.

Uit de praktijkproef kan echter geconcludeerd worden dat vezelversterkte kunststof dekdelen constructief een goed alternatief zijn voor houten dekplanken en dat de verwerking van gerecycled VVK een wezenlijke bijdrage kan leveren aan de circulaire economie. Voor grootschali-

ge toepassing moet het productieproces verder ontwikkeld worden naar gecontroleerde machinale fabricage.

Sietze Bijker, projectleider bij Provincie Fryslân, Liesbeth Tromp, VVK-specialist bij Royal HaskoningDHV, Geert Siereveld, projectleider bij Composite Structures

Figuur 7: Dinzerbrug met nieuwe brugdek en leuningen (Foto: Jaap Spieker)

19 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK

Dun ‘Smartphone Glass’ als gevelbeglazing Onderzoek aan de TU Delft en TU Dresden op het gebied van nieuwe toepassingen van dun glas in de bouwsector laat veelbelovende resultaten zien. Dun glas kan worden toegepast als een aanpasbaar gevelbeglazingssysteem. Hierdoor biedt het aantrekkelijke glasoplossingen die hun vorm kunnen veranderen in functie van externe parameters. Bovendien biedt dun glas in combinatie met 3D-geprinte polymeerkernen sterke en stijve, maar zeer lichtgewicht composiet gevelbeglazingspanelen met een aantrekkelijk uiterlijk. Voordeel van dergelijke panelen is het installatiegemak, vermindering van transportenergie en mogelijkheden voor zonwering en daglichtregeling binnen het ontwerp van de 3D-geprinte kern.

Verdere studies naar dun glas als gevelbeglazing worden momenteel ontwikkeld.

De eerste route binnen het onderzoek was er op gericht de flexibiliteit van het dunne glas optimaal te benutten. Dat betekent dat het dunne glas wordt gebruikt voor flexibele gevelbeglazing waarvan keer op keer de kromming kan worden veranderd afhankelijk van externe parameters. Als het bijvoorbeeld wordt toegepast als een dubbele huid gevel, kan

20 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

het dunne glas worden opengebogen, om zo ventilatieopeningen te creëren.

Of door fotovoltaïsche (PV) elementen te integreren in gelamineerde dunne glaspanelen, kunnen de PV-cellen een optimale oriëntatie naar de zon krijgen door de kromming van het glas aan te passen.

Dit concept van aanpasbare gevel-

beglazing is onderzocht in een reeks MSc-thesisprojecten. De belangrijkste uitdaging is de totstandbrenging van de vervorming van het dunne glas; dus hoe het dunne glas in een gevelbeglazingssysteem te buigen. Daartoe zijn verschillende opties onderzocht.

ONDERZOEK

Figuur 1: Conceptontwerp en mock-up van een adaptieve dun-glas gevel (MSc-thesis van Rafael Ribeiro Silveira, TU Delft)

Ten eerste is in de MSc-thesis van Rafael Ribeiro Silveira de optie van een lineaire mechanische aandrijving van dun glas onderzocht (figuur 1). Door middel van een lineaire actuator wordt de dunne glazen gevelbeglazing naar buiten gedrukt om ventilatieopeningen tot stand te brengen. Het concept werd met succes gedemonstreerd in een model van 500 x 800 mm.

Ten tweede de MSc-thesis van Ă–zhan Topcu. Dit onderzoek richtte zich op de water- en luchtdichtheid van dergelijke nieuwe adaptieve gevelbeglazingssystemen in gesloten toestand. In dat verband

zijn verschillende concepten onderzocht (figuur 2), zoals:

men en de bewegingen van het buigbare dunne glaspaneel zowel in open als gesloten toestand kan volgen. Er is ook een casestudy-ontwerp gemaakt van een adaptieve dunne glazen gevel (figuur 3, pag 22).

a) het aanbrengen van een magnetische pakking rondom het dunne glaspaneel, net zoals bij een koelkastdeur, om het paneel in gesloten toestand af te dichten;

Ten derde is met de MSc-thesis van Congrui Zha het buigen van dun glas door middel van zachte pneumatische actuatoren onderzocht. Het paneel is daarbij gebogen door middel van het opblazen van een reeks (zachte) rubberen luchtkamers die op een dunne glasplaat zijn gelijmd (figuur 4). Omdat de dunne beglazing is ontworpen als een

b) het aanbrengen van een externe kracht in twee richtingen op het glaspaneel om een strakke sluiting van het paneel te bewerkstelligen; c) het aanbrengen van een rekbaar materiaal rondom het glas, dat kan vervor-

Figuur 2: Water- en luchtdichtheidsconcepten voor adaptieve dun-glas gevels (MSc-thesis van Ă–zhan Topcu)

21 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK

Figuur 3: Casestudyontwerp van een adaptieve dun-glasgevel (MSc-thesis Ă–zhan Topcu, TU Delft)

isolatieglas-unit bestaande uit twee glasplaten met tussenliggende spouw, is een speciale flexibele afstandhouder gemonteerd die in staat is om de buigbeweging van het dunne glas te volgen. Er is inmiddels met succes een mock-up van 300 x 300 mm gebouwd om het principe van dit concept te demonstreren.

Ten slotte is in de MSc-thesis van Bahareh Miri het buigen van dun glas

met behulp van Shape Memory Alloy (SMA) -draden onderzocht (figuur 5). Het concept bestaat uit een zeer dunne (Ă˜ = 0,55 mm) SMA-draad die is aangebracht in de spouw tussen twee glasplaten van elk 0,5 mm dik. Door de draad te verwarmen met een elektrische stroom trekt de draad samen, vervormt en buigt daarbij de dunne glazen gevelpanelen. Ook dit concept werd met succes gedemonstreerd in een prototype van 500 x 800 mm (figuur 5).

Dunne glazen composietpanelen met 3D-geprinte kernen De tweede route binnen het onderzoek is het verstijven van de dunne glaspanelen door middel van 3D-geprinte kernmaterialen. Dat resulteert in zeer stijve maar uiterst lichtgewicht gevelbeglazingspanelen, met als voordeel eenvoudiger installatie en lager energieverbruik bij transport. Bovendien kan lichtere

Figuur 4: Ontwerp en mock-up van een buigbaar isolerend dun-glas gevelpaneel met zachte pneumatische actuatoren (MSc-thesis van Congrui Zha, TU Delft)

22 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK

Figuur 5: Adaptieve dun-glas gevel met Shape Memory Alloy draad (vormgeheugen legering) zorgt voor draadactivering (MSc-thesis Bahareh Miri, TU Delft))

beglazing mogelijk minder materiaalgebruik betekenen voor het raamwerk en kan het totale bouwgewicht worden verlaagd. Bovendien bieden de 3D-geprinte kernen mogelijkheden voor zonwering en daglichtregeling.

Het concept van zulke dunne glazen composietpanelen met 3D-geprinte kernen is tevens onderzocht in een reeks MSc-projecten. Het belangrijkste doel daarvan was het optimaliseren van de vorm van de 3D-geprinte polymeer (PET-G) kern voor structurele doeleinden. Daarnaast is gekeken naar de warmte-isolatie-eigenschappen van dergelijke composietpanelen.

Het MSc-afstudeerproject van Michele Akilo (uitwisselingsstudent van de Universiteit van Bologna) richtte zich op dunne glascomposietpanelen met 3D-geprinte piramidevormige open-cel kernen of 3D-geprinte zadelvormige kernen (figuur 6). De open-cel kern geeft een optisch open structuur, terwijl de zadelvormige kern een doorschijnend en getextureerd uiterlijk aan de panelen geeft (figuur 6). De structurele eigen-

schappen van de dunne glaspanelen met verstevigde kernen werden verder onderzocht in het MSc-onderzoek van

Lorenzo Lazzaroni (uitwisselingsstudent van Universiteit van Pisa). Een prototype van 710 x 360 mm werd met succes

Figuur 6: Samengestelde dunne glaspanelen met 3D-geprinte piramidevormige open-cel (links) en zadel-vormige (rechts) kernen (MSc-thesis van Michele Akilo, , TU Delft / University of Bologna)

23 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK op de vorm van het 3D-geprinte kernpatroon geanalyseerd.

Met een derde onderzoek heeft Charbel Saleh meer in detail gekeken naar de duurzaamheid van de composietpanelen en vooral van de polymeerkern. Door proefstukken gedurende enkele weken bloot te stellen aan UV-straling, zijn de langetermijneffecten van blootstelling aan de zon nagebootst, (figuur 9). Dat resulteerde in wat meer brosheid van de polymeerkern, maar bracht de structurele eigenschappen van de composietpanelen niet wezenlijk in gevaar. Aan het einde van het onderzoek zijn tevens de mogelijkheden van een gekromd paneelpaneel met dun glazen paneel onderzocht (figuur 10).

Figuur 7: Samengesteld dun glaspaneel met 3D-geprinte verstevigingskern in een buigtest (MSc-thesis van Lorenzo Lazzaroni, TU Delft / University of Pisa)

geproduceerd en getest, met behulp van UV-uithardende acrylaatlijmen voor het binden van de polymeerkern en het glas (figuur 7).

In een vervolgonderzoek richtte Tim Neeskens zich op een verdere structu-

rele optimalisatie van het 3D-geprinte kernpatroon. Om dit te doen, werd een zogenaamd Voronoi-patroon toegepast waarvan de geometrie werd gegenereerd middels topologie optimalisatie (figuur 8a). Ook werd het effect van verschillende ondersteuningscondities

In een vierde onderzoek van Marina Guidi zijn de mogelijkheden om gekromde dunne glaspanelen met 3D-geprinte kernpanelen te produceren verder onderzocht. In dit werk zijn dunne glaspanelen op een gekromde 3D geprinte polymeerkern gelijmd. Zodoende werden de uiteindelijke gebogen composietpanelen in vorm gehouden met behulp van de 3D-geprinte kern (zie afbeelding 10).

Ten slotte onderzoeken de MSc-thesis projecten van Marc den Heijer en Stella

Figuur 8a: Samengestelde dunne glaspanelen met 3D-geprinte Voronoi-patronen (MSc-thesis van Tim Neeskens, TU Delft)

24 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK

Figuur 8b: Ontwerpvoorbeeld (MSc-thesis van Tim Neeskens, TU Delft)

Brugman momenteel de isolerende eigenschappen van de samengestelde dunne glaspanelen. De spouw die is gecreëerd tussen de dunne glaspanelen met behulp van de 3D-geprinte kern, geeft een zekere mate van thermische isolatie, vergelijkbaar met een gewone isolatieglas unit, terwijl de 3D-geprinte kern fungeert als een thermische brug tussen de glaspanelen.

De MSc-projecten onderzoeken de gecombineerde effecten van deze verschijnselen.

Auteur: Prof. Christian Louter, Institute of Building Construction, Technische Universität Dresden christian.louter@tu-dresden.de http://bauko.bau.tu-dresden.de

Figuur 9: Dun-glas composietpanelen onder UV-blootstelling om de duurzaamheid op lange termijn te onderzoeken (MSc-thesis Charbel Saleh, TU Delft)

Dankwoord .

Dank gaat uit naar AGC voor de steun van bij het leveren van het dunne glas dat in dit onderzoek werd gebruikt. Ook de ondersteuning van ingenieursbureaus ABT en Octatube bij de co-supervisie van enkele van de MSc-thesis projecten is zeer op prijs gesteld. Ook is de externe studentbegeleiding van prof. Maurizio Froli en Dr. Francesco Laccone van de Universiteit van Pisa en Prof. Tomaso Trombetti van de Universiteit van Bologna zeer op prijs gesteld.

Betrokken onderzoekers: Prof. Christian Louter (onderzoeksleider), prof. James O’Callaghan, prof. Tillmann Klein, prof. Rob Nijsse, dr. Michela Turrin, dr. Marcel Bilow, dr. Fred Veer, dr. Martin Tenpierik.

MSc-thesis projecten van: Michele Akilo, Stella Brugman, Marina Guidi, Marc den Heijer, Lorenzo Lazzaroni, Bahareh Miri, Tim Neeskens, Rafael Ribeiro Silveira, Charbel Saleh, Özhan Topcu, Congrui Zha

Figuur 10: Samengestelde dunne glaspanelen met gekromde 3D-geprinte kernpatronen (MSc-thesis Marina Guidi (links) en Charbel Saleh (rechts), TU Delft)

25 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK

Het ontstaan van de moderne polymeerwetenschap

Controle van de moleculaire structuur en functie voor op maat gemaakte polymeren Polymeren zijn essentiële bouwstenen van zowel het biologische leven als van kunstmatige, alledaagse objecten (figuur 1). Elk polymeermolecuul bestaat uit lange ketens van zich herhalende eenheden (mers) die ofwel lineair ofwel in een complexe architectuur met elkaar zijn verbonden. Bouwstenen kunnen nucleotiden zijn in DNA, aminozuren in eiwitten of op aardolie gebaseerde kleine moleculen, zoals ethyleen, propyleen of styreen in het geval van synthetische polymeren. Hermann Staudinger stelde vrijwel precies honderd jaar geleden voor dat polymeren covalent gebonden, kettingachtige moleculen zijn. [1] Om deze ontdekking te vieren, is het jaar 2020 het jaar van de polymeerwetenschap genoemd.

Hoewel covalente bindingen ervoor zorgen dat de monomeren in natuurlijke en synthetische polymeren bij elkaar worden gehouden, zijn de polymeren wezenlijk verschillend. Dit verschil wordt duidelijk als we de structuur van de polymeerketens bekijken. Elk macromolecuul van een bepaald type eiwit of DNA-streng is identiek, in de zin dat het dezelfde hoeveelheid herhalende eenheden heeft. Sterker nog: de volgorde van opeenvolgende monomeren is vooraf

26 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

bepaald in biologische macromoleculen, wat weer bepalend is voor de uiteindelijke structuur en functie. Deze primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuren definiëren alle biologische functies van proteïnen en enzymen. De controle over de complementaire base pairing van DNA-ketens is essentieel voor de overdracht van genetische informatie en eiwitsynthese.

Daarnaast bestaan verscheidene synthetische polymeren uit een mengsel van

ketens met veel verschillende lengtes (ofwel molecuulgewichten). Dit komt doordat de meeste polymeren, waarvan we ~200 megaton per jaar gebruiken, [1] gesynthetiseerd worden door vrije radicaal-polymerisatie. Radicalen zijn extreem reactieve deeltjes die binnen een levensduur van één seconde met duizenden monomeereenheden (die dubbele C=C-bindingen bevatten) kunnen reageren. Na het bereiken van de levensduur van ongeveer één seconde

ONDERZOEK

Figuur 1. Synthetische polymeren versus biologische polymeren. Links: Alledaagse polymeren met willekeurige molecuulgewichten. Rechts: Hemoglobine bevat vier eiwiteenheden; elke eiwit heeft een strikt bepaalde volgorde van aminozuren, die er voor zorgt dat een eiwit op een unieke manier vouwt. Deze vouwstructuur bepaalt vervolgens de functie van het eiwit. (Bron: Wikipedia en Wikibooks)

zullen twee radicalen combineren of disproportioneren, waardoor de reactie stopt. Omdat deze reacties wille­­keu­ rig gebeuren zal er een molecuulgewichts-distributie ontstaan (MWD, ook wel dispersiteit genoemd, wat een maat is voor de molecuulgewichtsverdeling) voor synthetische polymeren, in tegenstelling tot de monodisperse biologische polymeren waarvoor elke keten even

lang is. [2] Ook al hebben polymeren met een hoge dispersiteit de 20e eeuw gerevolutioneerd, op het gebied van materialen zijn scheikundigen nog steeds op zoek naar een manier om goed gedefinieerde polymeren te synthetiseren met controle over ketenlengte, eigenschappen en functies, vergelijkbaar met hoe de natuur polymeren synthetiseert.

Voorkom terminatie

Typische ketengroeipolymerisatie-processen bestaan uit drie hoofdreacties: initiatie (ofwel de vorming van actieve deeltjes), propagatie (ofwel ketengroei door herhaalde toevoeging van monomeren) en terminatie (deactiveren van actieve deeltjes). Slechte controle over de polymeerstructuur ontstaat in het gebruikelijke vrije radicaal-polymeri-

Figuur 2. Vrije radicaal-polymerisatie versus ‘levende’ polymerisatie. (a) Gemiddeld molecuulgewicht in vrije radicaal-polymerisatie blijft tijdens de reactie constant, terwijl het molecuulgewicht bij levende polymerisatie lineair toeneemt, omdat alle ketens tegelijkertijd groeien. (b) MWD is breed in vrije radicaal-polymerisaties en nadert 1 in anionische polymerisaties. (Overgenomen uit ref. [4] met toestemming van de Royal Society of Chemistry)

27 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK

Figuur 3. Boven: ATRP-mechanisme. Halogeen (X) wordt heen en weer verplaatst tussen de initiator/groeiende keten (R-Pn-X) en de koper katalysator (Cu/L) wat een radicaal vormt (R-Pn·). Dit radicaal kan monomeren (M) toevoegen of termineren, alhoewel terminatie minimaal is door het evenwicht (KATRP) sterk naar links te verschuiven. Onder: Schematisch overzicht van polymeermicrostructuren mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van gecontroleerde radicaal-polymerisatie en voorbeelden van toepassingen van deze materialen. Overgenomen uit ref. [7] met toestemming van de American Chemical Society

satieproces meestal als gevolg van de langzaam doorlopende initiatie, de korte levensduur van gevormde radicalen en de snelle radicaalterminatie.

De baanbrekende ontdekking om deze beperkingen te overwinnen werd gedaan in 1956 door de Pools-Amerikaanse scheikundige Micheal Szwarc. In plaats van radicalen te gebruiken als kettinggroeiers gebruikte hij carbanionen. [3] Anders dan radicalen reageren carbanionen niet met elkaar, waardoor ze niet termineren. Wat ook belangrijk is, is dat alle ketens tegelijkertijd geïnitieerd kunnen worden en daarmee ook tegelijkertijd propageren.

De term ‘levend’ werd voorgesteld voor zulke anionische polymerisaties, omdat alle ketens tegelijkertijd groeien zonder ooit te termineren, wat tot polymeren leidt met een lage polydispersiteit < 1.1 (figuur 2). Dit proces wordt gebruikt in de industrie, bijvoorbeeld voor het maken van thermoplastische elastomeren, ofwel fysisch gecrosslinkte en herbruikbare rubbers, zoals Kraton.

28 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

Terminatie foppen: een radicaal idee

Ondanks de succesvolle commercialisatie heeft anionische polymerisatie verschillende nadelen. Carbanionen zijn namelijk erg gevoelig voor zelfs de kleinste hoeveelheden vocht of onzuiverheden. Ook zijn er heel strikte condities en speciale apparatuur nodig voor dergelijke polymerisaties. Er kunnen bovendien slechts een beperkt aantal monomeren worden gebruikt, dit in tegenstelling tot radicaal-polymerisaties. Daarom is er grote interesse ontstaan in de ontwikkeling van gecontroleerde radicaal-polymerisaties die vergelijkbaar is met gebruikelijke ‘levende’ anionische polymerisaties.

Dit is uiteindelijk gelukt in de jaren ‘90 met de ontwikkeling van RDRP-technieken (reversible deactivation radical polymerization), zoals bijvoorbeeld ATRP (atom transfer radical polymerization).

[5,6] Om terminatie te voorkomen, wordt er in gebruikelijke radicaal-polymerisaties gebruik gemaakt van heel lage concentraties vrije radicalen (delen per miljard vs. monomeer) om de le-

vensduur van de vrije radicalen op 1 seconde te houden en zo ketens te groeien met een molecuulgewicht in de orde van 100.000. Dit wordt bereikt door het heel langzaam toevoegen van radicalen aan het systeem (langzame initiatie), wat sterk contrasteert met levende polymerisatie waarbij de ketens heel snel geïnitieerd worden en tegelijkertijd groeien.

Op deze manier werd RDRP ontwikkeld waarin alle ketens tegelijkertijd beginnen te groeien (snelle initiatie) en waarbij op een ‘magische’ manier de levensduur van de radicalen verlengd wordt van 1 seconde tot uren en zelfs dagen. Dit werd bereikt door de introductie van een grote hoeveelheid inactieve moleculen die een dynamische uitwisseling hebben met minieme hoeveelheden radicalen van de groeiende polymeerketens, waardoor deze vóór terminatie een actieve staat inwisselen voor een inactieve staat. In de actieve staat worden er in zeer korte tijd (milliseconden) slechts enkele monomeren toegevoegd aan de groeiende keten, gevolgd door een inactieve staat (~1 minuut). Hiermee

ONDERZOEK

Figuur 4. (a) De twee manieren om polymeerborstels te synthetiseren: het koppelen van voor-gesynthetiseerde, functionele polymeerketens op een oppervlak; of het groeien van polymeerketens direct vanaf het initiator- gemodificeerde oppervlak. (b) Schematisch overzicht van een polymeerborstel met een fluorescente kleurstof, en het gedrag daarvan in verschillende oplosmiddelen. (c) Fluorescent patroon verkregen door inkjetprinten van oppervlaktes en gebruik makend van de grafting-to methode. (d) Reactief, omkeerbaar gedrag van een eindgroep gefunctionaliseerde, fluorescerende polymeerborstels gemaakt met de grafting-from-methode. (Overgenomen uit refs. [8-10] met toestemming van de American Chemical Society en John Wiley and Sons)

wordt terminatie voorkomen en kan de levensduur van de groeiende polymeerketen verlengd worden naar uren tot zelfs dagen. Dit is vergelijkbaar met het verlengen van een mensenleven van 100 naar 3000 jaar door na elke actieve dag een maand inactief te zijn.

Tijdens ATRP wordt een halogeenatoom overgebracht van inactieve alkylhalogeniden naar actieve Cu-katalysatoren (zie het reactieschema in figuur 3), wat de levensduur van de groeiende keten verlengd van 1 seconde naar een paar dagen. Dit maakt het mogelijk om goed gedefinieerde, op maat gemaakte polymeren te maken met zowel complexe structuren zoals sterren, borstels, kammen, als goed gecontroleerde composities, functionaliteiten, keten-topologie etc., wat leidt tot een scala aan materialen waarvan een aantal voorbeelden staan weergegeven in figuur 3. [7]

‘God maakte de bulk; oppervlaktes zijn door de duivel uitgevonden’.

In dit beroemde citaat refereert Wolfgang Pauli aan de complexiteit van oppervlakte-eigenschappen van materialen. De ontwikkeling van ATRP opende de weg voor macromoleculaire technologieën voor het ontwerpen van polymeren met applicaties in verschillende toepassingsgebieden, zoals bijvoorbeeld nanotechnologie. Een grote groep hybride nanomaterialen gesynthetiseerd met behulp van ATRP zijn zogenoemde polymeerborstels. Dit zijn polymeerketens die aan één eind vast zitten aan een specifiek oppervlak, in 2D, zoals vlakken, of 3D, zoals bijvoorbeeld nanodeeltjes of eiwitten. De mogelijkheid om oppervlaktes te voorzien van functionele macromoleculen en zo de eigenschappen te bepalen, maakt dat polymeerborstels binnen de polymeerwetenschappen intensief bestudeerd worden.

Polymeerborstels kunnen op twee manieren gesynthetiseerd worden:

grafting-to, waarbij eerst een polymeerketen gesynthetiseerd wordt waarna deze wordt vastgezet op het oppervlak, en grafting-from, waarbij de polymeerketen vanaf het oppervlak groeit (figuur 4a). [8] Beide methodes zijn gebruikt om ‘slimme’ oppervlaktes te maken met fluorescerend gelabelde polymeerketens, te weten polymethylmethacrylaat(PMMA) gefunctionaliseerd met één fluoresceïne molecuul aan het eind van de keten. Een interessante eigenschap van PMMA is dat de polymeerborstels oplosmiddelgevoelig zijn waardoor de ketens neerslaan in water en het oppervlak niet fluorescerend is, terwijl de ketens zwellen in water-ethanolmengsels waardoor het oppervlak wel fluorescerend is (figuur 4b).

Door gebruik te maken van inkjetprinten werden patronen van specifieke, functionele moleculen op glasplaatjes gemaakt. Vervolgens werd met behulp van een eenvoudige dip coating in een oplossing van het fluorescerend gelabelde PMMA door middel van grafting-to

29 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK op de geprinte druppels een geordend fluorescent moleculair patroon verkregen (figuur 4c). [9] Als alternatief werden PMMA-borstels gegroeid van glazen plaatjes door gebruik te maken van oppervlak-geïnitieerde ATRP, waarbij aan het keteneinde modificaties waren aangebracht om responsief gedrag aan te tonen (figuur 4d). Door het verwisselen van het oplosmiddel isopropanol/water (ON) naar puur water (OFF), ontstaat een duidelijk verschil in emissie, zoals waargenomen met een fluorescentiemicroscoop. [10] Instorting van borstels in water zorgt voor aggregatie, wat quenching van de fluorescende deeltjes tot gevolg heeft.

Beide onderzoeken laten de toepasbaarheid zien voor het ontwerp van patronen van slimme oppervlaktes voor de mogelijke ontwikkeling van bijvoorbeeld sensoren of organische elektronica.

De tweede eeuw

In de laatste twee decennia hebben we een immense vooruitgang waargenomen ten aanzien van het controleren van de microstructuur van polymeren, voornamelijk gedreven door de ontwikkeling van specifieke synthetische technieken, zoals ATRP. Zonder zich te richten op het vervangen van de traditionele plastics, maakt deze nieuwe chemie het mogelijk op maat gemaakte polymeren in te zetten voor nieuwe toepassingen.

Gecontroleerde polymerisatietechnieken worden echter nog steeds verbeterd om ze milieuvriendelijker, zuurstoftoleranter, gebruiksvriendelijker en industrieel

relevant te maken. Controle over de monomeervolgorde in synthetische polymeren is nog steeds ver verwijderd van hoe de natuur dit met grote verfijning doet, maar zou het in de toekomst mogelijk kunnen maken macromoleculen te vervaardigen met nu nog moeilijk te voorspellen eigenschappen.

Met de groeiende vraag naar geavanceerde materialen, kan worden gesteld dat precieze polymerisaties in de voorhoede zullen staan van de ontwikkeling van polymeerwetenschap in zijn tweede eeuw.

Maciek Kopeć In samenwerking met Julius Vancso en Krzysztof Matyjaszewski, en met dank aan Mark Beerstra. Materials Science and Technology of Polymers, University of Twente, The Netherlands Email: m.m.kopec@utwente.nl www.4tu.nl/htm 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). Een aparte pagina op deze site is gewijd aan dit project van Maciek Kopeć: From Flatland to Spaceland.

De projectpagina is online: https://www.4tu.nl/htm/en/new-horizons/from-flatland-to-spaceland/

Referenties: [1] Mülhaupt, R. Hermann Staudinger and the Origin of Macromolecular Chemistry. Angew.

Chem. Int. Ed. 2004, 43, 1054.

[2] Odian, G. Principles of Polymerization, Fourth Edition. John Wiley and Sons: Hoboken, New Jersey, 2004.

[3] Szwarc, M. Living Polymers. Nature 1956, 178, 1168.

[4] Okamoto, K.; Luscombe, C.K. Controlled polymerizations for the synthesis of semiconducting conjugated polymers. Polym. Chem. 2011, 2, 2424.

[5] Matyjaszewski, K.; Xia, J. Atom Transfer Radical Polymerization. Chem. Rev. 2001, 101, 2921.

[6] Coessens, V. M. C.; Matyjaszewski, K., Fundamentals of Atom Transfer Radical Polymerization.

J. Chem. Educ. 2010, 87, 916.

[7] Matyjaszewski, K.; Tsarevsky, N. V. Macromolecular engineering by atom transfer radical polymerization. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6513.

[8] Zoppe, J. O.; Ataman, N. C.; Mocny, P.; Wang, J.; Moraes, J.; Klok, H.-A. Surface-Initiated Controlled Radical Polymerization: State-of-the-Art, Opportunities, and Challenges in Surface and Interface Engineering with Polymer Brushes. Chem.

Rev. 2017, 117, 1105.

[9] Kopeć, M.; Tas, S.; van der Pol, R.; Cirelli, M.; de Vries, I.; Vancso, G.J.; de Beer, S. Fluorescent Patterns by Selective Grafting of a Telechelic Polymer. ACS Appl. Polym. Mater. 2019, 1, 136.

[10] Tas, S.; Kopeć, M.; van der Pol, R.; Cirelli, M.; de Vries, I.; Bölükbas, D. A.; Tempelman, K.; Benes, N. E.; Hempenius, M. A.; Vancso, G. J.; de Beer, S. Chain End-Functionalized Polymer Brushes with Switchable Fluorescence Response, Macromol. Chem. Phys. 2019, 220, 1800537.

More info on the international edition is available on www.innovatievematerialen.nl

30 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK

Oneindig vaak recyclebaar plastic Kunststoffen kunnen vaak slecht worden gerecycled zonder hun eigenschappen of esthetische waarde te verliezen.

Dat komt omdat ze allerlei additieven bevatten, zoals kleurstoffen, vulstoffen of vlamvertragers. Uiteindelijk verdwijnt veel kunststof in verbrandingsovens of stortplaatsen, waar het koolstofrijke materiaal er eeuwen over doet om af te breken. Een onderzoeksteam van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft nu een recyclebaar plastic ontwikkeld dat op moleculair niveau, net als Lego-blokjes uit elkaar kunnen worden gehaald, en vervolgens weer in elkaar gezet in een andere vorm, textuur en kleur en zonder verlies van eigenschappen of kwaliteit.

Het nieuwe materiaal, polydiketoenamine, of PDK, werd gepresenteerd in het tijdschrift Nature Chemistry (Closed-loop recycling of plastics enabled by dynamic

covalent diketoenamine bonds, mei 2019).

In tegenstelling tot conventionele kunststoffen, zouden de monomeren van PDK kunnen worden teruggewonnen en van additieven gescheiden door het met een zuur te behandelen. De onderzoekers ontdekten die circulaire eigenschap bij toeval toen ze een PDK-lijm probeerden te maken door het polymeer aan verschillende zuren bloot te stellen. Daarbij bleek de samenstelling van de lijm te zijn veranderd. Een NMR (nucleaire magnetische resonantie) analyse toonde verrassend genoeg aan dat de oorspronkelijke monomeren waren gevormd.

Na experimenten met verschillende samenstellingen ontdekten de onderzoekers dat niet alleen zuur PDK polymeren afbreekt in monomeren, maar dat het proces ook de monomeren scheidt van additieven. Vervolgens waren ze in staat de PDK monomeren te hergebruiken

door er weer polymeren van te maken, zonder dat de kleur of andere kenmerken van het oorspronkelijke plastic worden meegenomen.

De onderzoekers denken dat hun nieuwe recyclebare plastic een goed alternatief kan zijn voor veel niet-recyclebare kunststoffen. De volgende stap is nu om PDK plastics te ontwikkelen met een breed scala van thermische en mechanische eigenschappen voor uiteenlopende toepassingen als textiel, 3D-printen, en schuimen. Verder willen ze onderzoeken of de samenstelling kan worden gebaseerd op plantaardige, of andere duurzame grondstoffen. www.lbl.gov> Het artikel Closed-loop recycling of plastics enabled by dynamic covalent diketoenamine bondsâ&#x20AC;&#x2122; is online>

31 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK

Foto: Ice911

‘Reflecterende glasparels kunnen smelten van poolijs vertragen’ Begin mei publiceerde het Geophysical Institute van de Fairbanks University of Alaska een artikel over het onderzoek van Leslie Field en haar collega’s. Field is chemisch en elektrotechnisch ingenieur (MIT en Berkeley), uitvinder en doceert tegenwoordig aan de Stanford University in Californië. Ze is ook oprichter van de non-profitorganisatie Ice911.

Ice911 startte in 2007 met het doel iets te doen aan het smelten van zee-ijs.

Men zocht een oplossing in het vergroten van de reflectie van het Actische zee-ijs en onderzocht en testte inmidels verschillende materialen. Nu, meer dan tien jaar later, zeggen Field en haar

32 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ONDERZOEK Ice911-teamleden een mogelijke oplossing te hebben ontwikkeld.

Field en haar leden van Ice911 ontwikkelden een reflecterend ‘zand’, een poeder gemaakt van piepkleine holle, glazen bolletjes die worden verspreid over het zee-ijs. Het poeder bestaat hoofdzakelijk uit siliciumdioxide met een gemiddelde diameter van 65 μm. Het materiaal is op grote schaal commercieel verkrijgbaar. Inmiddels hebben ze de methode getest op een meer in Barrow, de meest noordelijke stad van Alaska. Ze constateerden dat de reflectiviteit van het ijs inderdaad werd verhoogd en het smelten vertraagde.

Vorig jaar publiceerde het Ice911-team een paper met resultaten, waaruit zou blijken dat de methode geen schadelijke invloed heeft op natuur en milieu: vogels en kleine vissen kunnen het zonder problemen eten.

Afgelopen mei presenteerde ze de resultaten aan de University of Alaska Fairbanks voor een aantal wetenschappers die aan het noordelijke zee-ijs werken.

Het artikel ‘Increasing Arctic sea ice albedo using localized reversible geoengineering’ (DOI: 10.1029/2018EF000820) is online>

Meer bij de Fairbanks University of Alaska> Ice911>

Video

3D-printen van grote metalen onderdelen Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben een nieuwe additieve productiemethode ontwikkeld die een veelbelovend alternatief zou zijn als goedkope, kwalitatief hoogwaardige productiemethode voor grote metalen werkstukken. Bovendien levert het minder materiaalafval op. De onderzoekers van ORNL printten dunne metalen wanden met behulp van een gesloten lus c.q. teruggekoppeld regelsysteem om gelijke laagjes van een gewenste hoogte te printen. Het systeem regelt automatisch het printproces, en zorgt voor een homogene, gelijkmatige depositie van het metaal, waardoor een hoge kwaliteit wordt gehaald.

De onderzoekers zeggen met het 3D-printen van de grote, dunne metalen wanden, de meeste fundamentele bouwstenen van de methode in de vingers te hebben. Ze verwachten nu onderdelen met een meer complexe geometrie te kunnen maken.

De resultaten van het team werden gepubliceerd in Applied Sciences, onder de titel ‘Correlation of Microstructure and Mechanical Properties of Metal Big Area Additive Manufacturing’.

De publicatie is online > Oak Ridge National Laboratory, www.ornl.gov >

33 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

Smart Materials, Part 3

Piezoelectric constitutive equations Smart materials are everywhere, but often invisible or simply not recognized. This is the second article in a series of eight, in which prof. Pim Groen will discuss the world of smart materials; this time piezoelectric materials, the theoretical part.

Piezoelectricity is the electric charge that accumulates in certain solid materials in response to applied mechanical stress and vice versa.

Pim Groen is professor of SMART Materials at Aerospace Engineering (AE) at Delft University of Technology (TU Delft) and Programme Manager of Holst Centre, TNO. 34 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019 Before discussing the complex properties of a piezoelectric material itâ&#x20AC;&#x2122;s good to start with the elastic behaviour of a simple dielectric material; so basically a non-piezoelectric material.

Elastic behaviour

The strain and stress are related by Hookâ&#x20AC;&#x2122;s law which states that the force needed to extend or compress a spring by some distance, scales linearly with respect to that distance. So in this case the strain is the product of the stress multiplied by the compliance and the strain is simply the relative deformation and the stress is the applied force per unit area.

Electric behaviour non-piezoelectric

Figure 1. Elastic behaviour

The same can be done for the electrical behaviour; again for a non-piezoelectric material. An electrical field is applied over a body with electrodes on each side. The thickness of the body is called t and area of the electrodes is A. The dielectric displacement is simply the dielectric constant times the electrical field.

Direct Piezoelectric effect

Compared with the piezoelectric material, things are different. If a force is applied to the material, it will deform and by the direct piezoelectric effect there will occur an induced electric polarisation. This effect can be described by the dielectric displacement D which equals to d times the stress plus epsilon times the electric field which is generated over the piezo.

The piezoelectric charge constant, d which was discussed in part 2.

Two cases can be distinguished.

First: the short circuited situation: D becomes simply d times the T, stress.

Second: (the interesting one), the open circuit. In this case the dielectric displacement is zero. As a result the electric field generated equals d times T divided by epsilon or simply g times the stress.

The g is the other important piezoelectric constant and is d divided by epsilon.

This g is highly important for sensors and is called the piezoelectric voltage constant.

Figure 2. Electric behaviour non-piezoelectric

Figure 3. Direct Piezoelectric effect

35 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019 d and g

The most important piezoelectric constants are d and g. The piezoelectric charge constant d represents both piezoelectric charge constants: the induced polarization [C/m2] per unit applied stress [N/m2]; and the induced strain per unit applied field [V/m].

The piezoelectric charge constant can be expressed in two units: [C/N] for the direct effect and [m/V] for the inverse effect. g represents the piezoelectric voltage constant [V.m/N] .

In case of the inverse piezoelectric effect an electric filed is applied over the material which as a result will deform. The strain is given by the compliance time the stress plus the piezoelectric charge constant multiplied by the electric field.

Again, two different cases can be distinguished.

The first one occurs when there is zero stress: the actuator moves freely.

Now the strain equals simply d multiplied by the electric filed.

Figure 4. Inverse piezoelectric effect

Piezoelectric constitutive equations

Figure 7 shows the matrix which gives a complete description of the electric, the elastic and the piezoelectric behaviour. Letâ&#x20AC;&#x2122;s explain the subscripts of the piezoelectric charge constants. The first subscript is the direction the electrical quantity: this can be the electrical displacement or the electrical field.

The second subscript denotes the mechanical quantity so strain or strain.

Figure 8 shows the simplification for tetragonal PZT

Figure 5. d and g

But now the pointsymmetry is helping to come to a simpler matrix with less elements. Barium titanate and PZT crystallize in a tetragonal crystal structure, as was discussed last time. As a result a large number of matrix elements become zero. Also you see that because of the symmetry d24 is equal to d15 and epsilon 11 equals epsilon 22.

As noted earlier: this was the theoretical part, needed to properly understand the application of piezoelectric materials.

Next time this will be put in practice.

36 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

Figre 6. Piezoelectric constitutive equations

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

Figure 7. Complete description of electric, elastic and piezoelectric behaviour

Piezoelectric Materials and components A few years ago, Pim Groen, together with Jan Holterman, published ‘Piezoelectric Materials and components.’

It’s available online> An extended version (hard copy) can be ordered via the website of applied-piezo.com> Authors: Jan Holterman, Pim Groen ISBN: 978-90-819361-1-8 Hardcover, 218 fullcolor illustrations, 307 pages.

Figure 8. Simplification for tetragonal PZT

More info on the international edition is available on www.innovatievematerialen.nl

37 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ENTERPRISE EUROPE NETWORK

Enterprise Europe Network (EEN) helpt bedrijven bij internationale ambities Het Enterprise Europe Network (EEN) is een initiatief van de Europese Commissie dat ondernemers ondersteunt bij het zoeken van partners om te innoveren en ondernemen in het buitenland. Het Enterprise Europe Network bestaat uit meer dan 600 organisaties in ruim 60 landen.

Databank

Elk bedrijf kan haar aanbod en/of vraag in de vorm van een profiel laten opnemen in een databank. Vervolgens wordt het bedrijf onder de aandacht gebracht in het land waarin zij actief wil worden en tegelijkertijd kan ook zelf naar partners worden gezocht. EEN-adviseurs helpen actief bij het opstellen van het profiel, dat in een bepaald format wordt opgesteld. Op de EEN-websites staan ook buitenlandse bedrijven die Nederlandse bedrijven en organisaties zoeken voor commerciële of technologische samenwerking. De EEN adviseurs ondersteunen bij de zoektocht naar een samenwerkingspartner door de contacten binnen het netwerk actief in te zetten. Daarnaast worden regelmatig Company Missions en Match Making

Events georganiseerd. Al deze diensten zijn kosteloos.

Er zijn vijf soorten profielen: • Business Offer:

het bedrijf biedt een product aan

• Business Request:

Video: Hoe werkt Enterprise Europe Network

het bedrijf zoekt een product

• Technology Offer:

het bedrijf biedt een technologie aan

• Technology Request:

het bedrijf zoekt een technologie

• Research & Development Request:

de organisatie zoekt samenwerking voor onderzoek

Het kan ook voorkomen dat een bedrijf zowel een Business Offer als een Business Request heeft (of een andere combinatie). In dat geval worden er twee (of zelfs meer indien van toepassing) profielen gemaakt.

In het profiel wordt de meest essentiële

informatie over de aard van het aanbod of vraag opgenomen, het ‘soort’ partner dat men daarbij beoogt en de verwachtte samenwerking.

Zodra duidelijk is welk type profiel(en) men wenst voor haar organisatie kan de EEN adviseur het proces van het opstellen van een profiel starten en het binnen korte tijd gepubliceerd hebben in de database.

Ondernemingen kunnen rechtstreeks bij EEN terecht met vragen over het opnemen van een bedrijfsprofiel in de EEN-database. Voor duurzaam bouwen en de creatieve industrie is ir. drs. Hans Kamphuis de contactpersoon: T: +31(0)88 042 1124 M: 06 25 70 82 76 E: hans.kamphuis@rvo.nl Voor materialen is Nils Haarman de contactpersoon: T: +31(0)88 062 5843 M: 06 21 83 94 57 E: nils.haarman@rvo.nl Voor meer informatie kan men terecht op de websites van het Enterprise Europe Network: www.enterpriseeuropenetwork.nl http://een.ec.europa.eu

38 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ENTERPRISE EUROPE NETWORK The Enterprise Europe Network Materials Database: Request for partnership: June 2019 New materials to simplify the creation, manufacturing and end of life processing of polyolefins

An UK company and an European company are jointly seeking new technologies to facilitate the improved manufacturing and improve the functionality of polyolefins and polyols. The materials must have proof of concept and they should enable use in markets including construction, food, healthcare, automotive. Dependent on the stage of development the agreements may include licensing, joint venture, technical cooperation or commercial agreement with technical assistance.

POD Reference: TRUK20190201001

More>

Partners sought for the development of high-performance cellulosic fibre materials

A German company specialised in viscose specialty fibres is looking for partners who distribute suitable porous materials, preferably particles, to produce cellulosic viscose fibres with superior mechanical and chemical properties for applications in functional apparel textiles, technical nonwovens, hygiene products and specialty papers. Technical cooperation agreements are sought.

POD Reference: TRDE20181213001

More>

A Swedish accessories startup is looking for a supplier of lightweight and opaque, eco-friendly or recycled plastic material

A Swedish startup is looking for a supplier of lightweight and opaque, eco-friendly or recycled plastic material. All earrings are currently made with a 0.3 mm adhesive vinyl in two layers and the company is looking for an environmentally friendly version of this material with similar properties that is available in a wide range of colours and patterns and has a matte finish.

It would be preferable if the supplier has the capability to punch/cut out the material.

POD Reference: BRSE20190416001

More>

Looking for biodegradable material producers to develop a paper stirrers dispenser for vending machine applications

A major Italian company active in the vending machines production is looking for a paper or biodegradable material producer to develop a new type of paper stirrers dispenser, to replace plastic stirrers. The partner would join in the project under a technical or research cooperation agreement.

POD Reference: TRIT20190520001

More>

39 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

ENTERPRISE EUROPE NETWORK The Enterprise Europe Network Materials Database: Request for partnership; June 2019 Construction company looking for partners to develop modular industrialized houses

A Spanish building company is looking for partners able to develop modular industrialized houses under a joint-venture agreement. The houses should be easily transported, ecological, sustainable, human size and preferably made of wood. The construction technology should allow to use all types of new materials and systems in order to serve the market that is developing in the South of Europe and already functioning in the North.

POD Reference: TRES20190503001

More>

Seeking for technical expertise and know-how in precision ceramic machining

A Singapore machining company is seeking technical expertise and know-how in precision ceramic machining. It is looking for experts, consultants and/or organisations with deep technical expertise and knowledge to help develop and establish fine and precise ceramic machining, machined ceramic component cleaning and quality check capabilities.

Research, commercial agreement with technical assistance or joint ventures are being sought with SMEs, inventors or research institutes.

POD Reference: TRSG20190517001 More>

A Japanese company is seeking 3D printing technology for building constructions to distribute in Japan

The Japanese company specialized in finance and real-estate markets is aiming to distribute leading 3D printing technology specific to building constructions in Japan. The constructions should meet the quality standards of Japanâ&#x20AC;&#x2122;s building sector.

The partnership with a potential partner could be made within the frame of a commercial agency agreement, a distribution service agreement, licensing or services agreements.

POD Reference: BRJP20190214001

More>

Manufacturer of molybden mesh for microfocus X-ray tube

A Swedish SME has developed a new type of X-ray tubes and is now looking for a manufacturer of small high precision components to produce a grid consisting of a mesh (about 6 mm in diameter) and a copper holder. The X-ray tube provides a precise, stable, high-flux micro focus beam using ZnO cold cathode technology. The company has a partner for prototype production, but wants to establish a partnership and an agreement with a manufacturer in Europe to scale-up the production.

POD Reference: TRSE20181213001

40 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

More>

ENTERPRISE EUROPE NETWORK The Enterprise Europe Network Materials Database: Request for partnership; June 2019 Novel solutions sought for an unsinkable ship

A multinational shipping enterprise with a registered base in Scotland (UK) is seeking novel approaches to outfit their freight and passenger ships with permanent, lightweight buoyancy features that will limit the amount of sea water that can ingress into the ship when there is a hull breach, rendering the ship essentially unsinkable. The Scottish company is looking for partnerships via a joint venture or commercial agreement with technical assistance to pilot technology on a ship.

POD Reference: TRUK20190114001

More>

A Finnish company is seeking for a supplier or manufacturer of foam plastic components

A Finnish eco-design company is looking for a supplier or manufacturer of designed and round shape-cut foam plastic components. The diameter of the component is 90 mm. The desired form of cooperation is a manufacturing or a subcontracting agreement.

POD Reference: BRFI20171214001

More>

A Swedish start-up is requesting manufacturing of linen products with custom prints/ weaving

A start-up from Northern Sweden specialized in designing surface pattern is searching for a European manufacturing partner for production of patterned linen fabrics (through digital printing or weaving) and sewing of home and kitchen textiles.

Favoured is a long-term partnership via a manufacturing agreement.

POD Reference: BRSE20190412001

More>

Waterproof and biodegradable material technologies sought for horticulture application

A French SME active in the field of horticulture is looking for new technologies to improve the sustainability of their product.

In particular they are interested by a material with waterproof and biodegradable properties to be used for water tanks on the one hand and also by a coating fully natural making wood waterproof.

A technical coperation with a partner able to provide relevant material or coating is sought.

POD Reference: TRFR20190315001

More>

41 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

AGENDA ICSBM 2019 12 - 15 augustus 2019, Eindhoven

Solids Rotterdam 2019 2 - 3 oktober 2019, Rotterdam

ISCHP 2019 28 - 30 augustus 2019, Delft

Metavak 8 - 10 oktober 2019, Gorinchem

International Rubber Conference 2019 3 - 5 september 2019, Londen

ISPA 2019 9 - 10 oktober 2019, Dresden

European Architectural Envisioning Conference EAEA14 3 - 6 september, Nantes

Euro PM 2019 13 - 16 oktober 2019, Maastricht

ESIAM19 9 - 11 september 2019, Trondheim

Holz 2019 15 - 19 oktober 2019, Basel

Matexpo 11 - 15 september 2019, Kortrijk

K 2019 16 - 23 oktober 2019, DĂźsseldorf

EMO Hannover 16 - 21 september 2019, Hannover

PARCIM13 13th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology 27 - 31 oktober 2019, Okinawa

Stainless & Speciality Steel 17 - 19 september 2019, Sevilla

Betondag 2019 14 november 2019, Rotterdam

Werkstoff woche 2019 18 - 20 september 2019, Dresden

Formnext 19 - 22 november 2019, Frankfurt

European Symposium on Biopolymers 25 - 27 september 2019, Straubing

European Aluminium Congress 2019 25 - 26 november 2019, Dusseldorf

EFIB 2019 30 september - 2 oktober 2019.

Brussel

European Bioplastics Conference 2019 3 - 4 december 2019, Berlijn

Schweissen 2019 1 - 3 oktober 2019, Linz

Swiss Plastics Expo 2020 21 - 23 januari 2020

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2019

http://hightechmaterials.4tu.nl

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

Innovative Materials, the international version of the Dutch magazine Innovatieve Materialen, is now available in English. Innovative Materials is an interactive, digital magazine about new and/or innovatively applied materials.

Innovative Materials provides information on material innovations, or innovative use of materials. The idea is that the ever increasing demands lead to a constant search for better and safer products as well as material and energy savings. Enabling these innovations is crucial, not only to be competitive but also to meet the challenges of enhancing and protecting the environment, like durability, C2C and carbon footprint.

By opting for smart, sustainable and innovative materials constructors, engineers and designers obtain more opportunities to distinguish themselves.

As a platform Innovative Materials wants to help to achieve this by connecting supply and demand.

Innovative Materials is distributed among its own subscribers/network, but also through the networks of the partners. In 2019 this includes organisations like M2i, MaterialDesign, 4TU (a cooperation between the four Technical Universities in the Netherlands), the Bond voor Materialenkennis (material sciences), SIM Flanders, FLAM3D, RVO and Material District.