Materials solutions

Klimaatverandering tegengaan door geavanceerde materialen

Geavanceerde materialen zijn essentieel voor hernieuwbare energietechnologieën zoals energieopslagsystemen. Duurzame materiaalontwikkeling richt zich op het verminderen van afval, recycling en het gebruik van hernieuwbare bronnen. Milieuvriendelijke materialen verminderen vervuiling en beschermen ecosystemen, wat bijdraagt aan het behoud van biodiversiteit. Innovaties in materialen zoals koolstofneutrale of koolstofnegatieve materialen helpen de klimaatverandering te beperken door de uitstoot van broeikasgassen te verminderen.

Toepassingen en marktgebieden

Onze expertise wordt toegepast voor de ontwikkeling van nano- en/of microgestructureerde (multi-) functionele polymeermaterialen, nanodeeltjes, polymeercomposieten en nat-chemische coatings voor de volgende 5 toepassings-/marktgebieden:

• Energieconversie en -opslag: materialen die energieconversie en daaropvolgende opslag vergemakkelijken, met de nadruk op zonlicht gestuurde productie van chemicaliën en brandstoffen (zoals in het FOTON-project). Prototypische productvoorbeelden zijn een plasmonische TiO2-ondersteunde Au-katalysator voor zonlicht gestuurde omzetting van CO2 naar CO, en foto-elektrochemische materialen en apparaten voor zonne-watersplitsing voor goedkope en off-grid productie van groen waterstof.
• Duurzame mobiliteit: ontwikkeling van materiaal- en procestechnologieën voor thermoplastische composieten (TPC's) om energie-efficiënt en duurzaam materiaalgebruik in lichtgewicht mobiliteitstoepassingen mogelijk te maken. Hergebruik en recycling van thermoplastische composieten zijn hier een belangrijk onderdeel van. Prototypische productvoorbeelden zijn polymeercomposietmaterialen geproduceerd uit 100% industriële afvalstromen, automobielcomponenten geproduceerd met 25% gerecycled TPC-gehalte, die voldoen aan de EU-regelgeving voor de automobielsector, of lichtgewicht componenten voor luchtvaarttoepassingen die het brandstofverbruik verminderen.
• Duurzame gebouwen: innovatieve coatings en polymeerfilms die het energieverbruik van gebouwen verlagen, bijdragen aan gebouw geïntegreerde opwekking van hernieuwbare energie of aan circulair gebruik van bouwproducten. Een prototypisch voorbeeld is een energie-efficiënt thermochroom raam, dat zonnestraling doorlaat bij temperaturen onder 20ºC en blokkeert bij temperaturen boven 20ºC. Dit wordt bereikt door toepassing van een VO2-gebaseerde thermochrome coating of film op positie 2 van het raam, namelijk de binnenkant van de buitenste ruit.
• Circulaire verpakkingen: ontwikkelen van concepten en materialen om de recycleerbaarheid van bestaande verpakkingen te vergroten (ontwerp-voor-recycling), voor hergebruik van bestaande verpakkingsmaterialen, en om het gerecycleerde gehalte van verpakkingen te verhogen (ontwerp-uit-recycling). Een van de belangrijkste expertises die worden ontwikkeld is het afdichten van verpakkingen. Een andere expertise is het verbeteren van de kwaliteit van het gerecycleerde materiaal, bijvoorbeeld door het afstemmen van de additieven om de levensduur en recycleerbaarheid van verpakkingsmaterialen te verlengen.
• Oplossingen voor polymeren: gericht op de kwaliteit van polymeren in gebruik en recycling met betrekking tot polymeer veroudering en afbraak, vorming van microplastics en de kwaliteitscontrole tijdens verwerking. Polymeer veroudering omvat fysieke veroudering, chemische veranderingen zoals crosslinking tijdens de afbraak van een thermoharder, thermo-oxidatie bij verhoogde temperatuur en fotochemische veroudering, zoals optreedt bij verwering.

We ontwikkelen methoden en modellen om dit kwaliteitsverlies van polymeren te identificeren, voorspellen en beperken. Microplastics zijn minuscule plastic deeltjes. Door de vorming van microplastics tijdens de verwerking en het gebruik van polymeermaterialen te bestuderen, ontwikkelen we op maat gemaakte oplossingen om de afgifte van microplastics in het milieu te minimaliseren. En door de kwaliteit van polymeren tijdens de verwerking te controleren met behulp van ‘in-line sensing’ oplossingen, wordt een verbeterde kwaliteit van plastic recyclaat mogelijk gemaakt.

Nieuwe verkennende toepassingsgebieden zijn:

• Vervanging van kritieke en giftige materialen: een transformatie in de materiaalkunde door het elimineren van de afhankelijkheid van kritieke en giftige stoffen, waardoor een toekomst ontstaat waarin industrieën gedijen op veilige, duurzame en hoog presterende alternatieven. Prototypische voorbeelden zijn de ontwikkeling van fluorvrije chemie die gevaarlijke gefluoreerde materialen vervangt door veiligere alternatieven (bijv. in halfgeleiders en elektronica, brandblus schuimen, bindmiddelen voor kathodes), en de extractie en zuivering van kritieke grondstoffen uit afvalstromen voor hoogwaardige producten (bijv. vanadium uit katalysatorafval voor toepassing in slimme ramen).
• Duurzame lijmen: lijmen worden gebruikt in veel verschillende industriële sectoren, zoals elektronica, verpakkingen, bouw, lucht- en ruimtevaart, automobiel en composieten. De eisen aan lijmen in deze toepassingen zijn extreem veeleisend, wat helaas betekent dat huidige op fossiele brandstoffen gebaseerde lijmen niet gemakkelijk kunnen worden verwijderd tijdens "end-of-life" scenario's. Dit beperkt sterk de scheiding en hergebruik van individuele componenten uit meer componenten materialen en -apparaten aan het einde van hun levensduur.

Duurzame lijmen zullen de kloof overbruggen tussen de veeleisende materiaaleisen en "end-of-life" behandeling en zullen de recycleerbaarheid van complexe composietstructuren mogelijk maken. Geactiveerde vrijgaveconcepten zullen op vraag binding en ontbinding van lijmen voor circulariteit vergemakkelijken. Het doel is om vooruitgang te boeken naar nul afvallijmen voor “end-of-life” met reversibele bindings eigenschappen en geproduceerd uit biobased in plaats van fossiele grondstoffen.

Kennisgebieden

De ontwikkeling van materialen in deze technologieprogramma's is gebaseerd op de volgende competenties:

• Polymeerwetenschap richt zich op polymeer verwerking, bulk eigenschappen, karakterisering en chemie, met toepassingen zoals duurzame lijmen en recycling.
• Colloïdwetenschap omvat het ontwerp en de oppervlakte modificatie van nanodeeltjes.
• Interfacewetenschap houdt zich bezig met het ontwerp en de engineering van interfaces in polymeercomposieten en het verbeteren van de afdichting van plastic lagen en reversibele lijmen.
• Nat-chemische coatings richten zich op multifunctionele en slimme op oplossingen gebaseerde anorganische/sol-gel coatings.
• Heterogene katalyse omvat het ontwerp en de karakterisering van anorganische katalysatoren voor verschillende chemische processen.
• Materiaalkundige modellering maakt gebruik van machine learning en simulatiemodellen om structuur-eigenschap relaties te bestuderen en materialen te optimaliseren.

Faciliteiten

Wij zijn experts in de ontwikkeling van (multi-) functionele polymeermaterialen, polymeercomposieten, nanodeeltjes en nat-chemische coatings. We verbinden het hightech-ecosysteem met de chemische industrie met locaties en samenwerkingen op de High Tech Campus in Eindhoven en de Brightlands Chemelot Campus in Geleen.

We beschikken over faciliteiten voor materiaalsynthese, verwerking en karakterisering. Deze faciliteiten omvatten chemische reactoren voor laboratorium- en pilotschaal bereiding van colloïdale dispersies, apparatuur voor het produceren en karakteriseren van anorganische nanopigmenten en referentie microplastics, pilotlijnen voor functionele glascoatings en polymeerfilms, en laboratorium- en pilotschaalapparatuur voor polymeer verwerking en recycling.

Daarnaast beschikt de onderzoeksgroep over speciale apparatuur voor additieve fabricage van vezelversterkte composieten, en verschillende hulpmiddelen voor structurele, thermische en optische karakterisering van materialen. Uitgebreide opstellingen voor het valideren van de prestaties van fotokatalysatoren en foto-elektrochemische materialen en apparaten zijn ook beschikbaar.