1

Jesper van der Meij en Jochem Ram Begeleider: Dhr. Sheoratan

6v2 14 – 10 – 2016

Toepassing van zelfherstellende polymeren op beeldschermen

2

VOORWOORD

Voor u ligt het profielwerkstuk “Toepassing van zelfherstellende materialen op beeldschermen”. Na

in totaal 120 uur en een aantal maanden is dit het product van ons harde werk.

Het onderwerp van dit werkstuk is onder andere tot stand gekomen door onze interesse in

materialen en scheikunde. Ook hebben wij bij dit onderwerp een raakvlak tussen natuur- en

scheikunde, wat volgens ons beide interessante vakken zijn. Tevens vonden wij de toepassingen van

zelfherstellende materialen, vooral het gebruik in elektronische apparaten, zeer interessant.

We willen graag onze begeleider, dhr. S. Sheoratan, bedanken. Tijdens het maken van dit werkstuk

stond hij altijd voor ons klaar. Hij heeft een aantal vragen beantwoord en geholpen met onder

andere de planning en het uitwerken van de experimenten.

Ook hebben we, om meer te weten te komen over verschillende methodes om zelfherstellende

eigenschappen in een materiaal te verkrijgen en over de huidige stand van zaken wat betreft

zelfherstellende materialen, de TU Delft bezocht, waar we uitleg kregen over verschillende

methoden om zelfherstellendheid te bewerkstelligen en ook kregen we een aantal demonstraties te

zien van al bestaande zelfherstellende polymeren. Daarom willen we bij dezen prof. dr. ir. S van der

Zwaag, dr. S. J. Garcia en dr. M. H. Santana, werkend bij de Technische Universiteit Delft, bedanken

voor het gesprek wat we gehad hebben, verschaffen van informatie en onderzoeksmonsters. We

hebben er erg veel aan gehad bij het maken van het profielwerkstuk.

Wij wensen u veel leesplezier toe.

Jochem Ram en Jesper van der Meij, leerlingen 6vwo Fioretti College

Lisse, 14 oktober 2016

3

INHOUD

Voorwoord ............................................................................................................................................... 2

1 Inleiding ........................................................................................................................................... 5

Onderzoeksvraag ..................................................................................................................... 5

2 Wat zijn zelfherstellende polymeren? ............................................................................................. 6

Zelfherstellende materialen .................................................................................................... 6

Zelfherstellend Beton ...................................................................................................... 6

Zelfherstellende metalen ................................................................................................. 7

Zelfherstellende polymeren ............................................................................................ 8

Wat zijn polymeren? ................................................................................................................ 9

Additie- en condensatiepolymerisatie............................................................................. 9

Thermoharders en thermoplasten ................................................................................10

Toepassingen van polymeren ........................................................................................10

Hoe komen polymeren aan zelfherstellende eigenschappen? .............................................15

Microcapsules ................................................................................................................15

Holle microvezels ...........................................................................................................16

Omkeerbare bindingen ..................................................................................................18

Fysische eigenschappen.................................................................................................19

3 Hoe wordt een zelfherstellend polymeer gemaakt? .....................................................................20

Productie van polymeren ......................................................................................................20

Bulkpolymerisatie ..........................................................................................................20

Oplossingspolymerisatie ................................................................................................20

Suspensie- en emulsiepolymerisatie .............................................................................20

Productie van zelfherstellende polymeren ...........................................................................21

Extrinsiek ........................................................................................................................21

Intrinsiek ........................................................................................................................21

4 Welk zelfherstellend polymeer is het meest geschikt voor bescherming van beeldschermen? ..22

Eisen .......................................................................................................................................22

‘Gewone’ polymeren .............................................................................................................23

Optie 1: PMMA ..............................................................................................................23

Optie 2: Polycarbonaat ..................................................................................................24

Zelfherstellende polymeren ..................................................................................................25

Extrinsiek herstel ...........................................................................................................25

Intrinsiek herstel ............................................................................................................25

Coatings .........................................................................................................................25

4

5 Experimenten.................................................................................................................................26

Experiment 1: Krasbestendigheid verschillende polymeren ten opzichte van glas ..............26

Experiment 2: Lichtdoorlaatbaarheid van bekraste polymeren............................................30

Experiment 3: Herstelsnelheid van verschillende zelfherstellende polymeren ....................32

6 Conclusie ........................................................................................................................................34

7 Discussie.........................................................................................................................................35

8 Nawoord ........................................................................................................................................36

9 Verwijzingen ..................................................................................................................................37

10 Appendix ....................................................................................................................................39

Logboek ..................................................................................................................................39

Oorspronkelijk plan van aanpak ............................................................................................41

5

1 INLEIDING

Zelfherstellende materialen zijn, zoals de naam al doet vermoeden, materialen die zichzelf kunnen

herstellen bij schade. Er is een groot aantal verschillende zelfherstellende materialen, waaronder

zelfherstellend beton, geheugenmetaal en zogenaamde slimme polymeren. Op deze drie

onderwerpen zal in het volgende hoofdstuk dieper op in gegaan worden om de werking, toepassing

en toekomst van deze materialen toe te lichten. Zo zijn er experimenten met zelfhelend wegdek,

wordt geheugenmetaal gebruikt in onder andere kleding, lucht- en ruimtevaart en in de auto-

industrie en kunnen slimme polymeren ervoor zorgen dat een kras in de lak van een auto vanzelf

verdwijnt.

Dit werkstuk zal echter de focus leggen op zelfherstellende polymeren toegepast als beeldscherm-

bescherming. Denk dan aan het materiaal waarvan de beschermende laag is gemaakt, maar ook op

zogeheten 'screenprotectors' die over deze beschermende laag komen.

Dit onderwerp is gekozen omdat het idee van materialen die zonder verdere interventie zichzelf

kunnen herstellen een interessant concept lijkt voor verscheidene toepassingen. Dit is op zichzelf

nog te breed: om de onderzoeksvraag minder algemeen te maken moest er een toepassing

verzonnen worden. Een mogelijke toepassing ligt bij telefoonschermen: deze zijn gevoelig voor

schade en een zelfherstellend materiaal zou een uitkomst kunnen zijn voor gebruikers omdat

krassen en barsten in het scherm vanzelf worden hersteld.

ONDERZOEKSVRAAG Hoe kunnen zelfherstellende polymeren worden toegepast op het beschermen van beeldschermen

van elektronische apparaten?

De deelvragen de nodig zijn om deze hoofdvraag te beantwoorden zijn:

1. Wat zijn zelfherstellende polymeren?

2. Hoe worden zelfherstellende polymeren gemaakt?

3. Welk soort zelfherstellend polymeer is het meest geschikt voor de bescherming van

beeldschermen?

Om te bepalen welk zelfherstellend materiaal het meest geschikt is voor het beschermen van

beeldschermen wordt in hoofdstuk 2: ‘Wat zijn zelfherstellende polymeren?’ eerst iets verteld over

zelfherstellende materialen en polymeren in het algemeen. In hoofdstuk 3: ‘Hoe wordt een

zelfherstellend polymeer gemaakt?’ wordt met enkele voorbeelden beschreven hoe de productie

van polymeren in zijn werk gaat.

In hoofdstuk 4: ‘Welk zelfherstellend polymeer is het meest geschikt voor bescherming van

beeldschermen?’ worden verschillende soorten bestaande ‘gewone’ en zelfherstellende materialen

vergeleken op geschiktheid voor toepassing op beeldschermen. In Experimenten worden de

experimenten die gedaan zijn bij dit profielwerkstuk beschreven en tenslotte kan een conclusie

getrokken worden over te toepassing van zelfherstellende polymeren op beeldschermen.

6

2 WAT ZIJN ZELFHERSTELLENDE POLYMEREN?

ZELFHERSTELLENDE MATERIALEN Mensen, en daarnaast vele andere organismen, hebben het vermogen zichzelf te herstellen na een

(niet al te grote) beschadiging. Een schaafwond geneest vanzelf, hoewel er soms een litteken

achterblijft. Te grote verwondingen herstellen niet vanzelf: er groeit bij ons bijvoorbeeld geen

nieuwe arm aan.

Het zelfherstellend vermogen van organismen is de inspiratie achter zelfherstellende materialen:

zonder te veel ingrijpen moet een materiaal (kleine) beschadigingen kunnen herstellen, het liefst

zonder ‘littekens’.

Sinds kort, vanaf ongeveer 2000 (Woodford, 2016), is men bezig met het ontwikkelen van dit soort

materialen. Inmiddels zijn hiervan al verschillende soorten ontwikkeld. Voor dit profielwerkstuk zijn

de zelfherstellende polymeren het meest interessant, maar voorbeelden van andere soorten

zelfherstellende materialen zijn onder andere zelfherstellend beton, zelfherstellende metalen en

zelfherstellende (auto)lak (Wikipedia: Self-healing material, 2016).

Zelfherstellend Beton

Beton is een kunstmatig materiaal wat een aantal goede eigenschappen heeft, vooral voor gebruik in

de bouw. Modern beton is samengesteld uit cement als bindmiddel en verschillende soorten zand

en grind. Het wordt geproduceerd, vervoerd en geplaatst in vloeibare vorm, waarna het uithardt tot

een steenachtig geheel. Vaak is beton 'gewapend' met een vlechtwerk van stalen draden of buizen,

wat de sterkte bevordert. (Wikipedia: Beton, 2016)

Een van de voordelen van beton is dat het relatief goedkoop is. Een ander voordeel is de eenvoud

van het gebruik waardoor het voor vele doeleinden gebruikt kan worden, zoals bij funderingen,

muren en vloeren.

Een nadeel is echter dat beton na lange tijd en onder hoge druk kwetsbaar is voor scheuren.

Hierdoor kan de stalen bewapening gaan roesten. Dit is waar zelfherstellende materialen kunnen

helpen. De TU Delft heeft een succesvolle proef gedaan met beton waarin bacteriën zijn verwerkt

die calciumcarbonaat (kalk) produceren (Groot, 2015). Deze bacteriën worden actief zodra ze in

aanraking komen met water en zuurstof, dit kan bijvoorbeeld gebeuren als water in een scheur in

het beton sijpelt. Wanneer dit gebeurt wordt het calciumcarbonaat afgescheiden, wat de scheur

opvult. (Jonkers, 2014)

7

Zelfherstellende metalen

Zelfherstellende metalen komen voor in de vorm van ‘geheugenmetaal’. Deze soort metaal kan

reageren op bijvoorbeeld een verandering van temperatuur of lichtsterkte. Een voorbeeld van zo’n

‘geheugenmetaal’ is nitinol, een legering van nikkel en titaan. Dit metaal kun je bij 500 graden

Celsius de gewenste vorm geven. De legering ‘onthoudt’ deze vorm, waardoor je het na afkoelen

met enige kracht kunt verbuigen. Als je het vervolgens weer verhit, schiet het terug in zijn originele

vorm. (Rhijn, et al., 2015).

Deze bijzondere eigenschappen van metalen zoals nitinol kunnen voor veel verschillende

toepassingen gebruikt worden, waaronder de ruimtevaart, waar onderdelen en apparatuur zo klein

mogelijk wordt ‘opgevouwen’ voor de lancering, en in kleding, waar het gebruikt kan worden voor

het voorkomen van kreukels. Je kunt de vorm van de kleding met metalen stripjes ‘vastleggen’ in het

geheugenmetaal, waarna, als de kleding kreukt, door middel van de lichaamswarmte het weer in de

juiste vorm komt.

Er zijn twee verschillende roosters waarin het nitinol kan bestaan. Deze worden ‘austeniet’ en

‘martensiet’ genoemd. Bij een hoge temperatuur rangschikken de metaalatomen zich volgens het

compactere, sterkere kristalrooster van austeniet. Bij afkoeling verschuiven de atomen een stukje,

waardoor het kristalrooster martensiet ontstaat. Dit is veel minder sterk dan austeniet, waardoor

het gemakkelijk verschuift. Als je het martensiet weer verwarmt schiet het terug naar austeniet,

waardoor het weer sterker wordt. Zie ook Fig. 1 ter illustratie.

Fig. 1: Metaalroosters kunnen op verschillende manieren gerangschikt zijn (Rhijn, et al., 2015).

8

Zelfherstellende polymeren

Bovenstaande materialen zijn natuurlijk interessant, maar voor dit werkstuk zijn vooral de

zelfherstellende polymeren belangrijk. Een zelfherstellend polymeer is een polymeer waaraan

zelfherstellende eigenschappen zijn toegekend. In hoofdstukken 3, 5 en 7 wordt hier verder op

ingegaan.

Een manier om een polymeer zelfherstellend te maken is door het toevoegen van microcapsules aan

het polymeer. In deze capsules zijn stoffen aanwezig die polymeerketens aan elkaar kunnen maken.

Wanneer een gewoon polymeer beschadigd raakt zijn de polymeerketens verbroken. Als er in een

polymeer microcapsules aanwezig zijn barsten ook deze op de plaats van beschadiging open,

waardoor de polymeerketens weer aan elkaar worden gemaakt.

Een andere manier wordt geïnspireerd door de huid van mensen. In en onder de huid lopen vaten

die de huid voorzien van allerlei stoffen, ook stoffen die nodig zijn bij het herstel van een

beschadiging. Dit kan ook worden toegepast in polymeren: door in het polymeer een vatenstelsel

aan te brengen kunnen stoffen die het polymeer kunnen herstellen naar de beschadigde plek

worden gebracht. Een voordeel hiervan is dat het polymeer vaker op één plek hersteld kan worden.

Een derde manier wordt beschreven door Rhijn et al (2015). Deze manier maakt gebruik van

waterstofbruggen. Deze bindingen kunnen eindeloos gemaakt en verbroken worden. Twee

uiteinden van gebroken polymeerketens hoeven alleen maar bij elkaar in de buurt te komen om

weer te binden. Het voordeel van deze aanpak is dat er geen andere stof nodig is om de ketens weer

te repareren. Nadeel is dat waterstofbruggen minder sterk zijn dan covalente bindingen. (Rhijn, et

al., 2015)

9

WAT ZIJN POLYMEREN? Een polymeer is een keten die bestaat uit aan elkaar gekoppelde monomeereenheden. Deze kunnen

identiek zijn, maar er bestaan ook polymeren die uit verschillende soorten monomeereenheden

bestaan. Dit soort polymeer wordt copolymeer genoemd.

Additie- en condensatiepolymerisatie

Er zijn twee manieren om polymeren te maken: met additiepolymerisatie en

condensatiepolymerisatie. Additiepolymerisatie rust op het radicaalmechanisme om

monomeereenheden met elkaar te verbinden en condensatiepolymerisatie maakt gebruik van

condensatiereacties (Rhijn, et al., 2014).

Additiepolymerisatie verloopt volgens de drie stappen van het radicaalmechanisme; initiatie,

propagatie en terminatie. In de eerste stap, de initiatie, reageert een radicaal (de initiator) met een

monomeer, waardoor het monomeer een radicaal wordt (Fig. 2):

Fig. 2: een radicaal reageert met etheen waardoor h et andere einde van de monomeereenheid kan reageren (Van der

Woude, 2015).

Dit nieuwe radicaal kan dan met een ander monomeer reageren, waardoor dit monomeer een

radicaal wordt en weer kan reageren. Dit proces herhaalt zich om een lange keten te vormen: dit is

wat gebeurt tijdens de tweede stap: de propagatie (Fig. 3).

Fig. 3: het radicaal reageert weer met een monomeer, waardoor een langere keten wordt gevormd (Van der Woude,

2015).

Als twee radicalen met elkaar reageren stopt de reactie omdat na de reactie aan geen radicalen

overblijven. Dit is de derde en laatste stap van de reactie: de terminatie (Fig. 4).

Fig. 4: de uiteinden van twee ketens reageren met elkaar: er blijven geen radicale uiteinden over en de keten is voltooid

(Van der Woude, 2015) .

10

Een voorbeeld van een polymeer dat verkregen wordt door middel van additiepolymerisatie is

polystyreen, ook wel piepschuim. Polystyreen wordt geproduceerd door meerdere styreen-

moleculen te koppelen. De dubbele binding tussen de twee koolstofatomen die buiten de fenyl-

groep liggen wordt gebroken, waarna er meerdere aan elkaar gemaakt worden (Fig. 5). Vaak is dit

molecuul water. Bij dit mechanisme worden bijna altijd moleculen gebruikt die een bepaalde

functionele groep hebben, bijvoorbeeld een combinatie van carbonzuur- (-COOH), amine- (-NH2) en

alcoholgroepen (-OH).

Fig. 5: Nylon wordt gemaakt door eon dicarbonzuur te laten reageren met een diamine, waarbij als bijproduct water

ontstaat (Wikipedia: Nylon, 2016) .

Enkele voorbeelden van polymeren die verkregen worden door middel van

condensatiepolymerisatie zijn DNA en RNA, waar het kleine molecuul wat telkens wordt afgesplitst

altijd water is en plastic in PET-flessen, dat wordt gemaakt met dimethyleftalaat en glycol, waar

methanol steeds wordt afgesplitst als klein molecuul.

Thermoharders en thermoplasten

Er zijn verschillende soorten polymeren. Een eigenschap van een polymeer is of het bij verhitten

zacht wordt of hard blijft. Polymeren die bij verwarmen zacht worden noem je thermoplasten,

polymeren die hard blijven thermoharders. Het verschil tussen de twee kun je verklaren aan de hand

van de bouw van de moleculen. Thermoplasten bestaan uit lange, ingewikkelde ketens van

monomeren. Bij thermoharders worden echter tussen deze ketens zogenaamde ‘crosslinks’

gevormd. Door deze crosslinks ontstaat een netwerkpolymeer, wat ervoor zorgt dat het niet zacht

wordt bij verhitten, omdat je de atoomverbindingen zou moeten verbreken om het wel flexibel te

maken. Deze crosslinks kunnen alleen ontstaan als er in de originele keten nog dubbele bindingen of

zijgroepen zijn, wanneer de zijgroepen of dubbele bindingen van twee ketens aan elkaar binden.

Toepassingen van polymeren

De meeste mensen zullen polymeren kennen van plastics. Zo wordt polyethyleen gebruikt voor het

maken van plastic tasjes (Lajeunesse, 2004). De molecuulformule van polyethyleen is (C2H4) n waar n

(de ketenlengte) meestal rond de 105 ligt (Polymers and plastics: an introduction, 2009). Er zijn twee

belangrijke soorten polyethyleen die gebruikt worden voor plastic tassen, namelijk lage-dichtheid-

polyethyleen (LDPE) en hoge-dichtheid-polyethyleen (HDPE). Het verschil tussen LDPE en HDPE zit in

het ontstaan van crosslinks. In LDPE worden deze wel gevormd, in HDPE niet. Hierdoor is LDPE een

steviger materiaal dat gebruikt wordt voor tassen voor kleding en dergelijke.

Fig. 6: Polyethyleen zoals gebruikt in plastic tassen (Polymers and plastics: an introduction, 2009) .

11

Een ander voorbeeld van een polymeer is nylon. Er zijn 2 verschillende veel gebuikte soorten nylon,

waarvan nylon(6,6) het meest gebruikt wordt. De eerste keer dat nylon(6,6) geproduceerd werd was

in februari 1935 in de VS (Wikipedia: Nylon, 2016). De andere soort nylon is nylon(6). Het verschil

tussen deze twee soorten nylon is het begin en het einde van de streng. Bij nylon(6) vormen de

speciale groepen (amine of carbonzuur) de uiteinden, terwijl bij nylon(6,6) de ketens eindigen met

CH4-groepen (Fig. 7).

Fig. 7: Het verschil tussen nylon(6) en nylon(6,6) (Wikipedia: Nylon, 2016) .

Nylon wordt gevormd door een diamine (een molecuul met twee NH2-groepen) te laten reageren

met een dizuur (een molecuul met twee COOH-groepen). Hier komt water bij vrij, het is dan ook een

condensatiereactie. Nylon wordt gebruikt in kleding, maar ook in tenten, tapijt en banden. Het

wordt ook gebruikt als vulling voor 3D-priinters.

Fig. 8: Blauwgekleurde nylon in een jurk (Wikipedia: Nylon, 2016) .

12

Bovenstaande toepassingen zijn synthetische polymeren, maar er bestaan ook natuurlijke

polymeren. In hout, katoen, zijde en ander plantaardig materiaal is cellulose aanwezig, een polymeer

dat gemaakt wordt door eenheden van twee D-glucosemoleculen aan elkaar te maken. De

molecuulformule van cellulose is (C6H10O5) n. Het lost niet op in water, maar is wel hydrofiel. De

smelttemperatuur is 567 graden Celsius. Cellulose wordt vooral gebruikt voor de productie van

papier, maar ook voor vezels in textiel dat van katoen en linnen gemaakt wordt. Ook wordt het in de

scheikunde gebruikt als de staande fase van dunnelaagchromatografie. (Wikipedia: Cellulose, 2016)

Fig. 9: Katoen, wat voor 90% uit cellu lose bestaat (Wikipedia: Cellulose, 2016) .

13

Een ander veel voorkomend voorbeeld van een natuurlijk polymeer is DNA (deoxyribonucleïnezuur).

DNA bestaat uit een fosfaatgroep (PO43-), deoxyribose (H−(C=O)−(CH2)−(CHOH)3−H) en een base. Er

zijn vier mogelijke basen: adenine (A), thymine (T), cytosine (C) en guanine (G). Je kunt DNA zien als

een dubbele helix waarvan de ‘sporten’ van de ladder bestaan uit basenparen. In het DNA staat altijd

adenine tegenover thymine en guanine tegenover cytosine.

Fig. 10: gevormd volgens een dubbele helix, de fosfaatgroep, deoxyribose en basenparen zijn aangegeven (Talking

Glossary, 2012).

Eigenlijk bestaat het DNA uit twee strengen polymeer, die volgens de vorm van een helix in elkaar

gedraaid zijn. Elk monomeer van dit polymeer bestaat dus ook uit één van de vier basen (A, T, C of

G), een molecuul deoxyribose en een fosfaatgroep. De monomeren worden aan elkaar gemaakt

door de fosfaatgroep van het ene monomeer aan de suikergroep van het andere monomeer te

binden (Fig. 11). Dit proces heet DNA-polymerase (Wikipedia: DNA, 2016).

14

Fig. 11: De chemische structuur van DNA wordt duidelijk in deze afbeelding. De gestippelde lijnen tussen basen zijn

waterstofbruggen (DNA: Chemical Structure, 2016) .

Het einde van elke DNA streng wordt gevormd door een waterstofatoom toe te voegen aan het

zuurstofatoom waar normaal het volgende monomeer gekoppeld wordt.

15

HOE KOMEN POLYMEREN AAN ZELFHERSTELLENDE EIGENSCHAPPEN? Polymeren zijn, zoals eerder uitgelegd in 2.2, lange ketens van zogenaamde monomeren, die door

ionisatie- of condensatiereacties aan elkaar zijn ‘geregen’ tot een polymeer. Als een polymeer

beschadigt door bijvoorbeeld een breuk, scheur of kras worden deze polymeerketens gebroken en

de uiteinden uit elkaar gedreven: de open ruimte die ontstaat is de beschadiging die je waarneemt.

Normaal zijn materialen niet in staat deze polymeerketens zelf te herstellen en de ruimte zelf weer

op te vullen. Dat is het bijzondere aan zelfherstellende polymeren: die kunnen dat (vaak tot op

zekere hoogte) wel. Er zijn verschillende methodes om zelfherstellende eigenschappen aan

polymeren toe te kennen: sommige berusten op een extra stof die aanwezig is in het polymeer

(extrinsic, extrinsiek) en in actie komt als dat nodig is, in andere materialen hebben de

polymeerketens die eigenschappen zélf (intrinsic, intrinsiek) (Wikipedia: Self-healing material, 2016).

Een aantal van de meest bekende en meest gebruikte methodes wordt in dit hoofdstuk beschreven

en uitgelegd.

Microcapsules

De manier die in 2001 het eerst is ontdekt en aangetoond door wetenschapper Scott White en zijn

collega’s (White, et al., 2001)maakt gebruik van zogenaamde ‘microcapsules’, afgesloten bolletjes

die in het materiaal zijn aangebracht. In de microcapsules zijn monomeren, een zogenaamde

‘healing agent’ (Brown, White, & Sottos, 2004), aanwezig. Als er in een polymeer schade

(bijvoorbeeld een kras of scheur) ontstaat breken de microcapsules open en stromen de

monomeren uit de capsules in de ontstane opening. De katalysator zorgt ervoor dat polymerisatie

op gang kan komen door de reactietemperatuur te verlagen, waardoor het polymeer niet verhit

hoeft te worden om zich te herstellen (Brown, White, & Sottos, 2004). De monomeereenheden

verbinden de losse uiteinden van de gebroken polymeerketens aan beide kanten van de scheur en

de opening wordt opgevuld: het materiaal heeft zijn voormalige eigenschappen weer terug.

Fig. 12: Door een scheur breken de capsules open: de monomeren vloeien de opening in en polymeriseren onder invloed

van de katalysator om de schade te herstellen (Cooper, 2016).

Een nadeel van deze aanpak is dat een polymeer maar één keer op dezelfde plek hersteld kan

worden. Bij een tweede beschadiging op dezelfde plek zijn er geen intacte microcapsules meer over

waarvan de inhoud de schade kan herstellen.

Ook is de hoeveelheid herstelstof in een microcapsule erg klein. Ook de concentratie microcapsules

kan niet oneindig vaak verhoogd worden; een te hoge concentratie microcapsules leidt tot een

16

lagere concentratie polymeerketens en dus tot een minder stevig materiaal. Gevolg: op één plek kan

maar een kleine hoeveelheid schade worden hersteld. Een klein krasje kan nog worden gevuld, maar

er is niet genoeg herstelstof aanwezig om een grote scheur te herstellen.

De grootste afknapper voor toepassing op beeldschermen is dat deze aanpak als resultaat geen goed

doorzichtig materiaal oplevert. Eén microcapsule met een diameter van enkele tientallen

micrometers dik (Zwaag & Brinkman, 2015, p. 55) is niet zichtbaar, maar tijdens ons bezoek aan de

TU Delft werd ons door de onderzoekers verteld dat een concentratie microcapsules nodig om het

materiaal enigszins zelfherstellend te maken zo hoog zou zijn dat het materiaal te veel licht tegen

zou houden om bruikbaar te zijn als beschermlaag op een beeldscherm.

Het laatste probleem is dat dit systeem nog niet lang houdbaar is. De katalysator die aanzet tot

polymerisatie degradeert na verloop van tijd (Zwaag & Brinkman, 2015, p. 3), waardoor de inhoud

van de microcapsules niet meer goed kan polymeriseren. Ook kan de inhoud van de microcapsules

langzaam inwerken op de wand van de capsule, wat zorgt voor een houdbaarheid van slechts een

paar weken (Zwaag & Brinkman, 2015, p. 55).

Holle microvezels

Een idee dat verder borduurt op de microcapsule-aanpak is dat van holle microvezels. Net als bij dat

systeem is er een herstelmiddel aanwezig dat vrijkomt in het geval van schade. Ook gebeurt de

polymerisatiereactie onder invloed van een katalysator. Het herstelmiddel is nu alleen niet

opgeslagen in microcapsules maar in zeer dunne holle vezels, net als bloed in bloedvaten zit. Ook de

katalysator is niet meer ‘vrij’ aanwezig in het materiaal maar zit in andere microvezels, gescheiden

van het herstelmiddel.

Als het materiaal beschadigt breken deze vezels, net als de microcapsules, open om hun

herstelmateriaal in de opening te laten lopen en zo door polymerisatie van de monomeren onder

invloed van de katalysator de opening te dichten, beide kanten van de scheur te verbinden en de

schade te herstellen, zie ook Fig. 13.

Fig. 13: Bij beschadiging breken de microvezels met katalysator en herstelmiddel open om de schade te herstellen door

polymerisatie. (Sinn-Hanlon, White, & Blaiszik, 2013)

Het voordeel van de vezelaanpak ten opzichte van de aanpak met microcapsules is dat vezels meer

herstelmiddel kunnen opslaan dan microcapsules: in theorie kan de volledige inhoud van betrokken

vaten gebruikt worden voor het herstel. Zo kan meer herstelmateriaal naar de plaats waar het nodig

is worden getransporteerd en kunnen grotere beschadigingen worden hersteld dan met gebruik van

microcapsules.

17

Net als bij de microcapsules is bij de aanpak met microvezels een van de nadelen dat het

herstelmiddel en de katalysator op een gegeven moment leeg zijn. De lege vaten kunnen dan niet

meer helpen met het herstellen van schade en na verloop van tijd zijn zo goed als alle vaten leeg. Als

oplossing is een variatie op het microvezelsysteem bedacht, het microvaatsysteem. Dit systeem is

nog verder geïnspireerd door de biologie: de ‘herstelvloeistof’ van dierlijke organismen wordt

namelijk ook rondgepompt, namelijk door een hart. In sommige gevallen is het mogelijk een

pompmechanisme te installeren dat herstelvloeistof en katalysator rondpompt door het

vatenstelsel. Ook deze manier zal helaas niet zorgen dat het materiaal zich voor eeuwig zal kunnen

herstellen, uiteindelijk zullen de vaten zo beschadigd of verstopt raken dat herstelmiddel en

katalysator niet meer goed verplaatst kunnen worden.

Het groter herstellend vermogen van een vezel bij één beschadiging brengt ook een nadeel met zich

mee. Omdat de volledige inhoud van een vezel gebruikt kan worden voor één reparatie is de vezel

kan de vezel op de plaats van een tweede beschadiging leeg zijn (Fig. 14). Om dit te voorkomen is

door een samenwerking tussen de TU Delft en TNO Science and Industry een nieuw soort vezel

ontwikkeld, bestaand uit verscheidene compartimenten (Fig. 14). Bij een beschadiging gaan alléén

de compartimenten die nodig zijn open; de rest van de vezel kan nu nog steeds beschadigingen

herstellen (Zwaag & Brinkman, 2015, pp. 61-68).

Fig. 14: Een normale holle vezel is soms leeg bij een tweede beschadiging (rechts). Door verschillende compartimenten

te maken kan de vezel meerdere beschadigingen herstellen (links). (Zwaag & Brinkman, 2015)

Een probleem met microvezels wat helaas niet op te lossen is is dat, net als bij de microcapsules, een

materiaal met microvezels niet doorzichtig is. In delft bleek tijdens een van de demonstraties dat de

microvezels in met materiaal duidelijk zichtbaar zijn. Dit maakt de microvezels net als de

microcapsules niet geschikt voor toepassing op beeldschermen.

18

Omkeerbare bindingen

Waarschijnlijk de meest simpele manier om beschadigde polymeren te herstellen is door het gebruik

van omkeerbare bindingen. Er zijn twee grote voordelen aan deze manier van zelfherstellend

maken.

Ten eerste hoeven er in tegenstelling tot de microcapsules en -vezels geen stoffen toegevoegd te

worden om bindingen aan te maken, ze vormen als vanzelf als twee molecuulgroepen die zo’n

binding kunnen vormen bij elkaar in de buurt komen. Door monomeereenheden in de

polymeerketen niet met ‘gewone’ covalente bindingen maar met omkeerbare bindingen te binden

kunnen ze nadat ze zijn gescheiden zijn door schade, zoals een kras of snee, weer aan elkaar binden

zolang ze bij elkaar in de buurt zijn.

Een voorwaarde aan deze aanpak is dat voor goed herstel de breukvlakken vrij egaal moeten zijn. Als

je twee ruwe oppervlaktes tegen elkaar houdt is er maar een klein oppervlak waar de twee

uiteinden elkaar raken (Fig. 15). Als het de oppervlakten ruw zijn kan maar een kleine hoeveelheid

monomeren aan elkaar hechten. Dit zorgt voor een minder goed herstel omdat veel minder ketens

weer aan elkaar zijn gebonden dan voordat het materiaal beschadigde. Deze manier is dus niet

geschikt als het polymeer bijvoorbeeld uit elkaar wordt getrokken, omdat dit een ruw oppervlak

oplevert.

Fig. 15: Links twee ruwe oppervlakken: ze raken elkaar alleen op de rood omcirkeld e punten. Rechts twee gladde

oppervlakken die elkaar over vrijwel de hele lengte raken (grijs is het polymeer, zwart zijn de oppervlakken en wit is

lege ruimte).

Als omkeerbare binding ‘is de waterstofbrug ideaal, omdat deze bindingssterkte combineert met

uitmuntende omkeerbaarheid’ (Tom F. A. de Greef, 2008). Door meer dan één waterstofbrug per

monomeereenheid te maken worden de bindingen tussen de monomeereenheden nóg sterker (Fig.

16).

19

Fig. 16: Een stukje rubber (a) bestaat uit polymeerketens waarvan de monomeereenheden gebonden zijn met

waterstofbruggen (b). In c is te zien dat je voor iedere monomeerbinding meerdere waterstofbruggen kan maken ,

aangegeven met stippellijn . (Tom F. A. de Greef, 2008) .

Omdat het geen extra herstelstoffen nodig heeft om schade te herstellen kan het materiaal zich

daarnaast in theorie oneindig vaak herstellen omdat de herstelstoffen niet op kunnen raken, zoals

wel het geval is bij de microcapsules en de microvezels. Dit is voordelig als een materiaal zich vaak

op dezelfde plek moet kunnen herstellen.

Een nadeel aan polymeren die gebruik maken van waterstofbruggen, en met omkeerbare bindingen

in het algemeen, is dat ‘de mechanische kracht van polymeren die met supramoleculaire [waterstof-

] bindingen zijn gemaakt niet stabiel genoeg is’ ( (Yang & Zimmerman, 2013, p. 519). Dit betekent dat

dit soort polymeren misschien niet stevig genoeg zal zijn voor gebruik als bescherming

beeldschermen, maar dat is op dit moment nog niet te zeggen.

Fysische eigenschappen

De laatste manier om materialen zelfherstellend te maken is door gebruik te maken van fysische

eigenschappen van de polymeren zélf. Naar de werking en ontwikkeling van dit soort materialen

wordt op dit moment veel onderzoek gedaan op universiteiten, zo ook op de TU Delft, waar ons een

demonstratie werd getoond van de werking van zo’n materiaal.

Met een scherp scheermesje werd in het materiaal gesneden, tot op het punt waarop het kon

worden dubbelgevouwen en beide kanten van het materiaal te zien waren. Vervolgens werden de

twee uiteinden tegen elkaar gehouden en na enkele tientallen seconden zaten de twee uiteinden

weer aan elkaar vast.

Hoewel dit materiaal niet vloeibaar was konden de polymeerketens een beetje langs elkaar stromen.

Ze werden bijeengehouden door vanderwaalskrachten, de krachten die ervoor zorgen dat moleculen

een beetje tot elkaar aangetrokken worden. Als het materiaal wordt beschadigd, in dit geval met een

scherp mesje, en als beide uiteinden vervolgens tegen elkaar worden gehouden, worden de ketens

van beide uiteinden tot elkaar aangetrokken en bewegen ze naar de andere kant van de breuk,

waarbij ze de breuk overbruggen en zo de schade kunnen herstellen.

20

3 HOE WORDT EEN ZELFHERSTELLEND POLYMEER GEMAAKT?

PRODUCTIE VAN POLYMEREN Er zijn veel verschillende polymeren en ook veel verschillende manier om ze te produceren. De

voornaamste polymerisatietechnieken zijn bulkpolymerisatie, oplossingspolymerisatie en suspensie-

en emulsiepolymerisatie. (Oostenbrink, 2014)

Bulkpolymerisatie

Bulkpolymerisatie is een van de meest gebruikte technieken bij de productie van

condensatiepolymeren. Het is zelfs de enige mogelijke productietechniek bij het maken van

thermoharders, omdat na het polymeriseren een product ontstaat dat niet kan smelten. Het

voordeel van het gebruiken van deze techniek is dat het oplosmiddelen uitspaart en het verwijderen

van oplosmiddel uit het polymeer overbodig is. Ook is de controle over dit systeem redelijk

makkelijk, omdat de viscositeit van het ontstane mengsel vaak laag is. De reacties die plaats vinden

bij bulkpolymerisatie zijn exotherm, waardoor de temperatuur vaak hoger ligt dan het smeltpunt van

het ontstane polymeer en het mengsel vloeibaar is. Zodra de reactie verlopen is wordt het polymeer

uit de reactor geleid en gekoeld, waarna het tot kleine korrels gehakt, waarna het aan de verwerker

geleverd wordt.

Deze manier van polymeriseren is moeilijker bij polymeren die gevormd worden door

kettingreacties, aangezien deze reacties vaak sterk exotherm zijn, daardoor de viscositeit van het

mengsel zeer groot wordt en als een resultaat de warmte niet goed afgevoerd kan worden. Om deze

reden wordt bulkpolymerisatie bijna niet uitgevoerd bij de productie van polymeren waar een

kettingreactie voor nodig is.

Oplossingspolymerisatie

Oplossingspolymerisatie werkt bijna hetzelfde als bulkpolymerisatie, alleen is de concentratie lager

door verdunning. Als resultaat hiervan is de viscositeit van het mengsel lager, waardoor

reactiewarmte sneller afgevoerd kan worden. Een belangrijk nadeel van deze techniek, echter, is dat

het lastig is om het oplosmiddel uit het ontstane polymeer te verwijderen. Een ander nadeel is dat

het polymeerketens kan vormen met het oplosmiddel als er niet zorgvuldig onderzoek en

observaties gedaan worden.

Oplossingspolymerisatie wordt vooral gebruikt bij de productie van polymeren die in oplossing

gebruikt worden, zoals bij verf, lijm en sommige folies. Dit is een voordeel omdat het oplosmiddel nu

niet verwijderd hoeft te worden.

Suspensie- en emulsiepolymerisatie

Bij suspensiepolymerisatie zit het monomeer in kleine bolletjes in een vloeibare stof (meestal

water). Belangrijk bij dit soort polymerisatie is dat de initiator van de reactie opgelost is in de

bolletjes. In principe verloopt de reactie hetzelfde als bij bulkpolymerisatie, alleen wordt deze

reactie gekoeld door de aanwezigheid van het water. Het is belangrijk dat de bolletjes waarin de

reactie gebeurt klein blijven, dit wordt bereikt door roeren. (Oostenbrink, 2014)

21

Emulsiepolymerisatie maakt gebruik van de vorming van micellen. Een micel bestaat uit vele

moleculen met een hydrofiele kop en een hydrofobe staart. Deze moleculen vormen een bolletje

waarin reacties kunnen plaats vinden, net als bij suspensiepolymerisatie. De micellen ontstaan bij

het toevoegen van een emulgator. Er wordt zoveel emulgator toegevoegd, dat ongeveer 1018

micellen per milliliter ontstaan. Het monomeer dat gebruikt wordt is altijd onoplosbaar in het water,

dit is belangrijk omdat een deel van de monomeereenheden in het water belandt. De initiatie van

de reactie gebeurt in het water, de propagatie en terminatie in de micellen. De radicalen die

ontstaan ‘zwerven’ door het water en omdat er veel meer micellen zijn dan monomeerbolletjes,

hebben ze een grotere kans om een micel tegen te komen dan een monomeerbolletje. (Oostenbrink,

2014)

PRODUCTIE VAN ZELFHERSTELLENDE POLYMEREN Er zijn, zoals in hoofdstuk 2.3 beschreven, verschillende manieren om (bestaande) materialen te

maken. Vaak zijn er ook verschillende manieren om een bepaald soort zelfherstellend polymeer te

maken.

Extrinsiek

Zoals eerder beschreven in 2.3 zijn extrinsieke herstelmethoden op te delen in twee methoden,

namelijk microcapsules en holle vezels.

De eerste herstelmethode maakt gebruik van microcapsules. Eenmaal gemaakt worden de

microcapsules waarvan de exacte productie buiten de strekking van dit werkstuk ligt tijdens de

productie toegevoegd aan een ‘gewoon’ polymeer. De microcapsules mogen niet tijdens de

productie niet stukgaan omdat ze anders het materiaal niet meer kunnen herstellen als dat nodig is.

Bepaalde omstandigheden, zoals druk en temperatuur, mogen tijdens de productie niet te hoog zijn.

De manier waarop holle vezels met herstelmiddel worden toegevoegd lijkt hierop: de gemaakte

vezels worden toegevoegd tijdens de productie van het polymeer. Een verschil is dat de oriëntatie

van de vezels aangepast kan worden. Net als bij de microcapsules is het belangrijk dat de vezels niet

beschadigen tijdens de productie van het polymeer.

Intrinsiek

Zoals besproken in 2.3 hoeven bij intrinsieke zelfherstellende polymeren geen externe hulpmiddelen

toegevoegd te worden. Het maken van deze polymeren is niet verschillend van de manieren

beschreven in 3.1. Vaak zijn het de monomeereenheden die ‘speciaal’ zijn en ervoor zorgen dat het

polymeer zijn zelfherstellende eigenschappen krijgt. Polymeren gevormd door waterstofbruggen zijn

nog makkelijker te maken: omdat waterstofbruggen ‘spontaan’ tussen de monomeereenheden

vormen hoeven de monomeereenheden alleen bij elkaar te worden gelegd en vormen ze vanzelf

ketens.

22

4 WELK ZELFHERSTELLEND POLYMEER IS HET MEEST GESCHIKT VOOR

BESCHERMING VAN BEELDSCHERMEN?

Om te bepalen welk materiaal het meest geschikt is voor toepassing op beeldschermen is het

belangrijk eisen te stellen aan het materiaal. Vervolgens kunnen verschillende soorten polymeren

vergeleken worden en kan één of kunnen meerdere polymeren gekozen worden die geschikt zijn als

beschermlaag voor beeldschermen.

EISEN Als je iets op een beeldscherm legt ter bescherming is de belangrijkste vereiste misschien wel dat je

er doorheen moet kunnen kijken. Er moet dus een materiaal gekozen worden dat zo transparant

mogelijk is zodat het scherm eronder goed zichtbaar blijft. Het polymeer moet dus zo min mogelijk

licht tegenhouden.

Zoals besproken in hoofdstuk 2.2.2 is praktisch gezien het meest belangrijke verschil tussen

thermoharders en thermoplasten dat thermoharders crosslinks bevatten in hun polymeerstructuur,

wat ervoor zorgt dat de ketens moeilijk kunnen bewegen waardoor dit soort materialen hard blijft

onder hoge temperaturen waar thermoplasten zacht worden, smelten en kunnen vervormen.

Is het handig als je beeldscherm zacht wordt en smelt? Telefoons worden nog wel eens in de zon

neergelegd, zeker in de zomer is het scherm aardig opgewarmd. Dat hoeft voor een thermoplast

geen probleem te zijn zolang het smeltpunt hoger ligt dan de hoogste temperatuur die het scherm

kan bereiken. Conclusie: het maakt in mindere mate uit of er gekozen wordt voor een thermoharder

of –plast, maar als er een thermoplast gekozen wordt moet secuur gekeken worden naar de

smelttemperatuur.

Het is ook niet wenselijk als het polymeer dat gebruikt wordt voor het beeldscherm kan oplossen in

water, aangezien als het dat wel doet, zodra het regent het scherm onbruikbaar wordt. Hierdoor zijn

polymeren die oplosbaar zijn in water of veel water kunnen opnemen onbruikbaar.

Ook de hardheid van het materiaal is belangrijk. De hardheid van een materiaal kan op drie

manieren bepaald worden: krasbestendigheid, indrukweerstand en terugslaghardheid. Hoewel deze

alledrie enigszins belangrijk zijn is een hoge krasbestendigheid waarschijnlijk het belangrijkst, en ook

het lastigst te bereiken. Krasbestendigheid wordt over het algemeen gemeten met de Mohs-schaal;

het mineraal talk staat onderaan met waarde 1 en diamant bovenaan met waarde 10 (Inland

Lapidary, 2016). Een materiaal kan krassen maken op een materiaal met een lagere hardheid, en een

materiaal kan geen krassen maken op een materiaal met een hogere hardheid.

Veel computerbeeldschermen maken nog gebruik van plastic bedekking, maar als je om je heen kijkt

zie je dat veel mobiele apparaten zoals tablets en telefoons hebben vanwege de

gebruiksomstandigheden een beschermlaag van glas gebruiken. Glas heeft een krasbestendigheid

van 5.5 op de Mohs-schaal (Tong, 2000), met deze waarde kunnen de polymeren worden

vergeleken. Soms wordt voor mobiele apparaten verhard glas gebruikt, bijvoorbeeld van het merk

Gorilla Glass, wat een speciale behandeling heeft ondergaan waardoor het glas kraswerender is.

23

Een van de strategieën zou kunnen zijn het beschermmateriaal zo hard mogelijk te maken, het liefst

even hard of harder dan gewoon glas, zodat het zo min mogelijk krassen oploopt omdat er minder

materialen zijn die het materiaal kunnen bekrassen. Een andere aanpak is juist een heel zacht

materiaal gebruiken dat als het ware ‘terugveert’, waardoor er helemaal geen kras ontstaat. Omdat

de beschermlaag niet mag buigen, omdat het beeldscherm eronder beschadigd kan raken als de

beschermlaag te veel doorbuigt, is een zachte beschermlaag geen optie.

Een nadeel van het gebruiken van een heel hard materiaal is dat het vaak ook bros is. Glas is

bijvoorbeeld vrij hard, maar zoals velen ervaren hebben komt er in een plaat van glas vrij snel een

barst. Een soepeler materiaal heeft geen last van dit verschijnsel.

Een andere belangrijke eigenschap van het materiaal dat het beeldscherm beschermt

kraswerendheid: je wil immers naar het beeld kijken en niet naar de krassen die in de weg zitten.

Ten slotte moet het materiaal zichzelf tot op zekere hoogte kunnen herstellen. Zo moet het

bijvoorbeeld zelf kleine krassen kunnen repareren zodat het scherm zo lang mogelijk meekan en het

liefst nooit vervangen hoeft te worden in de levensloop van het beeldscherm.

‘GEWONE’ POLYMEREN Zoals besproken in hoofdstuk 2.3 zijn er verschillende manieren om zelfherstellende eigenschappen

toe te kennen aan materialen. Extrinsieke methodes, zoals de microcapsules en de microvezels,

kunnen vaak toegepast worden in al bestaande materialen. Het is dus een optie om te kijken naar

bestaande materialen die mogelijk zelfherstellend gemaakt zouden kunnen worden, en de

eigenschappen te vergelijken.

Op dit moment wordt naast plastic vooral glas gebruikt als beschermlaag voor beeldschermen. Twee

veelgebruikte vervangers voor glas zijn PMMA en polycarbonaat, waarvan de eigenschappen

hieronder worden beschreven.

Een van de eigenschappen waar weinig over te vinden was is de kraswerendheid. Om de

kraswerendheid van verschillende materialen ten opzichte van elkaar te bepalen is daarom een

experiment uitgevoerd, te lezen in hoofdstuk 5.1. In dit experiment werd de hardheid van

polymethylmethacrylaat, polycarbonaat en glas met elkaar vergeleken. Hieruit bleek dat glas de

hoogste kraswerendheid had, gevolgd door polymethylmethacrylaat en dat polycarbonaat van de

geteste materialen de laagste kraswerendheid had.

Een vervolgproef om de praktische toepassing van de materialen te testen wordt beschreven in 5.2.

Hierin wordt de hoeveelheid licht die het materiaal doorlaat getest na in een bepaalde mate bekrast

te zijn. Met deze proef wordt gesimuleerd hoeveel licht de beschermlaag van het beeldscherm nog

doorlaat na veelvuldige beschadiging en daarmee hoe goed het beeldscherm nog zichtbaar is.

Optie 1: PMMA

Polymethylmethacrylaat (PMMA), “Beter bekend onder de handelsnamen Perspex, Plexiglas,

Altuglas en Oroglas, maar ook kortweg als acrylaat” (Acrylic Sustainable Solutions, 2016) “dat vaak

wordt gebruikt vanwege zijn gunstige combinatie van eigenschappen, waaronder uitzonderlijke

optische zuiverheid, harde oppervlak, verweersbestendigheid en vormvastheid” (Acrylic Sustainable

Solutions, 2016).

De transparantie van perspex is voordelig, omdat het bijna volledig transparant is. Het enige punt

waarop gelet moet worden, is dat het niet met agressieve schoonmaakmiddelen of schuursponsjes

schoongemaakt kan worden, maar er wordt vanuit gegaan dat dat bij telefoons niet gedaan wordt.

24

Perspex is een thermoplast, waardoor het bij verwarmen zacht wordt. Nu is dat bij perspex geen

probleem, aangezien het smeltpunt van perspex 160 graden Celsius is (Wikipedia:

Polymethylmethacrylate, 2016).

De hardheid van perspex kan misschien een probleem vormen, aangezien het wel sterk en stijf is,

maar minder taai en slagvast. Het is ook minder impactbestendig dan glas, maar het heeft wel een

hogere trek- en buigsterkte.

Perspex is niet oplosbaar in water, waardoor het goed gebruikt kan worden mocht het regenen.

Tevens neemt het weinig water op, het absorbeert 0,21% van het water (Wikipedia, 2016).

Perspex heeft natuurlijk nog een aantal andere eigenschappen die praktisch zijn voor het gebruik in

beeldschermen, waaronder de UV-bestendigheid en het feit dat het recyclebaar en duurzaam is.

Perspex is brandbaar waardoor het voor sommige andere toepassingen, zoals in het vervoer,

ongeschikt of zelfs verboden is.

Om zo veel mogelijk krassen te weren moet het materiaal zo hard mogelijk zijn. Uit het experiment

te vinden in hoofdstuk 5.1, hierboven kort beschreven, bleek dat van de twee geteste polymeren

PMMA de hogere kraswerendheid had.

Optie 2: Polycarbonaat

Polycarbonaat (PC) is een polymeer waarbij de monomeren gebonden zijn aan een

carbonaatbinding. Het is makkelijk in gebruik en ongeveer even duur als perspex, maar minder

brandbaar, waardoor het gebruikt wordt in personentransport en dergelijke. Tevens wordt het al

gebruikt in meerdere mobiele telefoons, waarvoor het dus voordelig is.

Polycarbonaat is een helder transparant materiaal, het heeft een betere lichtdoorlaatbaarheid dan

de meeste soorten glas.

Polycarbonaat is een thermoplast, maar in tegenstelling tot veel andere kunststoffen kan het een

hoge tot zeer hoge temperatuur aan. Het wordt plastisch in een traject van 147 graden Celsius tot

het vloeibaar is bij 155 graden Celsius. Er zullen dus geen problemen zijn die te maken hebben met

het zacht worden van het polymeer.

Polycarbonaat heeft een hoge inpactbestendigheid, maar een lage krasbestendigheid. Dit kan

opgelost worden door een harde coating toe te voegen wanneer het gebruikt wordt in lenzen of

schermen.

Polycarbonaat is waterbestendig, het wordt ook gebruikt in plastic waterflesjes. Het absorbeert

minder dan 0.1% van het water.

Er zijn meerdere problemen met het gebruik van polycarbonaat voor beeldschermen, zoals eerder

benoemde kraswerendheid. Deze was volgens het experiment beschreven in 5.1 lager dan die van

PMMA.

25

ZELFHERSTELLENDE POLYMEREN Voor dit werkstuk zijn de zelfherstellende polymeren natuurlijk interessanter. Hoewel er helaas nog

geen zelfherstellende polymeren op de markt zijn kan wel gekeken worden naar welke

eigenschappen in een materiaal gewenst zijn en welk herstelmechanisme het meest geschikt is voor

toepassing op beeldschermen.

Extrinsiek herstel

Zoals uitgelegd in 2.3 zijn zelfherstellende mechanismen op te delen in twee soorten: extrinsiek

(herstellend met toevoeging van herstelmiddel) en intrinsiek (herstellend zonder herstelmiddel). Een

voordeel van extrinsieke herstelmethoden is dat deze vaak in bestaande materialen

geïmplementeerd kunnen worden. Hierdoor hoeft er minder tijd en geld in onderzoek en

ontwikkeling te worden gestopt.

Extrinsiek herstel is botweg niet geschikt voor toepassing in beeldschermen. Dat komt doordat zowel

de microcapsules als de holle vezels in hogere concentraties te veel licht tegenhouden waardoor het

materiaal niet meer transparant is, zoals besproken in 2.3. Omdat transparantie toch een eis is waar

persé aan voldaan moet worden zijn deze manieren om een materiaal zelfherstellend te maken niet

geschikt voor toepassing op beeldschermen.

Intrinsiek herstel

Voor toepassing op beeldschermen zijn intrinsieke herstelmethoden dus het meest geschikt omdat

materialen die van deze herstelmethoden gebruik maken transparant gemaakt kunnen worden en ze

zich oneindig vaak kunnen herstellen, in tegenstelling tot de eerdergenoemde materialen die dit nog

niet kunnen. Het nadeel is dat er een heel nieuw materiaal moet ontwikkeld, wat tijd en geld kost.

Door de TU Delft werden twee testmaterialen beschikbaar gesteld om te testen op herstel bij

krassen. In hoofdstuk 5.3 wordt een experiment beschreven waarin de herstelsnelheid van twee

zelfherstellende materialen, een zelfherstellend natuurlijk rubber en een zelfherstellend polymeer

van de polyurethaanfamilie, wordt getest onder verschillende omstandigheden om te kijken in

hoeverre ze krassen kunnen herstellen. Uit dit experiment bleek dat er geen beduidend verschil is

tussen de herstelsnelheid van de twee materialen.

Coatings

Een derde optie is een coating aanbrengen om het beeldscherm te beschermen, bijvoorbeeld een

zelfherstellende coating op een gewone laag glas. Door gebruik te maken van een coating hoeft

minder duur zelfherstellend materiaal gebruikt te worden, wat de productiekosten van een product

dat gebruikmaakt van zelfherstellende techniek op beeldschermbescherming kan verminderen.

Ook kunnen bepaalde eisen aan het zelfherstellende materiaal weggelaten worden. Zo is het niet erg

als het materiaal waarvan de coating gemaakt is flexibel is, omdat de laag eronder wel solide is en de

coating en dat wat er druk op uitoefent tegenhoudt.

Tenslotte kan de coating makkelijker vervangen worden als hij zichzelf niet goed meer kan herstellen

of op een andere manier zodanig beschadigd of verweerd is dat hij zijn functie niet goed meer kan

uitvoeren.

26

5 EXPERIMENTEN

Het eerste experiment dat uitgevoerd zou worden was het zelf maken van een zelfherstellend

polymeer, dit bleek helaas praktisch onmogelijk vanwege de benodigde financiële middelen en de

beperkte informatie die erover gevonden kon worden.

Daarna was het plan om verschillende zelfherstellende polymeren te testen, maar helaas bleek dit

ook niet haalbaar, omdat zelfherstellende polymeren zeer zelden op de markt zijn vanwege het

beperkte onderzoek dat naar ze gedaan is en tevens vanwege de financiën.

Uiteindelijk is gekozen om verschillende niet-zelfherstellende polymeren te testen op

krasbestendigheid. Als referentie werd glas gebruikt, omdat dit al gebruikt wordt in beeldschermen

en het gemakkelijk verkrijgbaar is.

Als vervolgexperiment is de lichtdoorlaatbaarheid (na krassen) van de twee materialen getest om

een beeld te krijgen van de verschillen in zichtbaarheid van het scherm als de beschermlaag van

ofwel PMMA ofwel polycarbonaat veelvuldig is beschadigd.

Ten slotte zijn de van de TU Delft verkregen zelfherstellende polymeren getest op herstelsnelheid bij

verschillende temperaturen.

EXPERIMENT 1: KRASBESTENDIGHEID VERSCHILLENDE POLYMEREN TEN OPZICHTE VAN GLAS Theorie

Voor het gebruik van polymeren in beeldschermen van telefoons of andere elektronische apparaten

is het belangrijk dat het polymeer een redelijke krasbestendigheid heeft. De krasbestendigheid van

een polymeer wordt bepaald met een cijfer op de Mohs-schaal (Inland Lapidary, 2016). Hoe hoger

dit cijfer, hoe ‘harder’ het materiaal.

Onderzoeksvraag

Welk van de te onderzoeken polymeren is het meest krasbestendig ten opzichte van glas?

Hypothese

Beide polymeren zullen een lagere krasbestendigheid hebben dan glas, omdat de hardheid van glas

hoger ligt dan die van de polymeren.

Benodigdheden

- Plaat polymethylacrylaat (PMMA, Perspex) van 2 mm dik, besteld van kunststofkopen.nl

- Plaat polycarbonaat (PC) van 2 mm dik, besteld van kunststofkopen.nl

- Plaat glas van 2 mm dik, besteld van glaskoning.nl

- Metalen spijker (ongeveer 5 cm lang)

- Blokje hout (ongeveer 5 cm dik)

- Koperen munt (bijvoorbeeld 5 eurocent)

- Schuurpapier (240 grit)

- Gewichtjes, elk 80 gram

- Watervaste stift

- Tandenstoker

27

Uitvoering

Sla eerst de spijker in het blokje hout, zo, dat alleen de punt van de spijker nog uitsteekt. Leg hierna

het blokje hout met spijker op het te testen polymeer en voeg een gewichtje toe. Duw met de

tandenstoker het blokje voort en kijk of er een kras ontstaat. Noteer dit in een tabel. Als er geen kras

ontstaat, voeg nog een gewichtje toe en kijk of er nu wel een kras ontstaat, zo niet, ga verder tot er

wel een kras ontstaat. Aangeraden wordt om het polymeer op te delen in delen met de watervaste

stift, zodat gezien wordt waar al getest is.

Leg hierna de koperen munt op het polymeer en voer het bovenstaande experiment uit.

Knip ten slotte van het schuurpapier een dunne strook (ongeveer de breedte van de munt die

gebruikt wordt). Voeg een gewichtje toe en beweeg het over het polymeer heen door aan het

uiteinde van de strook te trekken. Belangrijk is dat zo veel mogelijk horizontaal getrokken wordt, om

een zo precies mogelijke meting te krijgen.

Fig. 17: Illustratie van de proefopstelling met de spijker .

28

Resultaten

Voor de mate waarin een materiaal krassen in één van de polymeren maakten is een schaal

gemaakt:

Legenda

X Geen kras

ZL Zeer Licht

ML Minder Licht

L Licht

R Redelijk

G Goed

D Diep

NVB Niet voelbaar LVB Licht voelbaar

GVB Goed voelbaar

Geen gegevens/ niet gemeten

Spijker Munt Schuurpapier

Aantal gewichtjes

Massa (gram)

PMMA PC Glas PMMA PC Glas PMMA PC Glas

1 80 X ZL, NVB

X X ZL, NVB

X L, NVB ML, GVB

X

2 160 X ML, LVB

X X L, LVB

X R, GVB R, GVB

ZL, LVB

3 240 X L, LVB

X ZL, LVB

L, GVB

X R, GVB G, GVB

ZL, LVB

4 320 X L, GVB

X L, LVB R, GVB

X G, GVB G, GVB

ML, LVB

5 400 X L, GVB

X L, GVB R, GVB

X ML, LVB

6 480 X R, GVB

X R, GVB G, GVB

X L, LVB

7 560 ZL, NVB

R, GVB

X X R, GVB

8 640 ZL, NVB

R, GVB

X X R, GVB

9 720 L, GVB G, GVB

X X G, GVB

10 800 G, GVB

X X

31 2480 D, GVB D, GVB

X X

Tabel 1: Resultaten van de krastest.

29

Conclusie

Over het algemeen zijn beide polymeren een stuk minder goed bestand tegen krassen dan glas. Bij

de spijker en de munt ontstonden helemaal geen krassen, zelfs bij een gewicht van 2,5 kg.

Geconcludeerd kan worden dat de hardheid van ijzer (spijker) en koper (munt) lager is dan die van

glas, omdat het geen kras maakt.

Ook is polycarbonaat minder bestand tegen krassen dan perspex. Opvallend is dat beide polymeren

een stuk minder krasbestendig zijn bij het gebruik van een koperen munt en schuurpapier, dan bij

een metalen spijker. Dit is echter niet het geval bij het glas, daar is het schuurpapier het meest

effectief, onder andere vanwege het boven beschreven effect.

Het antwoord op de onderzoeksvraag van deze experiment is: Perspex heeft over het algemeen een

betere krasbestendigheid dan polycarbonaat en beide polymeren hebben een lagere

krasbestendigheid dan glas. De hypothese bij dit experiment was dus juist.

30

EXPERIMENT 2: LICHTDOORLAATBAARHEID VAN BEKRASTE POLYMEREN. Theorie

Voor een scherm van een telefoon of een ander elektronisch apparaat is het belangrijk dat genoeg

van het licht dat door het display wordt uitgezonden, ook daadwerkelijk de gebruiker bereikt en dus

door het polymeer gaat zonder te veel refractie.

Onderzoeksvraag

Welk polymeer laat na bekrassing met een schuurspons het meeste licht door?

Hypothese

Waarschijnlijk laat polymethylacrylaat het meeste licht door na krassen, omdat eerder is aangetoond

dat dit polymeer krasbestendiger is (zie 5.1).

Benodigdheden

- Luxmeter

- Lichtbron

- Plaat polymethylacrylaat (PMMA, Perspex) van 3 mm dik, besteld van kunststofkopen.nl

- Plaat polycarbonaat (PC) van 3 mm dik, besteld van kunststofkopen.nl

- Schuurspons

Uitvoering

Zet de plaat plastic verticaal in een beugel. Plaats de luxmeter op 10 centimeter afstand en de

lichtbron direct achter de plaat. Maak een verdeling van het aantal krassen die op het polymeer

gemaakt worden. Zet de resultaten in een overzichtelijke tabel.

Fig. 18: Illustratie van de proefopstelling met een van de materialen.

31

Resultaten:

Polymethylacrylaat Polycarbonaat Aantal krassen

1 2 Gemiddelde 1 2 Gemiddelde

0 2000 2000 2000 1950 1950 1950

1 1950 2000 1975 1950 1950 1950 2 1950 1950 1950 1900 1900 1900

5 1950 1950 1950 1900 1900 1900

10 1900 1900 1900 1850 1850 1850

20 1900 1900 1900 1800 1800 1800

50 1850 1850 1850 1750 1800 1775

100 1750 1850 1800 1700 1750 1725 Tabel 2: Meetresultaten van de lichtdoorlaatbaarheidstest. Nb: alle meetwaarden zijn in lux (lx)

Fig. 19: Het aantal krassen uitgezet tegen de lichtdoorlaatbaarheid van de polymeren .

Conclusie

Zoals in de tabel te zien is neemt bij beide polymeren de lichtdoorlaatbaarheid af naarmate het

aantal krassen toeneemt. Dit was ook met het blote oog te zien. Over het algemeen laat het

polymethylacrylaat meer licht door, maar de verschillen tussen de twee polymeren zijn zodanig klein

dat er eigenlijk weinig conclusies uit getrokken kunnen worden.

Het antwoord op de onderzoeksvraag van dit experiment is: Polymethylacrylaat laat na krassen het

meeste licht door en beide polymeren laten na krassen minder licht door dan voor krassen.

32

EXPERIMENT 3: HERSTELSNELHEID VAN VERSCHILLENDE ZELFHERSTELLENDE POLYMEREN Theorie

Er zijn heel veel verschillende zelfherstellende polymeren, die op verschillende manieren

zelfherstellende eigenschappen kunnen krijgen. Dankzij de TU Delft kon een aantal van deze

zelfherstellende polymeren worden getest. Twee van de geteste materialen, 41a en 41b, behoren

tot de polyurethaanfamillie en 51a en 25d zijn zelfherstellende natuurlijke rubbers. Allen gebruiken

de fysische eigenschappen van het polymeer om zelfherstellend te worden. De strengen aan de

binnenkant worden door de wrijvingswarmte die bij het maken van een kras of snede vrijkomt deels

plastisch, waardoor ze gaan vloeien. Dit zorgt ervoor dat de kras of snede dicht gaat. Het voordeel

van het gebruiken van deze manier van zelfherstellendheid is dat het oneindig kan gebeuren en dat

er geen extra middelen nodig zijn.

Benodigdheden

- Polymeren van de polyurethaan-famillie en natuurlijk rubber

▪ Dikke laag: 41a, 51a

▪ Dunne laag: 41b, 25d

- Metalen spijker (ongeveer 5 cm lang)

- Blokje hout (ongeveer 5 cm dik)

- Constant gewicht (ongeveer 500 gram)

- Stopwatch of timer

- Warmtebron

Uitvoering

Sla eerst de spijker in het blokje hout, zo, dat alleen de punt van de spijker nog uitsteekt. Leg hierna

het blokje hout met spijker op het te testen polymeer en voeg het gewicht toe. Duw of trek het

blokje met de spijker over het polymeer zodat een duidelijk zichtbare kras ontstaat. Zet de timer aan

en noteer na hoeveel tijd de kras niet meer zichtbaar is.

Fig. 20: Illustratie van de proefopstelling met de spijker .

33

Resultaten

Bij dit experiment is goed geduld belangrijk. Sommige polymeren doen er heel lang over om zonder

externe invloeden te herstellen. Als maximumtijd is 15 minuten genomen. Elk polymeer werd 3 keer

getest.

41a 1 2 3 Gemiddeld 19 graden 480 420 510 480

40 graden - - - -

41b 1 2 3 Gemiddeld 19 graden 840 870 900 870

40 graden - - - -

51a 1 2 3 Gemiddeld

19 graden 480 480 450 470 40 graden 690 720 750 720

25d 1 2 3 Gemiddeld

19 graden - 840 900 900

40 graden - - - - Tabel 3: Resultaten van de herstelproef. Nb: Alle meetwaarden zijn in seconden (s).

Conclusie:

Gemiddeld kan geconcludeerd worden dat bij hogere temperaturen de herstelsnelheid van de

polymeren vermindert. Ook gaat het herstel beter bij polymeren met een dikkere laag.

Waarschijnlijk is dit omdat er meer polymeer aanwezig is om de beschadiging op te vullen.

34

6 CONCLUSIE

De onderzoeksvraag die in dit werkstuk besproken werd is: “Hoe kunnen zelfherstellende polymeren

worden toegepast op het beschermen van beeldschermen van elektronische apparaten?”

Zelfherstellende polymeren kunnen voor een grote diversiteit aan toepassingen gebruikt worden.

Voor het gebruik in beeldschermen kunnen het beste thermoplasten gebruikt worden omdat deze

onder druk redelijk vervormbaar zijn, zodat de elektronica in het apparaat juist kan bepalen waar je

op het scherm duwt.

Volgens de uitgevoerde experimenten (zie hoofdstuk 5) is PMMA (Polymethylacrylaat, perspex) de

beste keuze als het gaat om niet-zelfherstellende polymeren. Dit komt omdat PMMA een hogere

krasbestendigheid heeft dan PC (polycarbonaat), het andere geteste materiaal (5.1). Tevens laat

PMMA na bekrassen met een schuurspons meer licht door dan PC, wat natuurlijk voordelig is als het

gebruikt wordt in beeldschermen van elektronische apparaten (5.2). Wel zijn deze polymeren lastig

‘zelfherstellend te maken’, vooral omdat dit in het algemeen heel moeilijk is. Om deze reden is het

op dit moment makkelijker en goedkoper om glas te gebruiken voor het beeldscherm in plaats van

een polymeer. Glas heeft een hogere hardheid dan beide polymeren en is daardoor ook beter

krasbestendig (5.1).

Voor toepassing op beeldschermen zijn intrinsiek herstellende polymeren het meest geschikt. De

hoofdreden hiervoor is dat bestaande extrinsieke herstelmethoden niet transparant zijn waardoor

ze voor bescherming van beeldschermen ongeschikt zijn. Daarnaast kunnen veel intrinsiek

zelfherstellende polymeren zich in tegenstelling tot extrinsieke zelfherstellende polymeren vaak

oneindig vaak herstellen (2.3). Ook een (zelfherstellende) coating heeft mogelijk voordelen, zoals

verlaagde productiekosten omdat er minder kostbaar materiaal nodig en het materiaal van de

coating hoeft aan sommige eisen niet te voldoen.

35

7 DISCUSSIE

Niet alles in dit profielwerkstuk is gegaan zoals oorspronkelijk gepland. Dit ligt vooral aan de

tijdsplanning die, zoals vaker gebeurt, niet helemaal gevolgd wordt. Alles was echter op tijd af en het

profielwerkstuk kon op tijd worden ingeleverd. Ook de leveringstijd van de te testen materialen voor

het krasexperiment beschreven in 5.1 kwam niet overeen met onze planning: zo’n drie weken later

dan de datum waarop de uitvoering van het experiment gepland stond.

Er kwamen soms onverwachte en interessante resultaten uit de experimenten. Zo was het resultaat

van experiment 1, waar de krasbestendigheid van verschillende polymeren ten opzichte van glas

getest werd, ongeveer wat verwacht werd, echter kwamen bij het testen van het glas redelijk

opmerkelijke resultaten uit. Bij experiment 2, het testen van de lichtdoorlaatbaarheid van

verschillende polymeren na krassen, werden niet heel significante resultaten gevonden. De

resultaten konden echter wel met het blote oog redelijk gezien worden. Het resultaat van

experiment 3 was ook opmerkelijk, aangezien de materialen sneller zouden moeten herstellen bij

blootstelling aan warmte, maar dit niet deden. Een aantal materialen herstelden zich juist

langzamer.

Bij experiment 1 en 2 waren over de geteste materialen enige onzekerheden. Zo waren bepaalde

specificaties van de polymeren, zoals de polymerisatiegraad en de aanwezigheid van weekmakers,

niet beschikbaar gesteld door de leverancier. We hebben bij het uitvoeren van de proef

aangenomen dat de fabrikant de materialen zo heeft geproduceerd dat ze de gunstigste

eigenschappen bezit.

Ook bij experiment 3 was een aantal zaken niet duidelijk. Hoewel twee zelfherstellende materialen

door de TU Delft beschikbaar waren gesteld om te testen kon een aantal eigenschappen ervan, zoals

de exacte naam, ofwel door de onderzoekers ofwel door ons niet bekend worden gemaakt.

Enkele vervolgonderzoeken zouden bijvoorbeeld het testen van zelfherstellende polymeren op

lichtdoorlaatbaarheid, zelfherstellende polymeren daadwerkelijk als bescherming van een

beeldscherm gebruiken en kijken wat het effect is op gebruiksvriendelijkheid of het testen van de

maximale diepte van een kras bij een zelfherstellend polymeer kunnen zijn.

36

8 NAWOORD

Wij hopen dat u genoten heeft van het lezen van dit profielwerkstuk en er misschien zelfs iets van

geleerd heeft. Wij hebben in ieder geval genoten van het maken ervan.

Aanvankelijk wilden we als experiment bij dit profielwerkstuk een zelfherstellend polymeer maken.

Helaas is dit niet gelukt, vanwege de hoge kosten en het feit dat de technologie nog in de

kinderschoenen staat. Om deze reden hebben we gekozen om niet-zelfherstellende polymeren te

testen op krasbestendigheid en lichtdoorlaatbaarheid. Ook zijn wij naar de TU Delft geweest, waar

we proefmonsters hebben ontvangen die we mochten testen.

Nogmaals willen wij dhr. S. Sheoratan en de TU Delft, in het bijzonder prof. dr. ir. S van der Zwaag,

dr. S. J. Garcia en dr. M. H. Santana, nogmaals bedanken voor de goede begeleiding, tips, gesprekken

en informatie. Het heeft ons enorm geholpen bij het schrijven van dit werkstuk.

Tevens willen we onze ouders en vrienden bedanken voor de aansporing, controle en ideeën, ook dit

heeft ons geholpen.

Jochem Ram en Jesper van der Meij

Lisse, 14 oktober 2016

37

9 VERWIJZINGEN

Acrylic Sustainable Solutions. (2016). Opgehaald van PMMA Acrylic Suistainable Solutions:

http://www.pmma-online.eu/

Brown, E., White, S., & Sottos, N. (2004). Microcapsule induced toughening in a self-healing polymer

composite. Journal of Materials Science, 1703-1710.

Cooper, T. (2016). Self-Healing of an epoxy. Opgehaald van Researchgate:

https://www.researchgate.net/figure/262825318_fig4_Figure-1-A-self-healing-polymer-

system-containing-a-dispersion-of-epoxy-solvent-loaded

DNA: Chemical Structure. (2016, September 29). Opgehaald van Wikipedia:

https://en.wikipedia.org/wiki/File:DNA_chemical_structure.svg

Garcia, S., & Santana, M. (2016, September 9). Information about self-healing polymers. (J. Ram, & J.

v. Meij, Interviewers)

Groot, W. (2015, April 23). Zelfherstellend biobeton uit Delft nog dit jaar op de markt. Opgehaald van

DuurzaamBedrijfsleven: http://www.duurzaambedrijfsleven.nl/infra/5077/zelfherstellend-

biobeton-nog-dit-jaar-op-de-markt

Inland Lapidary. (2016). Opgehaald van Mineral Hardness and Hardness Scales:

http://www.inlandlapidary.com/content/hardness.asp

Jonkers, H. (2014). TU Delft: Zelfherstellend beton met behulp van calciumcarbonaat producerende

bacteriën. Opgehaald van TU Delft:

http://www.citg.tudelft.nl/onderzoek/projecten/zelfherstellend-beton

Lajeunesse, S. (2004, September 20). Plastic Bags. Opgehaald van Chemical Engineering & News:

http://pubs.acs.org/cen/whatstuff/stuff/8238plasticbags.html

Oostenbrink, A. J. (2014). Polymerisatietechnieken. Opgehaald van Oxbo:

http://www.oxbo.nl/chemie/polymeren/polymeerchemie/H6polymeerdictaat.pdf

Polymers and plastics: an introduction. (2009, September 1). Opgehaald van Chem1:

http://www.chem1.com/acad/webtext/states/polymers.html

Rhijn, J. v., Haadsma, P., Heutmekers, T., Rus, G., Spillane, B., & Veldema, Y. (2015). Nieuwe

materialen. In J. v. Rhijn, P. Haadsma, T. Heutmekers, G. Rus, B. Spillane, & Y. Veldema,

Chemie Overal 6vwo (4e ed., pp. 111-147). Groningen, Nederland: Noordhoff Uitgevers.

Opgeroepen op Augustus 22, 2016

Rhijn, J. v., Heutemakers, T., Kempen, P. v., Rus, G., Spilanne, B., & Veldema, Y. (2014). Kunststoffen.

In J. v. Rhijn, T. Heutemakers, P. v. Kempen, G. Rus, B. Spilanne, & Y. Veldema, Chemie

Overal 5v (pp. 174-199). Groningen: Noordhoff Uitgevers.

Sinn-Hanlon, J., White, S., & Blaiszik, B. (2013, Augustus 18). Human Fallibility in Aviation. Opgehaald

van Aerospace Engineering Blog: http://aerospaceengineeringblog.com/wp-

content/uploads/2013/08/63709711_self_heal_mat_464_2.gif

Talking Glossary. (2012). Opgehaald van National Human Genome Research Institute:

https://geneed.nlm.nih.gov/topic_subtopic.php?tid=15&sid=16

38

Tom F. A. de Greef, E. W. (2008, Mei 7). Materials science: Supramolecular polymers. Retrieved from

Nature: http://www.nature.com/nature/journal/v453/n7192/full/453171a.html

Tong, W. K. (2000). The Mohs Hardness Test. Opgehaald van Oakton:

http://www.oakton.edu/user/4/billtong/eas100lab/hardness.htm

Van der Woude, L. (2015). Additie polymerisatie initiator benzoylperoxide algemene weergave

initator ROOR 2 RO. Opgehaald van Slideplayer:

http://images.slideplayer.nl/25/8504179/slides/slide_2.jpg

White, S., Sottos, N., Geubelle, P., Moore, J., Kessler, M., Sriram, S., . . . Wiswanathan, S. (2001).

Autonomic healing of polymer composites. Nature, pp. 794-797.

Wikipedia. (2016, Augustus 21). Polymethylmethacrylaat. Opgehaald van Wikipedia:

https://nl.wikipedia.org/wiki/Polymethylmethacrylaat

Wikipedia: Beton. (2016, September 24). Opgehaald van Wikipedia:

https://nl.wikipedia.org/wiki/Beton

Wikipedia: Cellulose. (2016, Oktober 3). Opgehaald van Wikipedia:

https://en.wikipedia.org/wiki/Cellulose

Wikipedia: DNA. (2016, September 29). Opgehaald van Wikipedia:

https://en.wikipedia.org/wiki/DNA

Wikipedia: Nylon. (2016, September 20). Opgehaald van Wikipedia:

https://en.wikipedia.org/wiki/Nylon

Wikipedia: Polymethylmethacrylate. (2016, September 20). Opgehaald van Wikipedia:

https://en.wikipedia.org/wiki/Poly(methyl_methacrylate)

Wikipedia: Self-healing material. (2016, Oktober 8). Opgehaald van Wikipedia:

https://en.wikipedia.org/wiki/Self-healing_material

Woodford, C. (2016, maart 15). Self-healing materials. Opgehaald van Explainthatstuff:

http://www.explainthatstuff.com/self-healing-materials.html

Yang, S. K., & Zimmerman, S. C. (2013). Hydrogen Bonding Modules for Use in Supramolecular. Israel

Journal of Chemistry, 511-520.

Zwaag, S. v., & Brinkman, E. (2015). Self Healing Materials - Pioneering research in The Netherlands.

Amsterdam : IOS Press.

39

10 APPENDIX

LOGBOEK Jochem

Wat? Omschrijving

Wanneer? Datum

Hoe lang? Minuten

Presentaties ‘onderzoek doen’ bijwonen 18-03-2016 100 Globale planning en takenlijst maken 01-04-2016 45

Gesprek met begeleider 05-04-2016 30

Oriënteren op onderwerp 10-04-2016 120

Logboek bijhouden en aanvullen 14-04-2016 30 Werken aan Plan van Aanpak 14-04-2016 150

Werken aan Plan van Aanpak 15-04-2016 30

Inleiding en indeling werkstuk maken 21-08-2016 45

Werken aan hoofdstuk ‘Wat zijn zelfherstellende materialen?’ 22-08-2016 190

‘Doorstart profielwerkstuk’ op school 23-08-2016 100

Werken aan hoofdstuk ‘Wat zijn polymeren?’ 24-08-2016 45

Werken aan hoofdstuk ‘Wat zijn polymeren?’ 25-08-2016 165 Gesprek met begeleider 30-08-2016 40

Werken aan werkstuk, experiment 02-09-2016 120

Gesprek met begeleider 06-09-2016 30 Zoeken naar winkel en testmaterialen en bestellen 07-09-2016 90

Experiment 1 16-09-2016 180

Werken aan hoofdstuk ‘Hoe komen polymeren aan zelfherstellende eigenschappen?’

18-09-2016 120

Gesprek met begeleider 20-09-2016 40

‘IOP: Self-healing Materials’ lezen en vragen bedenken 21-09-2016 120

TU Delft 23-09-2016 360 Feedback verwerken, aanpassingen maken aan bestaande tekst n.a.v. bezoek Delft, verder werken aan ‘Zelfherstellende Eigenschappen’

24-09-2016 200

Hoodstuk 2: ‘Wat zijn zelfherstellende polymeren?’ afronden 25-09-2016 180

Netjes maken werkstuk, commentaar verwerken etc. 25-09-2016 70

Klaarmaken conceptversie 25-09-2016 100

Gesprek met begeleider 27-09-2016 30 Werken aan profielwerkstuk 28-09-2016 30

Werken aan profielwerkstuk 30-09-2016 150

Experiment 2 07-10-2016 120

Feedback verwerken 07-10-2016 50

Experiment 3 09-10-2016 180

Feedback verwerken, bronnen toevoegen 10-10-2016 45

Vervolg experiment 1 (glas) 11-10-2016 40 Conclusies, discussie, lay-out, fouten verbeteren, afronden 12-10-2016 180

Afronden hoofdstuk 2 en 3 en controle 13-10-2016 180

Afronden profielwerkstuk 14-10-2016 120 Totaal - 3825

63,75 uur

40

Jesper

Wat? Omschrijving

Wanneer? Datum

Hoe lang? Minuten

Globale planning en takenlijst maken 01-04-2016 45

Gesprek met begeleider 05-04-2016 30

Indeling maken van en beginnen aan Plan van Aanpak 10-04-2016 45 Oriëntatie aanvullen 10-04-2016 45

Werken aan Plan van Aanpak 15-04-2016 30

Research en hoofdstuk ‘Zelfherstellend Beton’ 24-07-2016 120

Werken aan hoofdstuk ‘Wat zijn zelfherstellende materialen?’ 22-08-2016 120

‘Doorstart profielwerkstuk’ op school 23-08-2016 100

Werken aan profielwerkstuk 26-08-2016 210 Gesprek met begeleider 30-08-2016 40

Werken aan profielwerkstuk 30-08-2016 60

Werken aan profielwerkstuk en conceptversie 02-09-2016 120

Experiment 1 16-09-2016 180 Gesprek met begeleider 20-09-2016 40

Feedback verwerken 22-09-2016 60

‘IOP: Self-healing Materials’ lezen en een aantal vragen maken 22-09-2016 120 TU Delft 23-09-2016 360

Logboek bijwerken 24-09-2016 30

Experimenten uitwerken 24-09-2016 120

Experimenten verder uitwerken en netjes maken werkstuk 25-09-2016 90 Werken aan hoofdstuk ‘Productie van polymeren’ 25-09-2016 80

Werken aan hoofdstuk ‘Productie van polymeren’ 27-09-2016 90

Werken aan profielwerkstuk 30-09-2016 90 Werken aan profielwerkstuk 01-10-2016 210

Bronvermelding 02-10-2016 150

Experiment 2 en resultaten verwerken 07-10-2016 120

Experiment 3 09-10-2016 180 Resultaten experiment 3 invoeren en verwerken 09-10-2016 170

Bronnen controleren en wijzigingen invoeren 10-10-2016 60

Experimenten uitwerken 10-10-2016 90 Werken aan profielwerkstuk 11-10-2016 30

Vervolg experiment 1 (glas) 11-10-2016 40

Invoeren en verwerken resultaten experiment 1 11-10-2016 60

Werken aan profielwerkstuk 12-10-2016 100 Voorwoord, conclusies, discussie, fouten verbeteren, afronden 12-10-2016 180

Voorwoord, conclusies, discussie, fouten verbeteren, afronden 13-10-2016 60

Afronden profielwerkstuk 14-10-2016 60

Totaal - 3885

64,75 uur

41

OORSPRONKELIJK PLAN VAN AANPAK Jochem Ram en Jesper v/d Meij

Fioretticollege 08 – 04 - 2016

Toepassing van zelfherstellende

polymeren op beeldschermen Plan van Aanpak, eerste versie

42

Inleiding Zelfherstellende materialen zijn, zoals de naam al doet vermoeden, materialen die zichzelf kunnen

herstellen bij schade. Er zijn een groot aantal verschillende zelfherstellende materialen, waaronder

beton, geheugenmetaal en zogenaamde slimme polymeren. Op deze drie onderwerpen zal in dit

profielwerkstuk dieper op in gegaan worden, om de werking, toepassing en toekomst van deze

materialen toe te lichten. Zo zijn er experimenten met zelfhelend wegdek, wordt geheugenmetaal

soms gebruikt in kleding en kunnen slimme polymeren ervoor zorgen dat een kras in de lak van een

auto vanzelf verdwijnt.

Dit werkstuk zal de focus leggen op zelfherstellende polymeren toegepast als beeldscherm-

bescherming. Denk dan aan het materiaal waarvan de beschermende laag is gemaakt, maar ook op

zogeheten 'screenprotectors' die over deze beschermende laag komen.

Dit onderwerp is gekozen omdat het concept van materialen die zonder verdere interventie zichzelf

kunnen herstellen ons een interessant concept lijkt. Dit is op zichzelf nog te breed: om de

onderzoeksvraag minder algemeen te maken moest er een toepassing verzonnen worden. Iets waar

velen last van hebben zijn kapotte telefoonschermen, of beter gezegd kapotte beschermlagen van

telefoonschermen. Ook de beeldschermen van schoolcomputers hebben het vaak zwaar te

verduren.

Onderzoeksvraag

Hoe kunnen zelfherstellende polymeren worden toegepast op het beschermen van beeldschermen

van elektronische apparaten?

De deelvragen de nodig zijn om deze hoofdvraag te beantwoorden zijn:

1. Wat zijn zelfherstellende materialen?

2. Wat zijn polymeren?

3. Welk soort plastic is het meest geschikt voor bescherming van beeldschermen?

4. Hoe komen polymeren aan zelfherstellende eigenschappen?

5. Welk soort zelfherstellend polymeer is het meest geschikt voor de bescherming van

beeldschermen?

6. Hoe worden zelfherstellende polymeren gemaakt?

43

Opzet onderzoek Het onderzoek voor dit profielwerkstuk zal voornamelijk bestaan uit bronnenonderzoek, namelijk

onderzoeken welk soort polymeren bestaan, waaruit verschillende polymeren zijn opgebouwd, hoe

polymeerketens breken en herstellen, waarmee een kapot materiaal kan worden hersteld en hoe

een herstellende stof de juiste plaats bereikt.

Ook is het de bedoeling bij deelvraag 6 zélf een zelfherstellend polymeer te ontwikkelen dat past bij

de onderzoeksvraag, dus een polymeer dat geschikt is voor gebruik als beschermlaag voor

beeldschermen. Voordat er een experiment opgezet kan worden zal echter nog veel

bronnenonderzoek nodig zijn over technieken om zelfherstellende polymeren te maken. Na het

beantwoorden van deelvraag 1 tot en met 5 is alle benodigde informatie als het goed is verzameld

en kan begonnen worden met het ontwerpen van een proef om zelf een zelfherstellend polymeer te

maken.

Als dat gelukt is kan indien mogelijk een experiment gedaan worden waarmee bepaalde

eigenschappen van het ontwikkelde materiaal wordt getest. Bijvoorbeeld hardheid, rekbaarheid,

herstelsnelheid en de grootte tot waar schade kan worden hersteld. Aan de hand van deze

resultaten kan bepaald worden of het materiaal geschikt zou zijn als beeldschermbeschermer.

44

Globale planning

Week Wat? Opmerking Klaar?

9 Onderwerp formuleren 'Toepassing van zelfherstellende

polymeren op beeldschermen'

ja

Hoofd- en deelvragen formuleren 'Hoe kunnen zelfherstellende polymeren

worden gebruikt om beeldschermen te

beschermen?'

ja

14/15 PVA maken ja

15 PVA inleveren Deadline: 15 april; inleveren in SOM en

via de mail.

Nu wel

18 Beginnen aan het beantwoorden van

de eerste vijf deelvragen

Nodig voor de kennis om het onderzoek

te ontwerpen

Nee

24 Onderzoek ontwerpen Nee

25 Onderzoek uitvoeren

25/26 Onderzoeksresultaten verwerken Nee

27 Verslag schrijven Nee

41 Verslag inleveren Deadline: 10 oktober 2016 Nee

42 Presentatie maken Nee

47/48 Presentatie voorbereiden Nee

48 Presentatie houden Nee

49 Evaluatie maken? Nee

Verwijzingen

Kraaijvanger, T. (2010). Polymeer kan vier vormen onthouden. Geraadpleegd op 10-04-2016 van

http://www.scientias.nl/polymeer-kan-vier-vormen-onthouden/

Wikipedia (z.d.). Micro-encapsulation. Geraadpleegd op 13-04-2016 van

https://en.wikipedia.org/wiki/Micro-encapsulation

Woodford, C. (2016). Self-healing materials. Geraadpleegd op 10-04-2016 van

http://www.explainthatstuff.com/self-healing-materials.html

Yokoyama, Y, K. Fuschigami, Y. Taguschi en M. Tanaka (2013). Preparation of Microcapsules with

Liquid Droplet Coalescence Method Followed by Phase Separation. Geraadpleegd op 14-04-2016 van

http://file.scirp.org/pdf/JEAS_2013092411102915.pdf