6. Technologie 27
8.10 In kaart brengen van eisen
Nu het globale aanbod bekend is, is het belangrijk de exacte specificaties van het product in kaart te brengen. Dit is een essentieel onderdeel wanneer men in een bestaand product het materiaal een op een wil veranderen. Vaak moeten de producteigenschappen/eisen terug vertaald worden naar onderdeeleigenschappen en deze moeten uiteindelijk weer vertaald worden naar materiaal eigenschappen. In menig bedrijf zijn de uiteindelijke specificaties van een product goed bekend, maar kritische materiaal eigenschappen/waarden niet. De vertaalslag van productspecificatie naar materiaal specificatie is een lastige en tijdrovende klus. In dit project is het eisenpakket in vier categorieën onderverdeeld. Het pakket is vervolgens weer onderverdeeld in harde eisen en wensen.
fig. 8.7 Wereldwijde leveran cierslijst opstellen
48 biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen
8.10.1 Duurzaamheids eisen.
De belangrijkste reden van dit project was wellicht het duurzaamheids(milieu) aspect. De eisen zijn direct afkomstig van het actieprogramma ecovision, de Europese lijst van ver-boden bestandsdelen RoHS (restricition of hazardous subs-tances)(13) en (REACH)(14).
Veel wensen zijn gebaseerd op common sense en kunnen worden gevonden door bijvoorbeeld brainstormsessies met het sustainability team.
8.10.2 Materiaal eisen.
Op het gebied van materiaal eisen is het een ander verhaal.
Wanneer men het huidige materiaal wil vervangen door een ander materiaal zullen veel eigenschappen hetzelfde moe-ten blijven. Het is dus zaak om te voorspellen welke waarden kritisch zijn en welke niet. Zo zullen bepaalde mechanische eigenschappen wellicht mogen afwijken, maar veiligheids-eisen en testuitkomsten niet.
fig. 8.8 Duurzaamheidseiden
fig. 8.9 Opzetten van eisen en wensen op materiaalgebied.
biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen 49
8.10.3 Inkoop eisen.
Ook wat betreft inkoop zijn er een aantal eisen te stellen. Zo zijn er bepaalde minimum wachtijden, minimum afname’s (belangrijk wanneer men eerst tests wilt uitvoeren), de prijs etc.
8.10.4 Design eisen
De minst belangrijkste eisen en wensen op dit moment van het project kunnen komen van de design afdeling. Soms kan de design afdeling een belangrijke beslissende rol spelen in materiaalkeuze.
8.10.5 Benaderen leveranciers
Nu de eisen beter in beeld zijn kunnen de leveranciers be-naderd worden om achter ontbrekende informatie van het progamma van eisen te komen. Dit kan met een vragenlijst, ook wel RfI genoemd (Request for Information). Deze RFI kan worden rondgestuurd met een zogenaamd sourcing-progam-ma, in de vorm van een enquête. Wanneer bedrijven hieraan deelnemen wordt alle informatie automatisch netjes geor-dend. Daarna kan er nog een selectie en ranking gemaakt worden van bedrijven die beter aan de specificaties voldoen.
Deze leveranciers kunnen vervolgens benaderd worden om een sample te bestellen van de best passende grade granu-laat. Vervolgens kunnen van alle verschillende grades trek-staafjes en impact trek-staafjes spuitgegoten worden, waarmee tal van tests uitgevoerd kunnen worden. Hierbij moet uiteraard goed rekening gehouden worden met de exacte spuitgiet condities, te denken aan drogingstijden, mold temperaturen, drukken en zônetemperaturen.
fig. 8.10 Opzetten van eisen en wensen op inkoop gebied.
fig. 8.11 Opzetten van eisen en wensen op design gebied.
50 biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen
8.10.6 Materiaal testen
Om erachter te komen of de betreffende eigenschappen van het nieuwe materiaal voldoen aan de eisen kunnen de eigenschappen onderverdeeld worden in 3 verschillende categorieën.
Mechanische tests
Veel eigenschappen kunnen worden afgelezen aan de hand van testresultaten van de trekbank. De stijfheid, te rekgrens en kracht bij breuk kunnen al een goede eerste indicatie geven van een materiaal. Ook tests als charpy impact sterkte (zie pagina 54) geven indicaties van de impact sterkte,
waarmee een voorspelling kan worden gedaan of het product bijvoorbeeld de valproeven weerstaat.
Veiligheids tests
Als producent van (hoogspannings) elektrische apparatuur, is Philips gebonden aan een aantal veiligheids richtlijnen. Zo moet alle apparatuur voldoen aan de eisen van KEMA, auto-riteit op het gebied van certificering voor elektrische appara-tuur. De ball-pressure (zie: pagina 52) en en glow-wire (zie:
pagina 53) testen zijn de belangrijkste.
Degradatiegerelateerde tests
Een belangrijk aspect van alle kunststoffen is de weerstand te-gen degradatie. Elke kunststof degradeert, zij het in verschil-lend tempo. Naast de voor Philips bekende tests, die meestal gericht zijn op aardoliegebaseerde kunststoffen, moet er ook gekeken worden naar tests die zich richten op biodegradeer-bare aspecten van biogebaseerde kunststoffen. In de keuken bijvoorbeeld, waar de apparaten van Philips soms staan, zou schimmel op kunnen treden. Dit zijn dingen die getest moe-ten worden.
biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen 51
8.10.7 Test specificaties
Om een pragmatische beslissing te kunnen maken of een materiaal voldoet aan de eisen, is voor dit project een testspe-cificatie schema opgezet. De tijdsduur en dus kosten verschil-len aanzienlijk per test. Het is dus raadzaam te beginnen met de tests die de minste tijd in beslag nemen. Als het materiaal de eerste test niet haalt, hoeft men niet met de tweede verder te gaan.
Door een inschatting te maken van de duur en kosten kan
zo’n schema er uitzien als hieronder. fig. 8.12 Test volgorde
52 biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen
Veiligheidstest: ball-pressure
De ball-pressure test (15) is ontworpen om de kwaliteit en veiligheids karakteristieken te verifiëren van een kunststof constructie. De test geeft een indicatie van de dimentionele stabiliteit onder een kracht bij verhoogde temperatuur. Deze verhoogde temperatuur wordt berekend door bij de hoogst gemeten temperatuur in het apparaat een veiligheidsmarge op te tellen.
Uitvoering:
het ball-pressure apparaat wordt gedurende 24 uur in een oven geplaatst bij de vastgestelde temperatuur;
een stukje van het te testen materiaal, met een minimale dikte van 3 mm wordt onder het ball pressure apparaat geplaatst gedurende 1 uur;
na een uur wordt het stukje afgekoeld in water.
Validatie: de diameter van de afdruk van het ronde gat mag niet groter dan 2 mm zijn.
fig. 8.13 Ball pressure apparaat en een proefstukje met een gat met een diameter groter dan 2.0 mm.
biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen 53
Veiligheidstest: glow wire test
De glow-wire test (16) wordt gebruikt om de invloed van hitte te simuleren als gevolg van bijvoorbeeld kortsluiting.
Uitvoering:
een gloeiende naald wordt op temperatuur gebracht (550 °C - 850 °C, afhankelijk van het product);
een proefstukje van het materiaal wordt gedurende 30 seconden tegen de punt van de gloeiende naald gedrukt met een kracht van 1 Newton;
nadat het stukje wordt teruggeschoven, wordt de tijd gemeten hoelang het duurt voordat de (al dan niet ontstane) vlammen zijn gedoofd. Ook wordt erop gelet of eventueel brandende druppels geen brand kunnen veroorzaken.
Validatie: vlammen en omringend materiaal doven binnen 30 seconden na het wegtrekken van de hittebron.
Mechanische tests: stijfheid
(Heel) grofweg kan gesteld worden dat stijfheid een van de meest belangrijke eigenschappen is om de dimentionele stabiliteit te bepalen van een materiaal. Een eerste grove schatting kan dan ook gemaakt worden aan de hand van de stijfheids sterkte. Afhankelijk van het type product en con-structie zal deze waarde bij bedrijfstemperatuur niet te ver onder een bepaald minimum moeten komen. Voor veel ap-paraten zal een waarde van 500 MPa vaak te weinig stijfheid bieden. 4000 MPa zal echter vaak erg stijf zijn waardoor het de valproef misschien niet zou weerstaan.
Validatie: stijfheid mag niet te veel afwijken van het te vervan-gen materiaal.
fig. 8.14 glow-wire test
54 biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen
Mechanische tests: impact strength
De Charpy impact test, ook bekend als Charpy v-notch test, is een gestandaardiseerde test die de hoeveelheid geabsorbeer-de energie kan vaststellen voor breuk. Vaak geeft dit een goed idee van de resistentie tegen breuk bij vallen (valproef). Bij de notched charpy test, wordt een kleine v-vorm in het staafje gefreesd voordat deze aan de test wordt bloot gesteld. Dit is handig wanneer er erg taaie materialen gebruikt worden die anders niet zouden breken. Een breuk is nodig voor een goed testresultaat. Ook hiervoor geldt dat de waarde niet te veel mag afwijken van de waarde van het te vervangen materiaal.
Validatie: waarde mag niet te ver afwijken van de waarde van het te vervangen materiaal.
Degradatietests
Ieder apparaat wordt blootgesteld aan invloeden. Welke invloeden dit zijn is afhankelijk van het type applicatie. Zo zal een friteuse continue worden blootgesteld aan vet en schoonmaakmiddel. Een waterkoker aan heet water en wel-licht een vies aanrecht. Een koffiezet apparaat aan koffiedik en ontkalkmiddel. Ook kan er een verschil worden gemaakt op onderdeel niveau. Zo zal de grondplaat van een applicatie vaker in de nattigheid en viezigheid staan dan bijvoorbeeld het deksel, dat weer meer aan UV wordt blootgesteld. Het is dus goed om een inschatting te maken van de invloeden die zich op het te vervangen onderdeel zullen uitoefenen. Ook de hoeveelheid van de invloed en tijdsduur is belangrijk. Zodra deze in beeld is kan er een geschikte testopstelling bedacht worden. Zou men bijvoorbeeld willen bepalen wat de invloed is van wekelijks schoonmaken van een biogebaseerd onder-deel met een spons met zeep gedurende 7 jaar, dan zou dit een mogelijke opstelling kunnen zijn:
fig. 8.15 Notched en un-notched impact bar (rechts).
Charpy Impact hamer(boven)
biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen 55
Uitvoering: een roterende spons wordt elke cyclus nat ge-maakt met schoonmaakmiddel en vervolgens langs een proefstaafje geaaid. Na 52 * 7 keren (mogelijk met tussenpau-zen) is 7 jaar lang wekelijks schoonmaken gesimuleerd.
Validatie:
Naast de visuele check op blaasjes, scheurtjes, vervorming of kleurverandering kan men nogmaals een mechanische test uitvoeren om eventueel verval in mechanische eigenschap-pen te bepalen.
Naast het schoonmaken moeten alle overige aspecten die van invloed kunnen zijn ook gesimuleerd worden voordat het materiaal veilig kan worden vrijgegeven. Mogelijke invloeden die getest moeten worden:
verhoogde vochtigheid;
in water;
verhoogde temperatuur;
verlaagde temperatuur (vriezertest);
wisselende temperatuur en vochtigheid (klimaatkast);
vaatwasser;
schimmel (simuleer schimmel in de keuken omgeving door in de composthoop te leggen).
fig. 8.16 Mogelijke test opstelling om de invloed van schoonmaken te simuleren
56 biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen
Thermische analyse.
Lange termijn voorspellingen zijn meestal erg lastig en duur om uit te voeren. Zo ook de voorspelling met betrekking tot een biogebaseerd polymeer. TMA (Thermo Mechanische Ana-lyse) en DMC (Differentiële Scanning Calorimetrie) zijn enkele technieken om het gedrag van polymeren te onderzoeken onder invloed van temperatuur. Hoe beter de eigenschap-pen van polymeerstructuur in beeld zijn, hoe beter er een voorspelling kan worden gedaan over de degradatie op lange termijn. Degradatie is namelijk afhankelijk van tal van eigen-schappen van de polymeerstructuur zoals de polymerisatie-graad, de oxidatiestabiliteit, de glasovergangtemperatuur of kristallisatiegraad. Er zijn tal van bedrijven die hier onderzoek naar doen en aan de hand van deze eigenschappen een voorspelling kunnen doen van de degradatiesnelheid van een polymeer.
Verwerkbaarheid: mold flow index
Bij het spuitgieten van een materiaal zijn er tal van factoren die bepalend zijn. De mold flow index (MFI) geeft een indica-tie van de doorstroomsnelheid van het polymeer. Wanneer deze erg laag is voor een polymeer, kan het zijn dat dit op een matrijs die ontworpen is voor een materiaal met hoge viscosi-teit geen complete vulling van de matrijs oplevert.
Verwerkbaarheid: mold shrinkage
De krimp is voor ieder materiaal verschillend. Een matrijs is altijd ontworpen voor een bepaalde krimp. Wanneer een ma-teriaal te weinig of te veel krimpt, kan het zijn dat het materi-aal in de matrijs blijft zitten.
Wanneer de verwerkbaarheids karakteristieken niet hetzelfde zijn betekent dat niet dat het materiaal niet gebruikt kan worden. Dit betekent slechts dat het materiaal niet geschikt is voor het product waarvoor de spuitgiet waarden gelden.
Wanneer er een nieuwe matrijs voor een nieuw product gemaakt gaat worden en er wordt rekening gehouden met de parameters van het materiaal, is dit vaak wel mogelijk.
Als laatste moet het gehele product nog getest worden, net als ieder ander product, aan de hand van de GTS (General Test Specifications).
biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen 57
8.10.8 Testresultaten
Een verwerking van alle testresultaten zou er als volgt uit kunnen zien. De waarden kunnen vervolgens gemakkelijk met het betreffende bedrijf gecommuniceerd worden, zodat bepaalde aspecten verbeterd kunnen worden.
De trekbank gegevens kunnen in grafieken worden verwerkt.
De rode lijnen geven PP en ABS als referentie aan.
fig. 8.17 Verwerking test-gegevens (n=5)
fig. 8.18 Stijfheid van verschil lende bioplastics (n=5)
fig. 8.19 Maximale kracht (bij breuk) (n=5)
58 biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen
Zetmeel gebaseerde materialen
Mechanische eigenschappen kunnen erg verschillend zijn.
De geteste materialen zijn vaak meer aan de flexibele kant (E-modulus is ongeveer 900 MPa). De notched impact sterkte lag in dit geval rond de 2,5 kg/m².
De temperatuurbestendigheid van zetmeel gebaseerde pro-ducten is erg slecht. Dit maakt dat de ball/pressure test in veel gevallen niet wordt behaald.
Zetmeel gebaseerde producten zijn erg vatbaar voor degra-datie omdat het gemakkelijk vocht opneemt. Na 1 maand in de buitenlucht is al een duidelijk verval te zien.
PLA gebaseerde materialen
Puur PLA is over het algemeen erg stijf, de waarden lig-gen tussen de 2600 en 8000 MPa. Hierdoor een lage impact sterkte.
De temperatuurbestendigheid van PLA ligt rond de 60 °C, iets wat er voor zorgt dat de ball/pressure test in bijna alle geval-len niet wordt behaald.
PLA is vrij gemakkelijk degradeerbaar. Hoewel er vaak niet direct een verandering te zien is (afhankelijk van de test).
Na bijvoorbeeld 3 maanden in de buitenlucht te hebben gele-gen zijn er kleine barstjes te zien.
fig. 8.20 Notched Charpy impact sterkte (n=5)
fig. 8.21 Gedegradeerde zetmeel gebaseerde trekstaaf (1 maand buitenlucht)
biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen 59
Met hoog kristallijn PLA zijn de eigenschappen op alle fronten aanzienlijk te verbeteren. Stereocomplex PLA heeft een ex-treem verhoogde temperatuurbestendigheid. Ook de mecha-nische en degradatieresistentie zal hier waarschijnlijk een stuk beter van zijn dan traditioneel PLA.
PHB gebaseerde materialen
De mechanische karakteristieken hebben veel weg van PP met een stijfheid van 1600 MPa en een impact sterkte van rond de 4kg/m2.
Ook de temperatuur bestendigheid is uitstekend en in veel gevallen worden de ball/pressure test en glow/wire test behaald.
Ook de resistentie tegen degradatie is prima hoewel er na 3 maanden in de buitenlucht toch een kleine kleurverandering te zien is.
Cellulose Acetaat gebaseerde materialen
Zowel de stijfheid en impact sterkte zijn van CA uitstekend.
Dit is ook de reden waarom veel bril monturen van CA ge-maakt worden. De temperatuur bestendigheid is redelijk te noemen maar ligt ver onder de waarde van bijvoorbeeld PP.
Bij temperaturen boven 75 °C vindt toch deformatie plaats.
De degradatie resistentie is redelijk wanneer het niet over-matig aan (warm) vocht wordt blootgesteld. 3 maanden in de buitenlucht wordt prima weerstaan, afgezien van de lichte kleurverandering.
fig. 8.22 Gedegradeerde PLA-gebaseerde trekstaaf (3 maanden buitelucht)
fig. 8.23 Gedegradeerde PHB trek-staaf (3 maanden buitenlucht)
fig. 8.24 Cellulose gebaseerde trek-staaf (3 maanden buitenlucht)
60 biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen
Gevulde compounds
Er zijn vele compounds denkbaar. Afhankelijk van de drager en de vuller zijn er op alle fronten verschillende eigenschap-pen mogelijk. Zo kan men bijvoorbeeld met houtvezels wer-ken om een hoger biomassa percentage te verkrijgen. Veel vullers zorgen er echter voor dat het materiaal stijver wordt.
Hierdoor wordt ook de impact sterkte een stuk lager.
Wanneer een traditionele drager wordt gebruikt kan er een goede warmte bestendigheid bereikt worden. Ook zal een traditionele drager de degradatiesnelheid doen afnemen of zelfs kunnen doen stoppen. Zo is er bij een met hout gevulde PP trekstaaf geen verschil te zien na 3 maanden in de buiten-lucht te hebben gelegen.
Bio PA, Bio PE
Voor bio PA en bio PE geldt dat deze uitstekende eigenschap-pen hebben op veel fronten. De eigenschapeigenschap-pen van Bio PE zijn hetzelfde als traditioneel PE. Dit geldt ook voor de degra-datie. Moleculair gezien zit er dan ook weinig verschil tussen deze twee, omdat in plaats van aardoliegebaseerde mono-meren hernieuwbare monomono-meren worden gebruikt. Zo zijn er een aantal (traditionele) polymeren mogelijk die (volledig of gedeeltelijk) uit biogebaseerde monomeren bestaan met vrijwel dezelfde eigenschappen.
Verwerking van de materialen
Het spuitgieten van biogebaseerde polymeren lijkt erg op dat van traditionele polymeren. Toch zijn er een aantal belang-rijke punten die aandacht verdienen:
het is belangrijk dat het materiaal niet te lang in de bar-rel verblijft. Sommige biogebaseerde polymeren kun-nen hierdoor namelijk degraderen. Ook het gebruik van hot-runners wordt om deze reden vaak afgeraden;
tal van eigenschappen kunnen slecht uitvallen wan-neer de juiste koeltijden en temperaturen niet worden gebruikt. Sommige materialen hebben deze parameters namelijk nodig om goed te kunnen kristalliseren;
wanneer het materialen betreft die erg gevuld zijn, zal de MFI vaak laag zijn. Men kan dan meerdere aanspuit-punten of filmaanspuitaanspuit-punten, grotere lossingshoeken, hoge backpressures, dikkere wanddikten en een minimale afstand tot aanspuitpunt overwegen.
fig. 8.25 Houtvezel gevuld PP (3 maanden buitenlucht)
biopolymeren - implementeren van bio-kunststoffen 61