Lijmen is vechten tegen de entropie

Inmiddels lopen de zaken op rolletjes. De laatste tijd is het werk van het instituut aardig in het nieuws geweest: de geplakte vliegtuigvleugels van het op één na grootstetransportvliegtuig ter wereld, Galaxy C-5A, van de Amerikaanse luchtmacht; de restauratie van Panorama Mesdag en de lichtgewicht koelwagen die in februari op de bedrijfswagen-RAI te bezichtigen is. Na vijf jaar heeft het instituut zijn plaats gevonden tussen universiteit en bedrijfsleven.

Gehuisvest in een lichtgewicht keet, die aan het laboratorium voor constructies en materialen van L&R vastzit, coördineert het vaste personeel van het HI drie soorten werkzaamheden: advisering en contractwerk voor bedrijven, transfer van hightech-kennis naar mediumtech bedrijfstakken en fundamenteel onderzoek.

Frens: ,,Het instituut is financieel zelfvoorzienend. Van de inkomsten uit het contractwerk dat het zeven man sterke eigen personeel uitvoert, kunnen we onderzoeksactiviteiten bekostigen.” Op dit moment verrichten negen promovendi werk voor het HI. Het praktische werk vindt plaats in de laboratoria van de drie betrokken faculteiten. Een vierde faculteit, Industrieel Ontwerpen, denkt er serieus over zich aan te sluiten bij het HI.

In het laboratorium van Frens duiken onderzoekers in de meest basale vraag rondom hechten: hoe hecht stofje A het beste aan stofje B? Frens: ,,Wij hebben daar een eigen theorie over ontwikkeld, die een doorbraak bleek op het gebied van hechten en weer losmaken.” Frens daalt voor de uitleg van de theorie af naar het niveau van moleculen.

Tussen moleculen kunnen drie soorten aantrekkingskrachten bestaan. Bij lijmen gaat het meestal om het zwakste type aantrekkingskrachten, de zogenaamde vanderwaalsbindingen, die bestaan tussen alle deeltjes die massa hebben. De sterkere krachten, chemische en polaire bindingen, zijn specifiek voor de combinaties van atomen, en daardoor moeilijker te bewerkstelligen.

Moleculen trekken elkaar aan. Moleculen van hetzelfde soort doen dat nog meer dan twee verschillende moleculen. Energetisch gezien is het kennelijk voordelig dicht bij elkaar te blijven en de eerste hoofdwet van de thermodynamica zegt dat ieder systeem het liefst een zo laag mogelijke energie heeft.

Toch klonteren de moleculen van een gas niet aan elkaar maar ‘vliegen’ die vrij rond. ,,Dat is de schuld van de tweede hoofdwet”, verklaart Frens. ,,Elk systeem streeft naar een zo groot mogelijke wanorde ofwel entropie, en dat is een nog belangrijker principe dan die van minimale energie”, meent hij. ,,Ik zeg altijd dat een systeem alleen een toestand van minimale energie kan bereiken als de entropie niet teveel tegenwerkt. Als een steen naar beneden valt, wint de energie, maar als een gas zich verspreidt, wint de entropie. De kunst is dus een systeem te bedenken waarbij de aantrekking, ofwel de energiewinst, zo groot mogelijk is, tegen de wil van de entropie in.”

In lijmen zitten polymeren. Dit zijn moleculen die bestaan uit een hele lange keten atomen die als een kluwen met grote open ruimten ‘opgerold’ is. De hechting wordt bepaald door de vanderwaalskrachten tussen de polymeermoleculen en de te verlijmen oppervlakken. Om te lijmen moeten zoveel mogelijk kluwens aan het oppervlak hechten. Oftewel de concentratie polymeren in de nog vloeibare lijm moet aan het oppervlak zo hoog mogelijk zijn. In de praktijk blijkt dat concentraties aan het oppervlak in het algemeen lager zijn dan elders in delijm omdat de polymeren een relatief groot volume hebben. Er ontstaat een depletielaag met een lagere concentratie.

Frens: ,,Het begrip depletielaag was al langer bekend, maar werd nooit meegenomen in de hechtingstheorie. Dat hebben wij wel gedaan en het bleek dat metingen die voorheen niet klopten nu verklaarbaar zijn.”

Met de nieuwe theorie is men in staat gericht naar een oplossing te zoeken. Door het oppervlak voor te bewerken kan het voor de polymeren aantrekkelijk worden om daar te gaan zitten waardoor de depletielaag opgeheven wordt. ,,Dat kan met behulp van polaire atoomgroepen in het polymeer en aan het oppervlak. Door hogere concentraties polymeer aan het oppervlak ontstaat betere hechting.”
Constructies

Maar hechten houdt niet op bij lijmen. Hechten is ook constructies maken. De Haan en diens opvolger prof.dr.J.M.J.M. Bijen (De Haan droeg per 1 januari zijn plek in het HI over) verdiepen zich in het lijmen van zware constructies.

In de bouw wordt steeds meer geplakt. Bijvoorbeeld metaalverbindingen. Om te voorkomen dat metalen roesten, brengt men tegenwoordig vaak een laagje zink aan. Zinklagen beschermen tegen roesten, maar maken lassen beperkt mogelijk. Lijmen is dan een goed alternatief. Bovendien heeft lijmen het voordeel dat het de spanningen verdeelt over een groter oppervlak, zodat de verbinding steviger wordt. Ook hoeft het materiaal niet beschadigd te worden door er gaten in te boren.

,,Nadeel is wel dat een lijmverbinding niet tegen extreme temperaturen kan. De hechtsterkte van veel lijmen neemt dramatisch af boven de tweehonderd graden Celcius”, weet ing. S.J. Van Driesten, technisch medewerker van het HI.

De Haan: ,,In de bouw zie je een trend van zware omvangrijke constructies naar slankere materialen die bovendien minder grondstoffen verbruiken. Vezelversterkte kunststoffen (composieten) blijken goede vervangende materialen en laten zich prima verlijmen.”

Bruggen van composiet zullen volgens De Haan niet lang meer op zich laten wachten. En ook het vervangen van staal in sluisdeuren door composiet komt eraan. Het onderhouden van de conventionele stalen sluisdeur is tegenwoordig duur vanwege de milieu-eisen die gelden voor het schilderen.

Bijen: ,,Maar waar wij ons vooral zeer intensief mee bezig houden is het modelleren van de mechanische belastingen waar constructies aan blootgesteld worden.” De lijmverbindingen moeten die belastingen langdurig kunnen verdragen.

Prof.ir.L.B. Vogelesang werkt eveneens aan constructies, maar dan gericht op lichtgewicht voorwerpen zoals vliegtuigen en andere transportmiddelen. Nederland heeft een goede reputatie op het gebied van lijmen van vliegtuigonderdelen. De Nederlander Schliekelmann introduceerde de lijmtechniek voor Fokker die nog steeds voorop loopt in de wereld. Frens: ,,Fokkervliegtuigen maken, net als militaire vliegtuigen, meer gebruik van lijmverbindingen dan andere verkeersvliegtuigen. Daardoor zijn ze in staat tot betere prestaties. Het is niet voor niets dat de ‘Flying Doctors’, die in Afrika op een grasbaantje moeten landen, in Fokkertoestellen vliegen.”

Het lab van Vogelesang is beroemd om het materiaal Arall, dat bestaat uit op elkaar gelijmde lagen van vezelversterkt kunststof en aluminium. Vogelesang: ,,Dit materiaal combineert de sterke eigenschappen van beide materiaalsoorten.” De hechting tussen de lagen is cruciaal.

Het Hechtingsinstituut van de TU is uniek in Nederland, en één van de weinige op de wereld. Frens: ,,Een TU heeft ruimte om eens iets nieuws te proberen. Juist als er een probleem uit de industrie komt, dan heeft de TU impact. Ik denk dat het Hechtingsinstituut onze techniek een beetje beter maakt. Het is maar een klein dingetje, maar het draagt bij aan het kwalitatief superieure dat de TU Delft is.”

Alles plakt aan alles, maar de mate waarin verschilt. Een stofje zand plakt tegen een raam, maar een baksteen niet. Het Hechtingsinstituut van de TU Delft specialiseert zich in de verwerving van kennis over het fenomeen hechten, zowel vanuit chemisch als constructief oogpunt. Vijf jaar geleden kwam het interfacultaire instituut langzaam van de grond. Komend voorjaar wordt het eerste lustrum van het succesvolle samenwerkingsverband feestelijk gevierd.

,,De Mercedes onderscheidt zich van de DAF door het gebruik van lijmverbindingen”, zegt prof.dr.G. Frens, hoogleraar fysische chemie aan de faculteit Scheikundige Technologie en Materiaalkunde en tevens voorzitter van het bestuur van het Hechtingsinstituut (HI). ,,In het algemeen kun je stellen hoe meer lijmverbindingen, hoe geavanceerder het produkt.”

Niet alleen hightech-industrie maakt veel gebruik van lijm, ook het midden- en kleinbedrijf gaat steeds meer plakken. Tuinders stoppen lijm in de aarde van potplanten zodat de kluit in tact blijft bij het overpotten, de schaatsen van Falco Zandstra bestaan bij de gratie van superlijm, in de toekomst hoopt men zelfs darmen na een operatie weer dicht te kunnen plakken.

Het Ministerie van Economische Zaken (EZ) realiseerde zich ruim vijftien jaar geleden al hoe belangrijk hechten is voor de industrie en maakte daar melding van in de nota Innovatie Bedrijfsleven. De TU Delft werd altijd al overstelpt met vragen over hechtingstechnieken. Iedereen die iets maakt, vraagt zich af: ,,Hoe maak ik het vast?” Uit die behoefte is het HI aan de TU Delft ontstaan.

Met een startsubsidie van 1,2 miljoen gulden van EZ gingen de faculteiten Scheikundige Technologie en Materiaalkunde (STM), Civiele Techniek (CT) en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek (L&R) aan de slag. Prof.ir Y.M. de Haan, voormalig hoogleraar materiaalkunde, die namens de faculteit CT bij de oprichting van het Hechtingsinstituut betrokken was, vertelt dat het opstarten nogal stroef verliep.

,,Het toenmalige college van bestuur had moeite met een extra structuur over het eilandenrijk dat de faculteiten reeds vormden. En het maakte zich zorgen over de financiering. Daardoor duurde het te lang eer we van start konden gaan en liepen we twee ton subsidie mis. EZ had namelijk een termijn gesteld waarbinnen we moesten beginnen en dat haalden we niet. Het bedrag is ongeveer even groot als het gat dat we nu in de exploitatie hebben. Erg jammer. Er ligt nog steeds een claim bij het college.”
Rolletjes

Inmiddels lopen de zaken op rolletjes. De laatste tijd is het werk van het instituut aardig in het nieuws geweest: de geplakte vliegtuigvleugels van het op één na grootstetransportvliegtuig ter wereld, Galaxy C-5A, van de Amerikaanse luchtmacht; de restauratie van Panorama Mesdag en de lichtgewicht koelwagen die in februari op de bedrijfswagen-RAI te bezichtigen is. Na vijf jaar heeft het instituut zijn plaats gevonden tussen universiteit en bedrijfsleven.

Gehuisvest in een lichtgewicht keet, die aan het laboratorium voor constructies en materialen van L&R vastzit, coördineert het vaste personeel van het HI drie soorten werkzaamheden: advisering en contractwerk voor bedrijven, transfer van hightech-kennis naar mediumtech bedrijfstakken en fundamenteel onderzoek.

Frens: ,,Het instituut is financieel zelfvoorzienend. Van de inkomsten uit het contractwerk dat het zeven man sterke eigen personeel uitvoert, kunnen we onderzoeksactiviteiten bekostigen.” Op dit moment verrichten negen promovendi werk voor het HI. Het praktische werk vindt plaats in de laboratoria van de drie betrokken faculteiten. Een vierde faculteit, Industrieel Ontwerpen, denkt er serieus over zich aan te sluiten bij het HI.

In het laboratorium van Frens duiken onderzoekers in de meest basale vraag rondom hechten: hoe hecht stofje A het beste aan stofje B? Frens: ,,Wij hebben daar een eigen theorie over ontwikkeld, die een doorbraak bleek op het gebied van hechten en weer losmaken.” Frens daalt voor de uitleg van de theorie af naar het niveau van moleculen.

Tussen moleculen kunnen drie soorten aantrekkingskrachten bestaan. Bij lijmen gaat het meestal om het zwakste type aantrekkingskrachten, de zogenaamde vanderwaalsbindingen, die bestaan tussen alle deeltjes die massa hebben. De sterkere krachten, chemische en polaire bindingen, zijn specifiek voor de combinaties van atomen, en daardoor moeilijker te bewerkstelligen.

Moleculen trekken elkaar aan. Moleculen van hetzelfde soort doen dat nog meer dan twee verschillende moleculen. Energetisch gezien is het kennelijk voordelig dicht bij elkaar te blijven en de eerste hoofdwet van de thermodynamica zegt dat ieder systeem het liefst een zo laag mogelijke energie heeft.

Toch klonteren de moleculen van een gas niet aan elkaar maar ‘vliegen’ die vrij rond. ,,Dat is de schuld van de tweede hoofdwet”, verklaart Frens. ,,Elk systeem streeft naar een zo groot mogelijke wanorde ofwel entropie, en dat is een nog belangrijker principe dan die van minimale energie”, meent hij. ,,Ik zeg altijd dat een systeem alleen een toestand van minimale energie kan bereiken als de entropie niet teveel tegenwerkt. Als een steen naar beneden valt, wint de energie, maar als een gas zich verspreidt, wint de entropie. De kunst is dus een systeem te bedenken waarbij de aantrekking, ofwel de energiewinst, zo groot mogelijk is, tegen de wil van de entropie in.”

In lijmen zitten polymeren. Dit zijn moleculen die bestaan uit een hele lange keten atomen die als een kluwen met grote open ruimten ‘opgerold’ is. De hechting wordt bepaald door de vanderwaalskrachten tussen de polymeermoleculen en de te verlijmen oppervlakken. Om te lijmen moeten zoveel mogelijk kluwens aan het oppervlak hechten. Oftewel de concentratie polymeren in de nog vloeibare lijm moet aan het oppervlak zo hoog mogelijk zijn. In de praktijk blijkt dat concentraties aan het oppervlak in het algemeen lager zijn dan elders in delijm omdat de polymeren een relatief groot volume hebben. Er ontstaat een depletielaag met een lagere concentratie.

Frens: ,,Het begrip depletielaag was al langer bekend, maar werd nooit meegenomen in de hechtingstheorie. Dat hebben wij wel gedaan en het bleek dat metingen die voorheen niet klopten nu verklaarbaar zijn.”

Met de nieuwe theorie is men in staat gericht naar een oplossing te zoeken. Door het oppervlak voor te bewerken kan het voor de polymeren aantrekkelijk worden om daar te gaan zitten waardoor de depletielaag opgeheven wordt. ,,Dat kan met behulp van polaire atoomgroepen in het polymeer en aan het oppervlak. Door hogere concentraties polymeer aan het oppervlak ontstaat betere hechting.”
Constructies

Maar hechten houdt niet op bij lijmen. Hechten is ook constructies maken. De Haan en diens opvolger prof.dr.J.M.J.M. Bijen (De Haan droeg per 1 januari zijn plek in het HI over) verdiepen zich in het lijmen van zware constructies.

In de bouw wordt steeds meer geplakt. Bijvoorbeeld metaalverbindingen. Om te voorkomen dat metalen roesten, brengt men tegenwoordig vaak een laagje zink aan. Zinklagen beschermen tegen roesten, maar maken lassen beperkt mogelijk. Lijmen is dan een goed alternatief. Bovendien heeft lijmen het voordeel dat het de spanningen verdeelt over een groter oppervlak, zodat de verbinding steviger wordt. Ook hoeft het materiaal niet beschadigd te worden door er gaten in te boren.

,,Nadeel is wel dat een lijmverbinding niet tegen extreme temperaturen kan. De hechtsterkte van veel lijmen neemt dramatisch af boven de tweehonderd graden Celcius”, weet ing. S.J. Van Driesten, technisch medewerker van het HI.

De Haan: ,,In de bouw zie je een trend van zware omvangrijke constructies naar slankere materialen die bovendien minder grondstoffen verbruiken. Vezelversterkte kunststoffen (composieten) blijken goede vervangende materialen en laten zich prima verlijmen.”

Bruggen van composiet zullen volgens De Haan niet lang meer op zich laten wachten. En ook het vervangen van staal in sluisdeuren door composiet komt eraan. Het onderhouden van de conventionele stalen sluisdeur is tegenwoordig duur vanwege de milieu-eisen die gelden voor het schilderen.

Bijen: ,,Maar waar wij ons vooral zeer intensief mee bezig houden is het modelleren van de mechanische belastingen waar constructies aan blootgesteld worden.” De lijmverbindingen moeten die belastingen langdurig kunnen verdragen.

Prof.ir.L.B. Vogelesang werkt eveneens aan constructies, maar dan gericht op lichtgewicht voorwerpen zoals vliegtuigen en andere transportmiddelen. Nederland heeft een goede reputatie op het gebied van lijmen van vliegtuigonderdelen. De Nederlander Schliekelmann introduceerde de lijmtechniek voor Fokker die nog steeds voorop loopt in de wereld. Frens: ,,Fokkervliegtuigen maken, net als militaire vliegtuigen, meer gebruik van lijmverbindingen dan andere verkeersvliegtuigen. Daardoor zijn ze in staat tot betere prestaties. Het is niet voor niets dat de ‘Flying Doctors’, die in Afrika op een grasbaantje moeten landen, in Fokkertoestellen vliegen.”

Het lab van Vogelesang is beroemd om het materiaal Arall, dat bestaat uit op elkaar gelijmde lagen van vezelversterkt kunststof en aluminium. Vogelesang: ,,Dit materiaal combineert de sterke eigenschappen van beide materiaalsoorten.” De hechting tussen de lagen is cruciaal.

Het Hechtingsinstituut van de TU is uniek in Nederland, en één van de weinige op de wereld. Frens: ,,Een TU heeft ruimte om eens iets nieuws te proberen. Juist als er een probleem uit de industrie komt, dan heeft de TU impact. Ik denk dat het Hechtingsinstituut onze techniek een beetje beter maakt. Het is maar een klein dingetje, maar het draagt bij aan het kwalitatief superieure dat de TU Delft is.”