English (UK)
Werken aan nanopoeders: zuurstof buiten de deur!
De Luikse vestiging van Sirris, het collectief centrum van de Belgische technologische industrie, kan als één van de weinigen op laboratoriumschaal nanopoeders reproduceerbaar synthetiseren.
Vanwege de uiterst explosieve materialen waarmee wordt gewerkt vinden synthese en analyse plaats onder zuurstofloze en vochtarme omstandigheden.
(Foto: André Rahier bij de modulaire glovebox van MBraun. Het potje met nanopoeder dat hij in handen heeft, zou buiten de kast direct tot een letale explosie leiden)
Een stuk siliciumcarbide is bijna een steen; daar is niets gevaarlijks aan. Heb je het SiC echter verwerkt tot nanopoeder dan hebben we het over nanodeeltjes met een gezamenlijk oppervlak van 65 vierkante meter per gram. Dezelfde oxidatie die bij de steen zorgt voor een uiterst langzame, nauwelijks zichtbare corrosie, zorgt bij het nanopoeder voor een snellere reactie. Instant explosie kan zelfs gebeuren in het geval van metalen.” Aan het woord is André Rahier, hoofd van de afdeling nanopoeder technologie van de Sirrisvestiging in het hoog boven de stad Luik gelegen Liège Science Park. Rahier werkt met een groep van negen onderzoekers aan verschillende onderzoeksprojecten voor klanten uit de Belgische industrie. Projecten, die variëren van het onder de knie krijgen van de synthese van nanopoeders als SiC en ZnO tot het toepassen van de halffabrikaten, die nanopoeders nu eenmaal zijn, in andere producten.
Kansrijk
Over de toepassing van nanopoeders kan Rahier urenlang uitweiden. “We staan pas aan het begin van een eindeloze rij aan nieuw te bedenken applicaties. Er zijn alleen al zoveel verschillende nanopoeders, ieder met zijn eigen unieke eigenschappen. Hier in Luik richten wij ons vooral op SiC en ZnO. Toepassingen van SiC zijn er onder meer in het verbeteren van de mechanische eigenschappen van materialen. Eén gewichtprocent SiC nanopoeder in aluminium zorgt voor een trekkracht die bijna tweemaal zo hoog is, een eigenschap waar vanuit de vliegtuigbouw veel belangstelling voor is. Heel anders weer is de mogelijkheid om keramisch materiaal zodanig te doperen met onder andere Ni dat je thermo- elektrisch materiaal verkrijgt, materiaal waarmee je rechtstreeks warmte kunt omvormen in elektriciteit. Een derde toepassing is dispersie in metalen waardoor je de weerstand tegen wrijvingen en trillingen verbetert. Nu zie je bij veel boorkoppen diamant verwerkt; SiC helpt hier de levensduur van zulke boorkopen te verlengen.” Voor nanopoeder van ZnO, waar Rahier sinds kort aan werkt in het kader van Europese programma’s, is de bescherming van hout tegen de inwerking van UVstraling een kansrijke toepassing. “Bij organische deklagen worden de moleculen getransformeerd door de UV-energie. Bij ZnO daarentegen vindt een verschuiving plaats naar het infrarood spectrum. Het hout wordt een klein beetje warmer, maar de moleculen houden zich koest. Bovendien kunnen met ZnO kleurloze oplossingen worden gemaakt, zodat de kleur van het hout bewaard blijft.”
Reproduceerbaar produceren
Met al die toepassingen ligt de uitdaging bij het produceren van de nanopoeders, en dat is niet bepaald eenvoudig, zeker niet voor een willekeurig bedrijf dat ‘iets met nanopoeder wil gaan doen’. Zelfs in het geval van SiC bij Sirris, waar al sinds 2005 aan nanopoeders wordt gewerkt, is een groep van vier onderzoekers bijna 8 maanden aan het werk geweest om tot een reproduceerbare productiemethode te komen. “Voor de synthese maken wij gebruik van een pilot-installatie met een plasmatoorts die bij een temperatuur van 11.000 K de uitgangsmaterialen in dampfase brengt; in ons geval microdeeltjes SiC. Deze deeltjes worden vlakbij de toorts ingebracht, waarna ze vlak daaronder door een groot debiet aan koud gas razendsnel worden afgekoeld, met meer dan 1000 K per seconde! Tal van parameters zijn van invloed op het resultaat; iets wat we letterlijk proefondervindelijk moesten uitzoeken. Zo bleek dat het werken onder argon –zuurstof en vocht moest immers worden uitgesloten– alleen niet voldeed. Bijvoegen van waterstof verbeterde de stabiliteit en de warmte-overdracht. Dat leidde echter tot methaanvorming, een reactie die we konden stoppen door op voorhand wat methaan aan het argon toe te voegen”, legt André Rahier uit. Dit onderzoek is overigens uitgevoerd in het kader van het Marshall plan, met steun van de Waalse streek.
Inerte atmosfeer
De onderzoekers van Sirris beheersen nu de productie van het SiC; inmiddels zijn er 23 batches reproduceerbaar geproduceerd, totaal 1,4 kilo. Nog geen industriële hoeveelheden, maar volgens Rahier is opschaling met deze kennis en ervaring een haalbare kaart. En daar mag ook wel wat extra werk tegenover staan, als je bedenkt dat je een kilo micrometrische SiC voor minder dan 10 euro kunt kopen, terwijl de prijs voor een kilo nanopoeder rond de 3.500 euro ligt. De veiligheidsmaatregelen rond het werken met nanopoeders zijn nog het best te vergelijken met die in de nucleaire sector. Weliswaar komt er geen straling aan te pas, maar het gedrag en de impact ervan op mens en omgeving is nog zo onduidelijk dat er onder een streng veiligheidsregime wordt gewerkt. “De deeltjes zijn zo klein dat ze gemakkelijk kunnen worden ingeademd, dus elk contact met de deeltjes wordt vermeden. Ook zorgen we ervoor dat er zo weinig mogelijk schadelijke bijproducten, waaronder toxische gassen, worden geproduceerd.” Praktisch gezien heeft de bescherming tegen exothermische reacties de meeste impact. Bij Sirris vindt de synthese in een aparte kamer plaats die geheel onder beschermende argon-atmosfeer wordt gebracht. De onderzoekers werken er als waren het brandweermannen, met zuurstofmaskers en beschermende kleding. Analyse van het nanopoeder vindt plaats in een andere ruimte, in een glovebox, in dit geval twee aan elkaar gekoppelde modulaire gloveboxes van de Duitse fabrikant MBraun, geleverd en geïnstalleerd door Salm en Kipp. De inerte atmosfeer wordt hierbij gegarandeerd door een purifier-unit met twee filters voor het verwijderen van zuurstof en vocht (beiden tot minder dan 1 ppm). De kast draait op onder- en overdruk, zodat er aan de ene kant geen zuurstof en vocht van buiten naar binnen kan en aan de andere kant geen nanodeeltjes naar buiten kunnen ontsnappen.
Grotere glovebox
De ervaringen met de glovebox voor de analyse- en karakteriseringswerkzaamheden zijn dermate positief dat André Rahier ook uitkijkt naar een soortgelijk systeem voor de synthese van de nanopoeders. “Dat geeft de onderzoekers betere werkomstandigheden en maakt het synthetiseren ook een stuk efficiënter. Dan hebben we het echter wel over een groter systeem van bijna honderd kuub: 12 meter lang, 3 meter hoog en 2,5 meter breed. Een flinke investering, maar volstrekt gerechtvaardigd als je de prachtige mogelijkheden met nanopoeders in ogenschouw neemt!”
________________________________________________________________________________________
Sirris
www.sirris.be
Sirris Sirris is het collectief centrum van de Belgische technologische industrie. Het helpt bedrijven bij het invoeren van technologische innovaties. Op die manier kunnen zij hun concurrentiepositie op een duurzame manier versterken. De meer dan 120 technologische experts, verdeeld over zes verschillende locaties, geven technologisch advies, starten innovatietrajecten en begeleiden tot bij de implementatie. Insteek is altijd om een concrete oplossing te vinden voor de reële uitdagingen van Belgische ondernemers. Sirris is continu op zoek naar oplossingen voor gezamenlijke technologische uitdagingen van de Belgische industrie. Met dat doel start het collectieve onderzoeksprojecten op. Soms op eigen initiatief, soms in samenwerking met bedrijven die hun schouders willen zetten onder veelbelovende innovaties. Sirris voert per jaar meer dan 4.000 industriële projecten uit bij meer dan 1.800 verschillende bedrijven, waarvan 80 % MKB. De omzet is ongeveer € 20 miljoen.