Toepassingen van nanotechnologie

Transcriptie

1 Brussel-Bruxelles Liège Science Park Charleroi Rue du Bois Saint-Jean 12 Gent BE-4102 Seraing Hasselt tel. : Leuven fax : Li ège info@sirris.be Toepassingen van nanotechnologie F. Monfort-Windels, J. Lecomte Januari 2008 V. 2 Niets uit deze uitgave mag worden verveelvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm, door elektronische middelen of op welke wijze ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

2

3 Inhoudstafel Inleiding...5 Nanotechnologieën ten dienste van de KMO s...7 door F. Monfort-Windels - Sirris «Koolstof-nanobuisjes» zegt u?...13 door Ch. Bruynseraede - IMEC Nanotechnologie en textiel...17 door K. Van de Voorde - IMEC; M. Schaerlaekens en T. De Meyere - Centexbel; C. Hertleer - UGent -Studie Eenheid Textielkunde Nanotechnologie in de auto : dat loopt op wieltjes!...21 door F. Monfort-Windels - Sirris Met nanotechnologie naar een milieuvriendelijke, duurzame maatschappij...29 door A. Buekenhoudt, L. Bastiaens en L. Diels - VITO Nanotechnologie in duurzame energieproductie...35 door F. Snijkers - VITO Nanotechnologie in de bouwsector...41 door F. Monfort-Windels - Sirris Een dag uit het leven van Nick de nano-nerd...47 door F. Monfort-Windels - Sirris Nanotechnologie in de biomedische sector...53 door D. Maes - IMEC Van Micro- naar Nano-Systemen...59 door Ch. Bruynseraede - IMEC Toepassingen van Micro- en Nano-systemen...65 door Ch. Bruynseraede en E. Parton - IMEC Nanotechnologie op je bord...71 door S. Paulussen - VITO Nanotechnologie, hoe staat het er nu mee?...75 door F. Monfort-Windels - Sirris

4

5 Inleiding De artikels in deze brochure zijn gepubliceerd in de reeks Kleine Technologie met grote resultaten van het tijdschrift PME/KMO en overgenomen met de vriendelijke toestemming van de uitgever en de auteurs. Met Minatuse, dat het label «Eureka» voert, wil de Europese Gemeenschap in de eerste plaats micro- en nanotechnologie naar KMO s brengen. Om hun deelname aan Europese projecten te vergroten, krijgen de KMO s ook begeleiding via een Europees netwerk. Het consortium bestaat uit 18 organisaties afkomstig uit 12 verschillende landen. Het groepeert een aantal belangrijke Europese centres of competence met onderzoekspotentieel op het vlak van nanotechnologie en organisaties die zich bezig houden met technologische innovatie en met technologietransfer en - verspreiding. Het project is in 2005 van start gegaan. Het zal 6 jaar duren en wordt geleid door IMEC (België). De Belgische partners zijn CeRDT (Gosselies), Sirris (Luik), IMEC (Leuven) en VITO (Mol). Zij zullen u tijdens deze reis in 13 etappes begeleiden. Voor meer informatie of om gebruik te maken van de geboden begeleiding bij het Minatuse-project kan u terecht bij de Belgische partners: CeRDT, Philippe Crêteur, philippe.creteur@cerdt.be, tel , Sirris, Jacky Lecomte, jacky.lecomte@sirris.be, tel , IMEC, Christophe Bruynseraede, bruynser@imec.be, tel , VITO, Annick Vanhulsel, annick.vanhulsel@vito.be, tel ,

6

7 Nanotechnologieën ten dienste van de KMO s Oktober 2006 F. Monfort-Windels Sirris Welkom in de nanowereld, een fascinerende wereld van zelfreinigende oppervlakken of hydrofoben, rood goud, diodes die wit licht met hoog rendement uitstralen of materialen met een uitzonderlijke hardheid maar die lichter zijn dan staal. Vanuit de laboratoria vinden nieuwe technologieën thans hun toepassing in grote industriële sectoren. Merkwaardig is wel dat de transfer naar de KMO s nog zo gering is. Misschien ligt dit aan de communicatie? Experts hebben in het kader van het Minatuse-programma een reeks van 13 artikels geschreven die een overzicht schetsen van de huidige toepassingen van nanotechnologieën. «Nano» zei u toch? Het bedrijfsleven, de onderzoekers, en zelfs het grote publiek, iedereen wordt de laatste jaren meegetrokken in de nanohype. Nano is echt een soort toverwoord geworden. Maar waarover gaat het precies? Het effect van nanometer-schaalstructuren (1 nanometer = 1 nm = 10-9 m, of een duizendste van een micron) op materiaaleigenschappen is al sinds lange tijd bekend. Zo worden bijvoorbeeld de mechanische eigenschappen van nylonvezels (diameter 5 µm) hoofdzakelijk bepaald door supramoleculaire structuren zoals nanokristallieten (5 nm) en vezeltjes (50 nm). We weten dat materialen op deze schaal nieuwe eigenschappen en functies vertonen die al tot vernieuwende toepassingen geleid hebben. Waarom staan nanotechnologieën dan sinds eind jaren 90 zoveel in de belangstelling van de scheikundige en de industriële wereld? De aanzet hiertoe is waarschijnlijk de ontwikkeling van een microscoop met atomaire resolutie (AFM Atomic Force Microscopy) die toelaat tot in het hart van de nanowereld te kijken. Aan bod komen ook tools waarmee de materialen bijna op atoomniveau kunnen worden verwerkt : nanopincet, epitaxie, lithografie... Sirris pagina 7/79

8 De mogelijkheid om basiselementen op nanoschaal te synthetiseren met een nauwkeurige controle van de dimensies, en ze dan tot grotere structuren samen te voegen zal een revolutie teweegbrengen in hele industriële sectoren. Wat is nanotechnologie? De term «nanotechnologie» omvat alle activiteiten van creatie, fabricatie en gebruik van structuren kleiner dan 100 nanometer. Het aanwenden van zulke structuren vereist de ontwikkeling van specifieke materialen die zeer uiteenlopend kunnen zijn afhankelijk van de toepassing. Men kan ze volgens grootte rangschikken. NANO-0 D: Aggregaten, nanodeeltjes, qauntumkristallen, nanokristallen, nanofases, ultrafijne poeders NANO-1 D : Nanotubes, nanovezeltjes NANO-2 D: Dunne lagen, sub-micron bekledingen en filmen met een nanostructuur, nanopoeders... NANO-3 D: Polykristallen met sub-micron korrels, materialen met een nanostructuur, dikke bekledingen en filmen met een nanostructuur, vaste stoffen met een nanoorganisatie, nanoceramiek, nanocomposieten Sirris pagina 8/79

9 Deze basiselementen kunnen ook gebruikt worden voor de bouw van micro- en nanosystemen (MEMS, NEMS): dit zijn intelligente, multifunctionele en geminiaturiseerde systemen die detectie-, activatie- en behandelingsfuncties combineren. Zo zijn gasdetectoren voorzien van gevoelige filmen die ultradun zijn of een nanostructuur hebben. Dunne hybride organisch-anorganische coatings De jonge start-up Nanoxid sprl uit Louvain-la-Neuve ontwikkelt en commercialiseert hybride organisch-anorganische lakken gebaseerd op nanotechnologieën en solgeltechnologie. Doel is om het basismateriaal kenmerken te verlenen die de functionaliteit en het uitzicht van het eindproduct verbeteren. Deze producten worden met name gebruikt voor huishoudelektro. De Nanoxidproducten maken metalen oppervlakken zoals inox of titaan niet alleen vrijwel ongevoelig voor vingerafdrukken maar maken het oppervlak ook harder en beter bestand tegen vlekken veroorzaakt door voedsel. De Nanoxid-lak combineert de hardheid en de transparantie van glas met de voordelen van organische lakken zonder de techniek voor het aanbrengen te veranderen. Er kunnen transparante en ongevoelige lagen worden gecreëerd waarbij de lool & feel van metaal behouden blijft. De lak kan in bijna alle kleuren worden geleverd, met blinkende of matte afwerking. Alle keukens met titanium-look worden vandaag exclusief behandeld met een «easy-to-clean»- product van Nanoxid, een jonge start-up uit Louvain-la-Neuve Bron : Nanoxid P. Fiasse CeRDT Sirris pagina 9/79

10 Waarom nanomaterialen? Het succes van nanomaterialen berust op het feit dat de eigenschappen van een materiaal sterk wijzigen als men ze van bulk toestand omzet naar nanometerdimensies. De nieuwe, vaak ongekende eigenschappen die zo ontstaan maken de weg vrij voor belangrijke innovaties, en leiden soms zelfs tot technologische revoluties. Een structurering op nanometerschaal laat toe de performantie te verbeteren dankzij verschillende effecten: vermindering van de grootte van onderdelen, vergroting van werkzame oppervlakken en grensvlakken, versterking van de wisselwerkingen tussen materialen, Vaak zullen toepassingen gebruik maken van een combinatie van zulke effecten. Effecten van schaalgrootte Volgens de definitie van een nano-object, zie hierboven, heeft zo n object minstens één afmeting kleiner dan 100 nm. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk de slijtageweerstand van transparante plastics te verbeteren, zonder hun optische eigenschappen te wijzigen, door onzichtbare nanopartikels toe te voegen. Een andere belangrijke toepassing: nanodeeltjes samengevoegd op een oppervlak kunnen een functionele structuur vormen die dat oppervlak water- en vuilafstotend maakt en een zelfreinigende textuur meegeeft. Effecten van oppervlak en grensvlak Nanomaterialen worden gekenmerkt door hun eigenschap oppervlakken te vergroten en/of grensvlakken te vermenigvuldigen. Voor een deeltje van 3 nm groot kan het aandeel oppervlakteatomen 50% bedragen. Dit resulteert in een extreem hoge reactiviteit, een aanzienlijke oppervlakte-energie en de mogelijkheid tot rechtstreekse wisselwerking tussen de belangrijkste onderdelen. Zo vertonen nanokristallijne metalen een verhoogde hardheid door hun grote dichtheid aan microdefecten en dislocaties. Ander voorbeeld: de bijzonder hoge oppervlakte/volume verhouding van nanodeeltjes laat toe om katalysatoren te creëren die meer materie kunnen absorberen en die materie sneller kunnen laten chemisch reageren, wat bijvoorbeeld van nut kan zijn voor katalytische uitlaatpijpen van auto s. Wijziging van elektronische eigenschappen Bij dimensies kleiner dan 50 nm gelden de quantumwetten van de fysica boven die van de mechanica. De kleine dimensies van elementaire nanovoorwerpen leidt tot elektronische, magnetische, en optische eigenschappen die enorm kunnen verschillen van de eigenschappen van hetzelfde materiaal in bulk. De elektronische structuur van het materiaal wordt gewijzigd: dit kan leiden tot tunneleffecten en andere quantumeigenschappen. Zo wordt goud, normaal geel van kleur, rood als het de dimensie van een nanodeeltje heeft. Zo kunnen ook lichtgevende diodes (LED of Light Emitting Diode), gebaseerd op het gebruik van nanofosfor, een wit licht met hoog rendement uitstralen. Dit laat toe hun toepassingsgebied tot huishoudelijke verlichting uit te breiden. Sirris pagina 10/79

11 Versterking van wisselwerkingen Wanneer nanodeeltjes vermengd worden, is die vermenging typisch intenser, wat wisselwerkingen tussen de deeltjes versterkt. Op die manier kunnen we bijzondere eigenschappen verkrijgen door het koppelen op nanometerschaal van verschillende materialen. Deze verschijnselen - zoals de reuze magnetische weerstand - ligt aan de basis van een nieuw soort elektronica, de spintronica, waarvan men een belangrijke impact verwacht op de informatie- en communicatietechnologie. Op het gebied van de optica laat een structurering op nanoschaal toe om materialen met een lage index te verkrijgen, die weerspiegeling op het lucht/glas grensvlak kunnen voorkomen wanneer ze gedeponeerd worden in de vorm van een ultradunne film op glas. Dit principe wordt gebruikt om antireflecterende vensters te maken. Dit zijn maar enkele voorbeelden ter illustratie van de impact van materialen op nanoschaal. Deze impact, die heel verscheiden van aard kan zijn, ligt aan de basis van een waaier van toepassingen waarin nanomaterialen zullen worden geïmplementeerd. Binnen 10 tot 15 jaar zal het economische belang van deze materialen enorm zijn en zal ze rechtstreeks of onrechtstreeks alle industriële sectoren raken. Innovatieve toepassingen, maar er zijn risico s Er wordt wereldwijd heel veel onderzoek verricht naar nanotechnologieën en er worden grote budgetten voor uitgetrokken. Gedurende enkele jaren waren de werkzaamheden en de publicaties op het domein van nanotechnologieën geconcentreerd op de wetenschappelijke aspecten, maar vandaag ligt de nadruk op de technologie en het commercialiseren van producten. De «nanowereld» biedt een indrukwekkend economisch potentieel. Toepassingen vinden ingang op het domein van de automobiel, lucht- en ruimtevaart, elektronica, farmaceutica en biotechnologie, energie en milieu. In een reeks artikels zal de stand van zaken worden opgemaakt van de realisaties in enkele van deze sectoren. Er worden echter steeds meer vragen gesteld bij de potentieel schadelijke effecten van nanomaterialen, in het bijzonder als gevolg van de grootte van de deeltjes. In een ander artikel zal een overzicht worden gegeven van de potentiële impact op de gezondheid van de mens en op het milieu. Sirris pagina 11/79

12 Sirris pagina 12/79

13 «Koolstof-nanobuisjes» zegt u? November 2006 Ch. Bruynseraede IMEC Koolstof-nanobuisjes zijn helemaal in de mode: sinds een tiental jaren veroorzaken deze macromoleculen een echte hype bij wetenschappers, ingenieurs en zelfs bij bedrijven. Waarover gaat het en waarom heerst er zoveel opwinding rond deze nieuwe materialen? Nanotechnologie staat vandaag hoog op de agenda van de onderzoekswereld. Deze nieuwe discipline wordt beoefend door wetenschappers uit verschillende onderzoeksdomeinen met één gemeenschappelijk doel: structuren bouwen die in minstens één dimensie kleiner zijn dan 100 nanometer (1 nanometer = 1nm = 1 miljoenste van een millimeter). De enorme interesse voor nanostructuren vloeit voort uit de verwachting dat deze structuren superieure eigenschappen zullen vertonen. De bundeling aan onderzoeks-inspanningen heeft geleid tot de ontwikkeling van fascinerende nieuwe materialen zoals nanobuizen. Vele malen sterker dan staal en in staat om metalen en halfgeleiders in elektronica te vervangen, wordt verwacht dat koolstof-nanobuisjes de deur zullen openen naar een hele reeks nieuwe toepassingen. Wat zijn koolstof-nanobuisjes? Nanobuisjes zijn structuren die grotendeels samengesteld zijn uit koolstof. Zuiver koolstof komt in de natuur in twee vormen voor: als diamant of als grafiet. Diamant is zeer hard en kostbaar terwijl grafiet zacht is en als smeermiddel wordt gebruikt. Het verschil tussen diamant en grafiet zit in de stapeling van hun koolstofatomen. Diamant heeft een dichte stapeling in drie dimensies, grafiet daarentegen bestaat uit opeengestapelde vlakken waarin de koolstofatomen gerangschikt zijn volgens regelmatige zeshoeken, een beetje vergelijkbaar met stukjes kippengaas die op elkaar gestapeld zijn. Een koolstof-nanobuisje bekom je dan door één grafietlaag op te rollen tot een kokertje met een diameter van slechts enkele nanometer. Bovendien kan men de buizen sluiten door enkele van de zeshoeken in de grafietlagen door vijfhoeken te vervangen: de vlakke grafietlaag krult dan op en sluit zich. Wat maakt deze nanobuisjes zo speciaal? Koolstof-nanobuisjes hebben extreem kleine interne diameters van 0.4 tot 5 nmmaar kunnen wel centimeters lang zijn. Het zijn dus structuren die in één richting moleculair klein zijn en in de andere richting zichtbaar zijn met het blote oog. Nanobuisjes vertalen de unieke eigenschappen van moleculair koolstof tot op macroscopische schaal, wat leidt tot een hele reeks nuttige fenomenen. Qua mechanische eigenschappen behoren nanobuisjes tot de sterkste materialen gekend in de natuur. Een nanobuis is honderd maal sterker dan staal, is even hard als diamant en is ook nog eens enorm buigzaam. Het heeft deze buitengewone eigenschappen vooral te danken aan de sterke binding tussen zijn koolstofatomen. Sirris pagina 13/79

14 Deze binding ligt ook aan de basis van de superieure thermische en elektrische eigenschappen van nanobuisjes: ze zijn thermisch stabiel tot 2800 ºC, hebben een elektrische geleidbaarheid die twee maal zo groot is als die van diamant, en kunnen een 1000 maal grotere stroom transporteren dan koperdraad zonder door te branden. Bovendien hangen de elektrische eigenschappen sterk af van de diameter en lengte van de buisjes, evenals van de manier waarop de grafietlagen opgerold zijn : dit bepaalt of een nanotube een metaal of een halfgeleider is. Zo n variabele eigenschappen zijn uniek en voor elektronische toepassingen uiterst interessant. Nanocyl Toepassingen van koolstof-nanobuizen Koolstof-nanobuisjes vertonen duidelijk een aantal nieuwe eigenschappen die hen aantrekkelijk maakt voor integratie in allerlei materialen en componenten. Enkele van de voornaamste toepassingen zijn : Composietmaterialen Omdat nanobuisjes zeer buigzaam zijn terwijl ze toch een zeer hoge treksterkte hebben, vormen ze misschien wel de ideale koolstofvezels om te gebruiken in composietmaterialen. De meeste van deze composieten worden nu geproduceerd door aan koolstof-, glas- of natuurlijke vezels kunststofharsen toe te voegen. Sommige van die composieten zijn even sterk als metaal, en bovendien een stuk lichter. Vandaag zijn er echter ook al bedrijven die composieten opbouwen uit strengen van nanobuisjes met daaromheen een hars van kunststof. Die composieten worden dan veel plooibaarder, maar blijven toch even sterk. Nano-electronica De miniaturisatie van de componenten op computerchips zorgt ervoor dat de stroombanen op deze chips ook kleiner moet worden. Hoe kan je echter nanometer-dunne draden maken die stroom geleiden, niet opwarmen en niet breken na verloop van tijd? Mogelijk bieden nanobuisjes, die geleiders of halfgeleiders kunnen zijn afhankelijk van hun structuur, hier een oplossing. Bovendien zijn deze buisjes door de sterke koolstofbinding thermisch, mechanisch en chemisch erg stabiel. Sirris pagina 14/79

15 Maar nanobuisjes zijn niet alleen een ideale bekabeling, je kan er ook elektronische schakelingen mee maken. In transistoren vloeit elektrische stroom tussen twee contactpunten door een halfgeleider. In de transistoren van vandaag bestaat die halfgeleider uit silicium, in de nano-transistoren van morgen is dat mogelijk een nanobuisje. Zulke nano-schakelaars zouden gemakkelijk honderd keer sneller werken dan de snelste silicium-transistoren, zonder meer vermogen te verbruiken. Vlakke beeldschermen Wanneer nanobuisjes rechtop op een oppervlak staan en onder elektrische spanning gezet worden, zenden ze vanuit hun tip met een enorme snelheid elektronen uit, die gemakkelijk de fosfor op een beeldscherm kunnen doen oplichten. Omdat die tip so scherp is, emitteren nanobuizen elektronen op een lagere spanning dan andere materialen. Hun sterke koolstofbindingen laten daarenboven een langere werking toe zonder schade. Deze eigenschappen hebben reeds geleid tot demonstraties van vlakke beeldschermen met een superieure helderheid en een minimaal verbruik in vergelijking met LCD- en plasmaschermen. Innoverende technologie, met hinderpalen... De transfer van dergelijke toepassingen van het laboratorium naar de maatschappij vereist echter een verfijning van bestaande productiemethodes om tegen een lage kostprijs industriële hoeveelheden nanobuizen te kunnen vervaardigen met de gewenste eigenschappen en zuiverheid. Typisch verloopt er 10 tot 20 jaar tussen de ontdekking en de grootschalige toepassing van een nieuwe technologie. Koolstof-nanobuisjes zijn ontdekt in We kunnen de volgende jaren dan ook een spectaculaire vooruitgang in de toepassing van deze moleculaire materialen verwachten voor een hele waaier van bestaande en nieuwe technologieën. Sirris pagina 15/79

16 Profiel van Nanocyl Nanocyl is één van de belangrijkste producenten van koolstofnanobuizen in Europa. Nanocyl werd opgericht in 2002 met als doel te groeien tot de wereldwijde leider wat de productie van gespecialiseerde en industriële koolstofnanobuizen betreft. Vandaag telt Nanocyl 28 medewerkers en heeft het begin dit jaar een kantoor in de Verenigde Staten geopend. Met haar aanwezigheid in Amerika wil Nanocyl haar activiteiten uitbreiden naar de Verenigde Staten, een markt met bijzonder veel potentieel voor Nanocyl. Verwerking in laboratorium bij Nanocyl Nanocyl gebruikt het CCVD-productieproces en kan hierdoor permanent nieuwe producten met een bijzondere toegevoegde waarde ontwikkelen, zoals het recentelijk gelanceerde NC9000 gamma, een hoge concentratie-mix van polymeren. De onderneming ontwikkelt gespecialiseerde nanobuisjes voor de automobielsector, evenals voor vooraanstaande bedrijven actief in de productie van kunststoffen en in het vervaardigen van uitrusting en materiaal voor halfgeleiders. Verder is Nanocyl ook zeer actief betrokken bij een aantal Europese onderzoeksprojecten rond nanotechnologie, zoals de Inteltex en Ambio-projecten. Nanocyl is gebaseerd in Sambreville, België en krijgt in de lente van 2007 de status van een volwaardige industriële speler, met een grotere produtie-éénheid en meer productiecapaciteit. Sirris pagina 16/79

17 Nanotechnologie en textiel December 2006 K. Van de Voorde - IMEC M. Schaerlaekens en T. De Meyere - Centexbel C. Hertleer - UGent Studie Eenheid Textielkunde Inleiding Nanotechnologie is een opkomende interdisciplinaire technologie die als een nieuwe industriële revolutie wordt aanzien. De fundamenten van nanotechnologie liggen in het feit dat de eigenschappen van materialen drastisch veranderen wanneer hun afmetingen worden gereduceerd tot nanometerschaal. Ook de textielwereld heeft de mogelijkheden van nanotechnologie ontdekt. Textielexperten doen bijvoorbeeld verwoede pogingen om de zelfreinigende eigenschappen van het blad van de lotusbloem via nanotechnologie te evenaren in textieltoepassingen. Zulke toepassingen spreken tot de verbeelding. Definitie van nanotechnologie voor textiel Intelligent textiel en nanotechnologie zijn buzzwoorden die dikwijls gebruikt worden zonder dat de geclaimde eigenschappen rechtstreeks iets te maken hebben met de gebruikte technologie. Deze onduidelijke situatie kan niet blijven duren. Daarom is men in de textielwereld begonnen met de ontwikkeling van een soort kwaliteitslabel, waarin een textielmateriaal slechts het label nanotechnologie krijgt als (a) de nanodeeltjes of structuren systematisch geordend zijn om te resulteren in een nieuwe functie, (b) de nanotechnologie een aantoonbare verbeterde functionaliteit demonstreert voor de gebruiker met een verwaarloosbaar effect op de textieleigenschappen, en (c) de nanodeeltjes bestand zijn tegen reinigingsprocessen en gezondheid en comfort niet negatief beïnvloeden. Deze label kan een eerste stap zijn naar een zekere standaardisatie van de nanotechnologieën. Integratie van nanopartikels in textiel Nanopartikels kunnen op 2 niveaus in het textielproductieproces geïntroduceerd worden: in de garenextrusiesmelt en in de coating. Naargelang het gebruikte type nanopartikel dient het productieproces wel aangepast te worden. Een niet te onderschatten taak. Gebruik van nanopartikels in het smeltextrusie proces van garens geeft aanleiding tot intrinsieke functionaliteiten Dankzij de kleine afmetingen van nanopartikels kan men deze mengen in het polymeer vóór de extrusie. Op deze manier kan men nieuwe functionaliteiten inbrengen. We hebben het hier vooral over nanopartikels op basis van klei, metaaloxides of koolstof-nanobuisjes. Sirris pagina 17/79

18 Door op nanoschaal het oppervlak van het blad van de lotusbloem na te bootsen, kan men textiel zelfreinigend maken (Bron : w.th@gmx.de) Klei-nanopartikels Klei is opgebouwd uit duizenden laagjes met een dikte van slechts 1 nanometer. Het toevoegen van een minimale hoeveelheid klei (ong. 2-5%) kan al een significante impact hebben op de eigenschappen. In de literatuur worden aan toepassingen die gebaseerd zijn op nanocomposieten met kleipartikels heel wat eigenschappen toegekend die ook potentieel interessant zijn voor de textielsector. Er werd dan ook een ruime screening uitgevoerd naar eigenschappen zoals verbetering van mechanische eigenschappen, krimpreductie, vlamvertragende capaciteiten, UV-stabiliteit, geleidbaarheid, slijtvastheid, aanverfbaarheid, aanvoelen en kruipreductie. Uit deze screening blijkt duidelijk dat resultaten die in aanverwante sectoren behaald worden moeilijk als maatstaf kunnen dienen voor textieltoepassingen. Dit geldt zowel voor het verwerkingsproces als voor de producteigenschappen. Hoewel de toevoeging van kleinanopartikels resulteert in een duidelijke toename van de thermostabiliteit van de grondstoffen, wordt in praktijktesten op textielproducten onvoldoende verschil in brandgedrag waargenomen. Bovendien is de impact van de klei op de mechanische eigenschappen, krimp- en kruipgedrag van de bekomen garens gering. Een belangrijke verbetering kon evenwel worden gerealiseerd in het antistatisch gedrag en in de aanverfbaarheid. Er is wel een duidelijk negatieve impact van kleinanopartikels op de UV-stabiliteit. Metaaloxide-nanopartikels Metaaloxide-nanopartikels zoals TiO2, Al2O3, ZnO worden toegevoegd omwille van hun gunstige elektrische geleidbaarheid, antibacteriële werking en UV-absorptieëigenschappen. Koolstof-nanobuisjes In de toekomst zal ook meer onderzoek verricht worden naar het gebruik van koolstof-nanobuisjes (CNT, zie het vorige artikel in deze reeks). Ze worden aanzien als een van de meest veelzijdige bouwblokken. De hogere sterkte en hogere elektrische geleidbaarheid die ze aan de garens geven maken veel nieuwe toepassingen mogelijk. Nochtans is het onderzoek hiernaar tot op heden beperkt omwille van de hoge prijs van de CNT en de zwarte kleur die ze aan de garens geven. Sirris pagina 18/79

19 Gebruik van nanopartikels in coatings van textiel voor de opbouw van oppervlakte functionaliteiten Nanotechnologie kan textiel een antibacteriële werking geven en aldus bijdragen tot de beteugeling van infecties in ziekenhuizen (Bron : SiO2, Al2O3, en ZnO zijn enkele voorbeelden van nanodeeltjes die aan coatings kunnen worden toegevoegd en waar op heden vrij veel onderzoek wordt op verricht. Naargelang de gebruikte additieven kunnen effecten als verbeterde brandwerendheid, hogere treksterkte en/of een betere weerstand tegen veroudering gerealiseerd worden. Nanopartikels zijn alom geprezen omwille van het feit dat met een lage concentratie aan additief grote effecten kunnen bekomen worden. Hiervoor dienen de additieven wel in nanovorm te blijven. Doordat nanodeeltjes echter een grote neiging hebben om te agglomereren, is het niet altijd voor de hand liggend om een eindcoating met optimaal verdeelde nano-additieven te realiseren. Het inbedden van de nanodeeltjes in een coating is o.m. noodzakelijk om te vermijden dat deze nanopartikels later uit het afgewerkte product vrijkomen, wat van belang is binnen het kader van gezondheidsaspecten. Sirris pagina 19/79

20 Textiel met geïntegreerde instrumenten (universiteit van Pisa) bestaat uit een groot aantal piëzoresistieve sensoren die rechtstreeks worden gedrukt op textiel in lycra en maakt het mogelijk om algemene informatie over armbewegingen te registreren. Een inertieel/magnetisch systeem voor bewegingsregistratie (CEA/LET) maakt het bovendien mogelijk om een kwantitatieve waarde toe te kennen aan de armbewegingen. Ook hier zal in de toekomst het gebruik van CNTs, onderzocht worden, waarbij dan vooral de elektrische geleiding wordt geviseerd. Mogelijke toepassingen Er werden reeds een aantal interessante eigenschappen opgesomd bij de bespreking van de productieprocessen: verbeterde elektrische geleidbaarheid, antibacteriële werking, anti-uv, vlamvertragend m.a.w een verhoogde brandwerendheid, anti-corrosief, grotere treksterkte en een hogere weerstand tegen veroudering. Men kan deze eigenschappen koppelen aan heel wat interessante toepassingen. Enkele voorbeelden : Nanodeeltjes met antibacteriële werking zijn duidelijk gericht op de bescherming van de gezondheid en medische toepassingen. Sommige specifieke oxides hebben beschermende eigenschappen tegen bacteriën wanneer ze in coatings worden gebruikt. Zoals reeds gesteld mogen de deeltjes echter niet loskomen van hun textieldrager want dan bekomt men juist het tegenovergestelde, de deeltjes worden dan een gevaar voor de gezondheid. Het gebruik van nanodeeltjes die UV-bestendigheid realiseren en infrarood licht (IR) weerkaatsen is interessant voor veel textieltoepassingen waarin comfort van belang is, zoals in sport, maar ook in de bouwsector, bij voorbeeld voor tenten. Nanodeeltjes met vlamvertragende werking kunnen levensreddend zijn in de kledij voor hulpdiensten. Brandweerpakken worden veiliger en beschermkledij wordt sterker. Het is duidelijk dat de toepassingen voor textielproducten waarin nanodeeltjes worden gebruikt de komende jaren een explosieve groei zullen kennen. Sirris pagina 20/79

21 Nanotechnologie in de auto: dat loopt op wieltjes! Januari 2007 F. Monfort-Windels Sirris De automobielindustrie is een belangrijke sector voor nanotechnologi : in haar streven naar lagere prijzen én verbeterde technologische prestaties is ze een stuwende kracht. Vertrekkende van een wereldwijde auto-nanotechnologiemarkt van 932 miljoen Euro in 2004, ramen Frost & Sullivan de grootte van die markt in 2015 op 5.43 miljard Euro. De marktvraag betreft hier produktverbeteringen zoals nieuwe oppervlakte-bekledingen, evenals innovaties met een sterke industriële impact zoals sensoren of nieuwe energiebronnen. Er zijn nog maar weinig produkten op basis van nanotechnologie reeds beschikbaar op een echt commerciële schaal. Juist door dit gebrek aan schaalgrootte blijven de kosten hoog in vergelijking met meer conventionele oplossingen. Een prijsverlaging zou nieuwe deuren kunnen openen. Bron: Frost & Sullivan Het is onmogelijk een complete lijst op te stellen van alle voertuig-onderdelen die voordeel putten uit de inbreng van nanotechnologie. We nemen er hier slechts enkele onder de loep. Banden De eerste toepassing zowel historisch als in volume is deze van koolstofzwartsel in banden. Deze is verschenen aan het begin van de jaren 80 en vertegenwoordigt vandaag 95% van de markt van nanotechnologie in auto s. In volume zijn er de komende jaren geen grote veranderingen te verwachten. Meer recent heeft onderzoek ertoe geleid een deel van het koolstofzwartsel te vervangen door silicium-nanodeeltjes. Deze oplossing vermindert de rolweerstand en bijgevolg het brandstofverbruik. Sirris pagina 21/79