Les 8 Polymeren en Composieten (1).pdf

# Oorsprong en eigenschappen van materiaalgroepen Het begrijpen van de oorsprong en eigenschappen van materiaalgroepen begint bij de fundamentele bouwstenen: de atomen, de bindingen die ze vormen, en de manier waarop ze geordend zijn [15](#page=15) [3](#page=3). ### 1.1 Bindingen als basis voor materiaaleigenschappen De eigenschappen van materialen worden sterk beïnvloed door de aard van de chemische bindingen die de atomen bij elkaar houden. Deze bindingen kunnen primair, sterk en intramoleculair zijn, of secundair, zwak en intermoleculair [5](#page=5) [6](#page=6). #### 1.1.1 Primaire bindingen Primaire bindingen zijn krachtig en vormen de kern van moleculaire structuren. ##### 1.1.1.1 Metaalbinding Metaalbindingen kenmerken metalen, waarbij atomen in een rooster van positieve ionen zijn gerangschikt, omgeven door een "zee" van gedeelde valentie-elektronen [7](#page=7) [8](#page=8). ##### 1.1.1.2 Ionbinding Een ionbinding ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positief en negatief geladen ionen. Deze binding treedt typisch op tussen atomen met een duidelijk metaal- en niet-metaalkarakter. Het bindende elektronenpaar wordt hierbij volledig overgedragen aan het atoom met de hoogste elektronegativiteit, wat meestal het niet-metaal is [10](#page=10) [11](#page=11) [9](#page=9). ##### 1.1.1.3 Covalente binding Bij een covalente binding delen twee niet-metalen atomen een of meerdere valentie-elektronenparen om een stabiele elektronenconfiguratie te bereiken. Dit kan resulteren in enkelvoudige, dubbele, of zelfs meervoudige bindingen, waarbij de elektronen een gemeenschappelijk gebied vormen [12](#page=12) [13](#page=13). #### 1.1.2 Secundaire bindingen Secundaire bindingen, ook wel intermoleculaire krachten genoemd, zijn zwakker dan primaire bindingen en spelen een rol in de interactie tussen moleculen. Voorbeelden hiervan zijn van der Waals-krachten en waterstofbruggen, die de fysische eigenschappen zoals smelt- en kookpunten beïnvloeden [14](#page=14). ### 1.2 De rol van atoomsoort en ordening De specifieke atomen die betrokken zijn bij de bindingen, evenals de manier waarop deze atomen en hun bindingen geordend zijn in een materiaal (bijvoorbeeld in een kristallijn of amorf rooster), bepalen direct de macroscopische eigenschappen van het materiaal, zoals sterkte, hardheid, geleidbaarheid en ductiliteit [15](#page=15) [3](#page=3). > **Tip:** Concentreer je bij het bestuderen van materiaaleigenschappen altijd op de drie kernvragen: welke atomen, welke bindingen, en hoe is de ordening? Dit geeft de meest fundamentele verklaring. --- # Polymeren en hun synthese Polymeren zijn macromoleculen die uit vele herhalende monomeereenheden bestaan, en dit deel behandelt hun oorsprong, structuur, en de belangrijkste polymerisatiereacties: additie en condensatie [19](#page=19). ## 2 Polymeren en hun synthese Polymeren, afgeleid van het Griekse 'poly' (veel) en 'meras' (delen), zijn grote moleculen opgebouwd uit herhalende structurele eenheden, monomeeren genoemd. Deze lange ketens bestaan vaak uit een ruggengraat van koolstofatomen, aangevuld met waterstofatomen en soms andere functionele groepen. De bindingen binnen de hoofd- en zijketens kunnen enkelvoudig of meervoudig zijn [19](#page=19) [20](#page=20) [21](#page=21). ### 2.1 Oorsprong en structuur van polymeren #### 2.1.1 Monomeren Monomeren zijn de stabiele, kleine moleculen die als bouwstenen dienen voor polymeren. Een bekend voorbeeld is ethyleen ($C_2H_4$), een gas dat onder specifieke druk- en temperatuurscondities, vaak met een katalysator, kan polymeriseren tot polyethyleen (PE), een vaste stof [21](#page=21) [22](#page=22). #### 2.1.2 Koolwaterstofverbindingen als bouwstenen De basis van veel polymeren zijn koolwaterstofverbindingen, opgebouwd uit koolstof (C) en waterstof (H). Koolstof kan vier covalente bindingen vormen en waterstof één, resulterend in enkelvoudige covalente bindingen tussen atomen in verzadigde koolwaterstofverbindingen. Deze verbindingen kunnen alleen reacties aangaan door atomen te laten vallen [24](#page=24). Daarnaast zijn dubbele en drievoudige bindingen tussen koolstofatomen mogelijk in onverzadigde koolwaterstofverbindingen. Hierbij delen twee koolstofatomen twee of drie elektronenparen, waardoor ze minder bindingen met andere atomen kunnen aangaan. Deze onverzadigde bindingen maken de moleculen geschikt voor additiepolymerisatie, waarbij bindingen kunnen worden gevormd zonder atomen te verliezen door een deel van de meervoudige binding los te maken. Voorbeelden hiervan zijn ethyleen ($C_2H_4$) en acetyleen ($C_2H_2$) [26](#page=26). Koolwaterstofverbindingen met functionele groepen kunnen ook dienen als bouwstenen, met name via condensatiepolymerisatie [27](#page=27). #### 2.1.3 Bindingen in polymeren De atomen binnen monomeermoleculen zijn sterk aan elkaar gebonden via covalente bindingen. De bindingen tussen de polymeermoleculen zelf zijn echter zwakkere secundaire bindingen, zoals waterstofbruggen en van der Waalsbindingen. Dit resulteert in polymeren met een doorgaans lager smelt- en kookpunt vergeleken met materialen zoals metalen of keramiek. De polymeerketens kunnen onder belasting langs elkaar heen glijden, wat leidt tot relatief zwakkere mechanische eigenschappen tenzij verstevigingsmechanismen zoals vulstoffen, vertakte ketens, of cross-links worden toegepast [28](#page=28). #### 2.1.4 Moleculair gewicht en distributie Polymeren kunnen zeer hoge moleculaire gewichten bereiken door de aaneenschakeling van een groot aantal monomeereenheden. Tijdens de polymerisatie worden echter niet alle polymeerketens even lang, wat resulteert in een gewichtsdistributie in plaats van een eenduidig moleculair gewicht. Het vermelde moleculair gewicht is dus een gemiddelde [30](#page=30). Het moleculair gewicht beïnvloedt de fysische staat van het polymeer bij kamertemperatuur: * Polymeren met een moleculair gewicht van ongeveer 100 g/mol zijn gassen of vloeistoffen [30](#page=30). * Polymeren rond de 1000 g/mol zijn wasachtige vaste stoffen of zachte harsen [30](#page=30). * Polymeren met een moleculair gewicht van circa $10^5$ tot $10^6$ g/mol zijn vaste stoffen [30](#page=30). #### 2.1.5 Homopolymeren en copolymeren Polymeren opgebouwd uit één enkel type monomeer worden homopolymeren genoemd. Wanneer polymeren uit meer dan één monomeertype bestaan, spreekt men van copolymeren. Het doel van copolymeren is om de gunstige eigenschappen van de individuele monomeren te combineren. Een voorbeeld hiervan is synthetische rubber, vaak een random copolymeer zoals styreen-butadieen rubber voor autobanden, of nitrile rubber (acrylonitrile en butadieen) voor benzineslangen, dat zeer elastisch is en niet opzwelt in organische oplosmiddelen [29](#page=29). #### 2.1.6 Natuurlijke versus kunstmatige polymeren Er is een onderscheid tussen natuurlijke polymeren zoals hout, rubber, katoen, wol, leder, zijde, proteïnen, enzymen, zetmeel en cellulose en kunstmatige polymeren zoals polyester, PET, nylon, teflon, PS, PE en PP. Kunstmatige polymeren, ook wel kunststoffen genoemd, zijn zeer grote moleculen die gesynthetiseerd worden uit organische grondstoffen [23](#page=23). #### 2.1.7 Waterstofbruggen Waterstofbruggen kunnen een secundaire rol spelen in de structuur van polymeren, zoals geïllustreerd door Kevlar. Deze bruggen treden op tussen de polymeerketens en beïnvloeden de materiaal eigenschappen [25](#page=25). ### 2.2 Polymerisatiereacties Polymeren worden gesynthetiseerd via verschillende polymerisatiereacties. De twee primaire mechanismen zijn additiepolymerisatie en condensatiepolymerisatie [32](#page=32) [35](#page=35). #### 2.2.1 Additiepolymerisatie Bij additiepolymerisatie worden monomeermoleculen achter elkaar gekoppeld, vergelijkbaar met kralen aan een ketting. Het uitgangsmateriaal is een monomeer in oplossing, emulsie, dampvorm, of als onverdunde vloeistof. De chemische samenstelling van de schakels in het resulterende polymeer is identiek aan die van de monomeermoleculen [32](#page=32). **Voorbeeld van additiepolymerisatie van polyethyleen (PE):** Het proces omvat typisch initiatie en propagatie stappen [33](#page=33). $$ \text{Initiatie:} \quad \text{Initiator} \rightarrow \text{Vrije radicalen} $$ $$ \text{Propagatie:} \quad \text{Vrij radicaal} + \text{Monomer} \rightarrow \text{Groeiend polymeer radicaal} $$ $$ \text{Groeiend polymeer radicaal} + \text{Monomer} \rightarrow \text{Nog groter polymeer radicaal} $$ #### 2.2.2 Toepassingen van additiepolymerisatie Additiepolymerisatie leidt tot diverse gangbare polymeren: * Polypropyleen (PP) wordt gebruikt voor bijvoorbeeld yoghurtpotjes [34](#page=34). * Polyvinylchloride (PVC) wordt toegepast in bijvoorbeeld raamprofielen [34](#page=34). * Teflon, bekend van antikleeflagen op pannen, is ook een product van additiepolymerisatie [34](#page=34). #### 2.2.3 Condensatiepolymerisatie Bij condensatiepolymerisatie hecht een nieuw molecule zich aan een ander molecule tijdens de vormingsreactie. De schakels in het resulterende polymeer hebben een andere chemische samenstelling dan de uitgangsmaterialen. Een kenmerk van deze reactie is de vorming van een bijproduct, vaak water, vandaar de term "condensatie" [35](#page=35). #### 2.2.4 Toepassingen van condensatiepolymerisatie Enkele voorbeelden van materialen die via condensatiepolymerisatie worden gevormd: * Piepschuim [36](#page=36). * Plexiglas [36](#page=36). * Bakeliet [36](#page=36). * Nylon [36](#page=36). * Polyester, zoals gebruikt in waterflessen en als substraat voor CD's [37](#page=37). **Voorbeeld van condensatiepolymerisatie van een polyester:** De algemene reactie omvat de koppeling van twee monomeren met afsplitsing van een klein molecule zoals water [38](#page=38). $$ \text{Monomer 1} + \text{Monomer 2} \rightarrow \text{Polyester schakel} + \text{H}_2O $$ #### 2.2.5 Bijzondere gevallen: Polyadditie en Cross-linking Twee speciale gevallen van polymerisatiereacties zijn polyadditie en cross-linking. * **Polyadditie:** Dit is een combinatie van additie- en condensatiepolymerisatie waarbij het gevormde condensaat ook in de keten wordt opgenomen, zij het op een andere plaats [39](#page=39). * **Cross-linking:** Hierbij worden sterke chemische bruggen, "cross-links" of dwarsverbindingen, gevormd tussen de polymeerketens. Het resulterende materiaal wordt één grote macromolecule [39](#page=39). **Voorbeeld van polyadditie/cross-linking:** Epoxyharsen, die onder andere worden gebruikt voor composietmaterialen zoals PMC (Polymer Matrix Composites), vallen onder deze categorie [39](#page=39) [40](#page=40). --- # Eigenschappen en classificatie van polymeren Dit onderwerp behandelt de diverse eigenschappen van polymeren, hun moleculaire structuur, en hoe deze leiden tot verschillende classificaties zoals thermoplasten en thermoharders, mede beïnvloed door kristalliniteit en vervormingsgedrag [41](#page=41). ### 3.1 Moleculaire structuur en eigenschappen De structuur van polymeermoleculen, inclusief de ketenstructuur, de ligging van ketens, de aanwezigheid van toeslagstoffen en temperatuurbehandelingen, beïnvloedt sterk de uiteindelijke eigenschappen van het polymeer. De manier waarop polymeerketens zich vormen en verstrengelen, doet denken aan een 'spaghetti'-achtige structuur, wat essentieel is voor de elastische vervormbaarheid van rubberachtige polymeren. Dubbele bindingen (C=C) en grote zijgroepen kunnen de rotatie van ketens beperken, wat resulteert in stijvere moleculen zoals polystyreen (PS) [41](#page=41) [42](#page=42). De synthesetechnologie bepaalt de architectuur van polymeren, resulterend in: * **Lineaire polymeren**: Flexibele lange ketens, zoals polyethyleen (PE), polypropyleen (PP), polyvinylchloride (PVC), polystyreen (PS), polymethylmethacrylaat (PMMA), en nylon [43](#page=43). * **Vertakte polymeren**: Minder dicht gepakt dan lineaire polymeren door minder dichte pakking van de ketens [43](#page=43). * **Crosslink polymeren**: Interconnectie tussen lineaire ketens door covalente bindingen, typisch voor rubberachtige polymeren [43](#page=43). * **Netwerk polymeren**: Een driedimensionale structuur, vaak gevormd uit trifunctionele monomeereenheden, zoals in bakeliet [43](#page=43). Vaak ziet men combinaties van deze structuren [43](#page=43). ### 3.2 Classificatie op basis van vervormingsgedrag Polymeren kunnen geclassificeerd worden op basis van hun vervormingsgedrag bij stijgende temperatuur [45](#page=45). #### 3.2.1 Thermoplasten Thermo- of thermoplastische polymeren worden week bij verhitting en kunnen smelten, waarna ze bij afkoeling weer verharden; dit is een reversibel proces [46](#page=46). * **Structuur**: Ze kunnen amorf of semi-kristallijn zijn [46](#page=46). * **Amorfe zones**: Worden visceus (stroperig) boven de glastemperatuur ($T_g$) [46](#page=46). * **Kristallijne zones**: Smelten bij de smeltemperatuur ($T_{sm}$) indien aanwezig [46](#page=46). * **Gedrag bij lage temperatuur**: Secundaire bindingen worden verzwakt, waardoor ketens relatief kunnen bewegen onder invloed van kracht (reversibel) [46](#page=46). * **Gedrag bij hoge temperatuur**: Primaire covalente bindingen breken, wat leidt tot irreversibele degradatie [46](#page=46). * **Eigenschappen**: Makkelijk (her)vormbaar en recycleerbaar boven $T_g$ (of $T_{sm}$). Hun gebruik is beperkt tot gematigde temperaturen vanwege het verweken. Verhoging van de kristalliniteit verhoogt sterkte en stijfheid, maar verlaagt de ductiliteit. Thermoplasten zijn doorgaans zachter dan thermoharders. Voorbeelden zijn PE, PS, PP en PET. De vorming van producten vereist gelijktijdige toepassing van warmte en druk. De meeste lineaire polymeren en sommige vertakte polymeren met flexibele vertakkingen zijn thermoplasten [50](#page=50). > **Tip:** De glastransitie ($T_g$) is een overgang waarbij de mobiliteit van polymeerketens in amorfe zones abrupt afneemt met dalende temperatuur, wat leidt tot een overgang van rubberachtig naar glasachtig gedrag. Dit is géén smeltpunt [49](#page=49) [57](#page=57). #### 3.2.2 Thermoharders Thermoharders zijn permanent harde materialen, typisch netwerkpolymeren met een driedimensionaal netwerk van ketens en vele crosslinks. Na vervorming en verwarming behouden ze hun 3D-structuur, omdat de covalente crosslinkbindingen de trillingen bij verhitting weerstaan [51](#page=51). * **Gedrag**: Lichte verweking kan optreden boven $T_g$, maar het materiaal blijft een vaste stof. Bij zeer hoge temperaturen degradeert het materiaal [51](#page=51). * **Eigenschappen**: Ze zijn hard en rigide, vooral beneden $T_g$. Ze hebben een hoge dimensionele stabiliteit en zijn resistent tegen kruip en vervorming onder belasting. Ze kunnen bij hogere temperaturen worden gebruikt omdat ze niet verweken. Een nadeel kan een broze breuk zijn. Voorbeelden zijn polyesters, bakeliet en gevulkaniseerd rubber [51](#page=51). ### 3.3 Kristalliniteit Kristalliniteit verwijst naar de mate van geordende structuur binnen een polymeer [52](#page=52). * **Vorming**: Enkel eenvoudige lineaire polymeren kunnen semi-kristallijn worden, met geordende kristallijne zones tussen amorfe zones. Deze geordende stapeling van moleculaire ketens maakt de polymeren denser dan amorfe polymeren [52](#page=52). * **Invloed van afkoelsnelheid**: De mate van kristalliniteit hangt af van de afkoelsnelheid tijdens de synthese. Langzame afkoeling geeft de ketens meer tijd om zich te ordenen, wat resulteert in een hogere kristalliniteit [52](#page=52). * **Effect op eigenschappen**: Kristalliniteit verhoogt de sterkte en chemische inertie van het polymeer [52](#page=52). * **Moeilijkheidsgraad**: * Kristallisatie is moeilijker te bereiken bij chemisch complexe herhalingseenheden (bv. polyisopreen) en bij polymeren met vertakkingen [53](#page=53). * Het is moeilijk te voorkomen bij chemisch eenvoudige polymeren zoals polyethyleen en polytetrafluoretheen, zelfs bij zeer snelle afkoeling [53](#page=53). * **Netwerk- en crosslinked polymeren**: Deze zijn meestal bijna volledig amorf, omdat crosslinks de herschikking en uitlijning van ketens in een kristallijne structuur verhinderen. Sommige vertakte polymeren zijn gedeeltelijk kristallijn [54](#page=54). #### 3.3.1 Processen gerelateerd aan kristalliniteit * **Kristallisatie bij $T < T_{sm}$**: Dit is de vorming van kristallen vanuit een vloeibare toestand. De groeisnelheid wordt beïnvloed door de stoltemperatuur, stoltijd en moleculair gewicht. Een toenemende stoltijd leidt tot een toenemende fractie kristallijn. Een hoger moleculair gewicht en hogere stoltemperatuur (< $T_{sm}$) leiden tot tragere stolling [56](#page=56). * **Smelten bij $T > T_{sm}$**: Dit is de overgang van een geordende kristallijne structuur naar een ongeordende visceuze vloeistof. Polymeren hebben een smeltrange in plaats van een duidelijke smeltemperatuur vanwege de distributie van ketenlengtes en moleculaire gewichten. Ketens met dubbele C=C bindingen en grote zijgroepen hebben een hogere smeltrange (bv. PP 175°C > PE 115°C) [56](#page=56). * **Glastransitie bij $T < T_g$**: Dit treedt op bij amorfe 'glasachtige' polymeren en bij semi-kristallijne polymeren met amorfe zones. De mobiliteit van ketens in de amorfe zones neemt af naarmate de temperatuur daalt, wat resulteert in een overgang naar glasgedrag onder de glastransitietemperatuur. Dit leidt tot een abrupte reductie van de mobiliteit en een abrupte verandering van bepaalde eigenschappen [57](#page=57). > **Tip:** Semikristallijne polymeren bezitten zowel een smeltbereik ($T_{sm}$) als een glastransitie ($T_g$). $T_{sm}$ en $T_g$ bepalen samen het gebruikstemperatuurbereik van deze polymeren [59](#page=59). ### 3.4 Mechanische eigenschappen en vervormingsgedrag Het vervormingsgedrag van polymeren onder belasting kan onderverdeeld worden in elastische en plastische vervorming [61](#page=61). * **Elastische vervorming**: Reversibel en niet-permanent. Hierbij worden interatomaire of intermoleculaire bindingen uitgerekt zonder te breken. Bij semikristallijne polymeren omvat dit de verlenging van ketens door buigen en rekken van covalente bindingen, en lichte verplaatsingen van moleculen door zwakkere van der Waalskrachten [61](#page=61) [63](#page=63). * **Plastische vervorming**:ここでは irreversibel en permanent. Dit treedt op door het breken van bindingen en het vormen van nieuwe bindingen, waarbij atomen zich verplaatsen binnen het materiaal. Bij semikristallijne polymeren omvat dit het richten van ketens in de trekrichting, het glijden van ketens langs elkaar, het richten van lamellen, en uiteindelijk het afbreken van kristallijne segmenten terwijl ze verbonden blijven via de amorfe ketens. Dit resulteert in een sterk georiënteerde structuur na vervorming [61](#page=61) [64](#page=64) [65](#page=65). #### 3.4.1 Invloed van polymeereigenschappen op vervormbaarheid De mate van elastische en plastische vervorming is sterk afhankelijk van polymeereigenschappen [66](#page=66). * **Daling van plastische vervormbaarheid bij**: 1. Stijgend aantal intermoleculaire bindingen (crosslinking, sterke van der Waalskrachten) of verstrengeling tussen ketens, wat de ketenmobiliteit beperkt [66](#page=66). 2. Stijgend moleculair gewicht, omdat grotere ketens minder mobiel zijn [66](#page=66). 3. Stijgende graad van kristalliniteit, wat resulteert in meer secundaire bindingen door betere ordening en parallelle ketens [66](#page=66). * **Graad van voorvervorming (drawing)**: Trekken van polymeren oriënteert de ketens in één richting, wat het polymeer tot 2 à 5 keer sterker maakt in de trekrichting dan het niet-getrokken polymeer. Echter, de sterkte dwars op de gerichte ketens neemt af [67](#page=67). #### 3.4.2 Elastomeren (kunstrubbers) Elastomeren zijn rubberachtige polymeren met een zeer grote elastische vervormbaarheid (meer dan 100%). Er is slechts weinig kracht nodig om ze ver uit te rekken, en ze keren na wegnemen van de belasting terug naar hun oorspronkelijke vorm [68](#page=68). * **Structuur**: Amorfe polymeren met sterk gedraaide, gebogen en opgerolde moleculaire ketens. Bij trekbelasting ontvouwen de ketens zich en richten zich in de trekrichting [68](#page=68). * **Gedrag**: Ze zijn bros beneden de glastemperatuur ($T_g$) en zeer elastisch erboven. Naarmate het aantal crosslinks toeneemt, stijgen sterkte en stijfheid, maar de ductiliteit daalt [68](#page=68). #### 3.4.3 Voorwaarden voor elastomeergedrag 1. **Niet-kristallijn**: Het polymeer mag niet kristallijn zijn; de ketens moeten natuurlijk gedraaid en opgerold zijn [69](#page=69). 2. **Vrije rotatie**: Er moeten vrije rotatiemogelijkheden rond de bindingen in de ketens bestaan zodat ze snel kunnen reageren op trekbelasting. Meervoudige bindingen en crosslinks belemmeren dit [69](#page=69). 3. **Temperatuur boven $T_g$**: Het polymeer moet bij gebruikstemperatuur (meestal kamertemperatuur) boven de glastransitietemperatuur zijn; anders is het bros en onvervormbaar [69](#page=69). 4. **Uitgestelde plastische vervormbaarheid**: Dit wordt bereikt door ketens te verhinderen langs elkaar af te schuiven, wat gebeurt door crosslinking [69](#page=69). * **Vulkanisatie**: Dit proces zorgt voor crosslinking, vaak door zwavel toe te voegen aan een verhit elastomeer, waardoor zwavelketens bruggen vormen tussen polymeerketens. Het is belangrijk om niet te veel crosslinks te vormen, anders wordt het rubber te hard [69](#page=69). ### 3.5 Voorbeelden van polymeertypes * **Thermo­plasten**: * Nagecholeerd PVC [71](#page=71). * Lage-druk-PE [72](#page=72). * Hoge-druk-PE [73](#page=73). * PP [74](#page=74). * PMMA (Plexiglas) [75](#page=75). * PC (polycarbonaat) [76](#page=76). * PA (polyamide) [77](#page=77). * PS (polystyreen): isolatie, EPX (geëxtrudeerd), EPS (geëxpandeerd) [78](#page=78). * POM (polyacetaat) [79](#page=79). * PVAC (polyvinylacetaat) [80](#page=80). * **Thermoharders**: * PF (fenolformaldehyde) [81](#page=81). * UF (ureumformaldehyde) [82](#page=82). * MF (melamineformaldehyde) [83](#page=83). * PUR (polyurethaan) [84](#page=84). * UP (polyester) [85](#page=85). * GUP (glasvezelgewapend polyester) [86](#page=86). * EP (epoxyhars) [87](#page=87). * **Kunstrubbers (Elastomeren)**: * IIR (butylrubber) [88](#page=88). * PSR (merk: Thiocol) [88](#page=88). * EPR (etheen-propeenrubber) [89](#page=89). * SIL (siliconenrubber) [90](#page=90). --- # Composieten, hout en beton Dit deel behandelt de structuur, eigenschappen en toepassingen van composietmaterialen, met specifieke aandacht voor hout als natuurlijk composiet en beton als veelvoorkomende deeltjescomposiet. ### 4.1 Composieten: algemene principes Een composietmateriaal bestaat uit minstens twee identificeerbare fasen. Er worden drie hoofdtypen onderscheiden op basis van de vorm waarin de fasen voorkomen [96](#page=96): 1. **Laminaten**: Gelaagde composieten, zoals IPC-laminaat en houtcomposieten [96](#page=96). 2. **Deeltjescomposieten**: Deeltjes ingebed in een matrix, zoals beton. Deze worden gebruikt om prijs en krimp te beperken. Metaalmatrixcomposieten (MMC) met keramische deeltjes worden harder en vuurvaster, met minder slijtage [96](#page=96). 3. **Vezel(verstevigde) composieten**: Vezels ingebed in een matrix, zoals vezelversterkt beton en glasvezelpolyester [96](#page=96). Vezels worden vaak ingezet vanwege hun grote sterkte, stijfheid en taaiheid. Deze eigenschappen zijn te danken aan sterke intermoleculaire krachten, de moleculaire structuur van het materiaal en het ontbreken van defecten. De eigenschappen van de samenstellende delen bepalen de specifieke eigenschappen van het composietmateriaal [98](#page=98) [99](#page=99). Composieten kunnen worden onderverdeeld in: * Natuurlijke composieten, zoals hout [98](#page=98). * Steenachtige composieten, zoals beton [98](#page=98). * Kunstmatige composieten, zoals polymeer matrixcomposieten (PMC) [98](#page=98). ### 4.2 Hout als natuurlijk composiet Hout is een complex materiaal met sterk anisotroop gedrag, wat betekent dat de eigenschappen niet in elke richting gelijk zijn. Dit wordt veroorzaakt door de langwerpige vorm van de cellen, de georiënteerde structuur van celwanden, verschillen in celgrootte door seizoensgebonden groei en de functionele oriëntatie van de cellen zelf [100](#page=100). Hout is een natuurlijke, organische, cellulaire vaste stof. Het bestaat uit de componenten cellulose, hemicellulose, lignine en extractieven. Als afkomstig uit bossen is hout een hernieuwbaar materiaal, wat het duurzaam maakt mits er sprake is van duurzaam bosbeheer, vaak aangeduid met het Forest Stewardship Council (FSC) logo . #### 4.2.1 Houtstructuur en types De houtstructuur is afhankelijk van de groei van de boom en de omgeving. Er wordt onderscheid gemaakt tussen naaldhout en loofhout : * **Naaldhout (zachthout)**: Overleeft in een bar klimaat en op weinig vruchtbare grond. Ze zijn zuinig met water, wat blijkt uit kleverige naalden met een klein manteloppervlak en het afstoten van lagerliggende takken . * **Loofhout (hardhout)**: Overleeft in meer gematigde klimaten. Ze hebben een weelderige kruin met veel bladeren en laten deze in de winter vallen ter bescherming tegen zware sneeuw . Op structureel niveau kan hout worden beschreven op verschillende schalen : * **Macrostructuur** (meter, boomniveau): Bepaalt sterkteverschillen tussen planken . * **Microstructuur** (millimeter, celniveau): Verantwoordelijk voor stijfheidsverschillen tussen dwars- en langsrichting . * **Ultrastructuur** (micrometer, binnen cel): Beïnvloedt krimpverschillen tussen dwars- en langsrichting . #### 4.2.2 Hout eigenschappen Hout is hygroscopisch, wat betekent dat het vocht opneemt en afgeeft aan de omgeving. De volumieke massa is afhankelijk van het type hout en het vochtgehalte. Hout krimpt en zwelt anisotroop, wat kan leiden tot vervorming zoals kromtrekken. De thermische uitzetting is verwaarloosbaar ten opzichte van de zwelling door vocht. De sterkte-eigenschappen van hout zijn eveneens anisotroop en afhankelijk van de vezelrichting . #### 4.2.3 Houtcomposieten Vroeger werd hout veelvuldig gebruikt als bouwmateriaal vanwege zijn veelzijdigheid en beschikbaarheid. Tegenwoordig worden vaak 'houtcomposieten' toegepast, waarbij hout zelf al een composiet is. Door het gebruik van lijmen kunnen grotere elementen zoals gelamelleerde liggers en plaatmaterialen worden geproduceerd. Deze houtcomposieten bieden verbeterde eigenschappen, waaronder : * Een gunstige verhouding tussen volumieke massa (licht) en mechanische weerstand (sterk) . * Minder anisotropie . * Verbeterde dimensionale stabiliteit en vochtweerstand . * Verbeterde brandweerstand . * Verhoogde duurzaamheid . Voorbeelden van houtcomposieten zijn: * Gelamelleerd hout . * Multiplex . * MDF (Medium Density Fiberboard) . * OSB (Oriented Strand Board) . * Houtwolcementplaat . * CLT (Cross Laminated Timber) . ### 4.3 Beton als deeltjescomposiet Beton is een veelvoorkomende deeltjescomposiet waarbij zowel de matrix als de gedispergeerde fasen uit keramische materialen bestaan. Het is een materiaal dat bestaat uit een aggregaat van deeltjes die door een bindmiddel, cement, aan elkaar worden gebonden. Het is belangrijk om te onthouden dat "beton" niet hetzelfde is als "cement" . De twee bekendste betonsoorten zijn gebaseerd op portland- en asfaltcement, waarbij de aggregaten bestaan uit grind en zand. Asfaltbeton wordt hoofdzakelijk gebruikt als bestratingsmateriaal, terwijl portlandcementbeton dienst doet als constructiemateriaal . #### 4.3.1 Portlandcementbeton samenstelling en eigenschappen Portlandbeton bestaat uit portlandcement, fijn aggregaat (zand), grof aggregaat (grind) en water. De aggregaten dienen als vulmateriaal om de totale kostprijs te drukken, aangezien cement relatief duur is. Voor optimale sterkte en verwerkbaarheid is de juiste verhouding van de ingrediënten cruciaal. Een dichte pakking van de aggregaten en goed interfaciaal contact worden bereikt door het gebruik van deeltjes van verschillende afmetingen; de fijne zanddeeltjes vullen de lege ruimtes tussen het grind. Aggregaten vormen tussen de 60% en 80% van het betonvolume . Beton wordt beschouwd als een steenachtig composiet, maar soms ook als kunststeen, een keramisch materiaal. De aggregaten zijn zichtbaar in de cementmatrix . #### 4.3.2 Gewapend en vezelversterkt beton Om trekkrachten in beton op te vangen, wordt wapening toegevoegd . Vezelversterkt beton, versterkt met staalvezels, kunststofvezels, glasvezels, koolstofvezels of textiel, biedt verschillende voordelen : * Hogere treksterkte (buigsterkte) . * Minder scheurvorming, ook bij hardend beton . * Betere weerstand tegen slijtage . * Betere waterdichtheid door kleinere capillaire werking en lagere permeabiliteit . Voorbeelden van vezelversterkt materiaal zijn ook: * Glasvezelversterkt polyester . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Primaire binding | Sterke chemische bindingen die de atomen binnen een molecuul verbinden, ook wel intramoleculaire bindingen genoemd. Deze bindingen zijn essentieel voor de stabiliteit van het molecuul. | | Secundaire binding | Zwakkere verbindingen tussen moleculen, ook wel intermoleculaire bindingen genoemd. Deze omvatten bijvoorbeeld Van der Waalskrachten en waterstofbruggen, en beïnvloeden de fysieke eigenschappen zoals smelt- en kookpunt. | | Metaalbinding | Een type chemische binding kenmerkend voor metalen, waarbij valentie-elektronen een gemeenschappelijke 'elektronenzee' vormen die de positief geladen metaalionen bij elkaar houdt. Dit verklaart de geleidbaarheid en vervormbaarheid van metalen. | | Ionbinding | Een chemische binding die ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positief en negatief geladen ionen, typisch tussen atomen met een metaalachtig en een niet-metaalachtig karakter. Het bindende elektronenpaar wordt volledig overgedragen. | | Covalente binding | Een chemische binding waarbij twee niet-metaalatomen valentie-elektronenparen delen om een stabiele elektronenschil te bereiken. Deze binding kan enkelvoudig, dubbel of drievoudig zijn, afhankelijk van het aantal gedeelde elektronenparen. | | Polymeer | Een macromolecuul dat is opgebouwd uit een groot aantal zich herhalende structurele eenheden, genaamd monomeren. Polymeren vormen de basis van kunststoffen en natuurlijke materialen zoals rubber en cellulose. | | Monomeer | Een kleine, stabiele molecuul die als bouwsteen dient voor de vorming van een polymeer door middel van polymerisatie. Voorbeelden zijn ethyleen voor polyethyleen en styreen voor polystyreen. | | Additiepolymerisatie | Een proces waarbij monomeermoleculen zich achter elkaar koppelen zonder de vorming van bijproducten, waarbij de schakels in het polymeer dezelfde chemische samenstelling hebben als de monomeren. | | Condensatiepolymerisatie | Een polymeer vormingsreactie waarbij monomeermoleculen zich aan elkaar hechten en daarbij een klein molecule, zoals water, als bijproduct afsplitsen. De schakels in het polymeer hebben hierdoor een andere chemische samenstelling dan de uitgangsmonomeren. | | Thermoplast | Een type polymeer dat bij verhitting week wordt en kan worden vervormd, en weer hard wordt bij afkoeling; dit proces is reversibel. De structuur kan amorf of semi-kristallijn zijn. | | Thermoharder | Een polymeer dat na uitharding door verhitting permanent een rigide, driedimensionale netwerkstructuur vormt. Ze worden niet week bij verhitting en degraderen bij te hoge temperaturen in plaats van te smelten. | | Kristalliniteit | De mate waarin polymeerketens geordend zijn in een kristallijne structuur binnen het polymere materiaal. Hogere kristalliniteit verhoogt doorgaans de sterkte, stijfheid en chemische inertie, maar verlaagt de ductiliteit. | | Glastransitie (Tg) | De temperatuur waarbij de amorfe zones van een polymeer overgaan van een glasachtige, rigide toestand naar een meer flexibele, rubberachtige toestand door toegenomen moleculaire beweging. Dit is een belangrijke parameter voor het gebruikstemperatuurbereik van thermoplasten. | | Smeltpunt (Tmp) | De temperatuur waarbij de kristallijne zones van een semi-kristallijn polymeer smelten en overgaan in een visceuze vloeistof. Dit is een kenmerkend punt voor thermoplasten die kristallijne structuren bevatten. | | Elastomeer | Een rubberachtig polymeer dat bij kamertemperatuur boven de glastransitietemperatuur ligt en een zeer grote elastische vervormbaarheid vertoont. Ze kunnen ver uitgerekt worden en keren na belasting terug naar hun oorspronkelijke vorm. | | Vulkanisatie | Een chemisch proces, typisch toegepast op elastomeren zoals rubber, waarbij cross-links (dwarsverbindingen) tussen de polymeerketens worden gevormd, meestal door toevoeging van zwavel. Dit verhoogt de sterkte, stijfheid en duurzaamheid van het materiaal. | | Composiet | Een materiaal dat is samengesteld uit twee of meer identificeerbare fasen die elk hun eigen specifieke eigenschappen behouden. Deze fasen kunnen van verschillende aard zijn, zoals vezels in een matrix. | | Matrix | Het continue medium in een composietmateriaal waarin de versterkende elementen (zoals vezels of deeltjes) zijn ingebed. De matrix draagt de belasting over naar de versterking en beschermt deze. | | Vezelversterkte composiet | Een type composietmateriaal waarbij lange vezels worden ingebed in een matrix om de mechanische eigenschappen, zoals sterkte en stijfheid, aanzienlijk te verbeteren. Voorbeelden zijn glasvezelversterkt polyester. | | Hout | Een natuurlijk, organisch, cellulair vast materiaal dat als een composiet wordt beschouwd, bestaande uit cellulose, hemicellulose en lignine. Het vertoont anisotrope eigenschappen vanwege de georiënteerde structuur van de cellen. | | Beton | Een veelgebruikte deeltjescomposiet die bestaat uit een aggregaat (zoals grind en zand) gebonden door een cementmatrix met water. Het wordt voornamelijk gebruikt als constructiemateriaal en kan worden gewapend met staal of vezels. |