Verf bestaat al duizenden jaren. En toch is er altijd ruimte voor verandering. Op dit moment zoeken wetenschappers en de industrie vooral naar nieuwe, milieuvriendelijke componenten. Maar chemie is als koken: je kunt niet opeens andere ingrediënten gebruiken en dan verwachten dat de textuur en de smaak van het gerecht hetzelfde is. Vooral als je niet weet op welke temperatuur het in de oven moet. Het vervangen van een component in een verf is alleen mogelijk als je begrijpt wat er gebeurt in het blik en op de muur.
Behalve als decoratie dient een verflaag als bescherming van materialen als hout, staal en beton tegen de weersomstandigheden. De verf op een raamkozijn bijvoorbeeld, beschermt het hout tegen de zon en regen. Die beschermende verfsoorten heten coatings. Ze vormen een fysieke barrière tussen een materiaal en de buitenlucht. Corrosie is een grote kostenpost in de industrie en infrastructuur. Uit onderzoek blijkt dat het in de Verenigde Staten gaat om zo’n 276 miljard dollar per jaar. Dat is ongeveer 3,1 procent van het Bruto Nationaal Product. En in Europa zal dat niet anders zijn. Toch is het vanzelfsprekend om staal met een laag verf te beschermen tegen roest. Denk maar aan je oude fiets.
Behoefte aan duurzaamheid
In de loop der tijd zijn coatings flink verbeterd op het gebied van kleur, droogtijd, hechting en andere eigenschappen. Maar de groeiende wereldbevolking, klimaatverandering en gebrek aan ruwe olie vereisen een verduurzaming van de chemische industrie. Ook de verfindustrie moet daarin meegaan. Binnen het ARC CBBC-consortium onderzoekt de Rijksuniversiteit Groningen samen met chemieconcern AkzoNobel manieren om bestaande verven een stap verder te brengen. Er zijn verschillende manieren om coatings duurzamer te maken. Door gebruik van bio-based materialen, water in plaats van oplosmiddel, milieuvriendelijke kleurstoffen en drogingsmiddelen. De zoektocht naar nieuwe drogers is de kern van mijn onderzoek.
Maar zoals eerder opgemerkt, je kunt niet zomaar de ene component vervangen door een duurzamere variant. Die gedraagt zich anders en verandert de eigenschappen van een coating. Om de belangrijkste eigenschappen van de huidige componenten te begrijpen, moeten we weten wat er op moleculair niveau gebeurt. Pas dan kunnen we gaan zoeken naar vervangers en testen hoe die de eigenschappen van een verf beïnvloeden.
Verbeteringen van verf
Eeuwenlang hebben schilders verven gebruikt met kleurstoffen op basis van lood, zoals het bekende lood-wit. Het doel was tweeledig: deze loodverf had een mooie witte kleur en droogde bovendien heel snel . Daardoor kon een schilder snel een nieuwe laag verf aanbrengen. Maar lood bleek giftig en het gebruik in verven en benzine werd wettelijk verboden. Voor die nieuwe loodvrije verf waren twee verschillende componenten nodig. Een kleurstof die even wit was, en een component die eenzelfde korte droogtijd garandeerde. Dit simpele voorbeeld laat zien dat het niet makkelijk is om een component te vervangen door een andere. Ze hebben verschillende eigenschappen.
In de jaren 50 kwam een nieuw materiaal op markt: vinylester. Gemengd met styreen vormt het een zeer effectieve coating, en beschermt staal tegen zuren zoals zwavelzuur, ruwe olie en zelfs bier. Het mengsel wordt niet aangebracht aan de buitenkant, maar aan de binnenkant van de grote zeecontainers in de havens. De droogtijd van die coating is belangrijk. Te kort en de coating is opgedroogd voordat het schilderwerk af is. Te lang en het duurt dagen voor een tweede laag kan worden aangebracht.
Mijn onderzoek is gericht op alternatieve drogingsmiddelen. Maar hier lopen we direct al tegen een probleem aan: we begrijpen nog niet goed wat de rol is van de huidige drogers. Er is al onderzoek gedaan naar andere middelen, maar die mislukten allemaal. De huidige drogers in coatings vormen in slechts een paar uur tijd een sterke, maar nog steeds flexibele laag. De nieuwe, alternatieve drogers leverden een coating van slechte kwaliteit. Kleverig, broos of met een slechte hechting op de ondergrond. De beste manier is dus om de rol van de huidige drogers te onderzoeken. En om de timing goed te krijgen.
Begrijpen wat er gebeurt
Dus hoe kijk ik naar drogende verf? Ik kan natuurlijk om de paar minuten naar een pas geverfde muur kijken als de coating nog plakkerig is. Maar dat kost veel tijd en is bovendien niet erg precies. Jouw perceptie van ‘droog’ is anders dan die van mij. Voor een meetbaar resultaat gebruik ik spectroscopie om naar de coating te kijken, en als chemicus doe ik dat op moleculair niveau.
Alle chemische verbindingen in een molecuul trillen. De energie die bij zo’n trilling vrijkomt, kun je kwantificeren. Dat betekent dat verschillende trillingen verschillende energieniveaus hebben. Gewoonlijk heeft een verbinding een laag energieniveau, maar onder invloed van licht verandert dat. Die overgang tussen het laagste energieniveau en een hoger niveau gebeurt bij dezelfde verbinding op hetzelfde moment. Dit is de vingerafdruk waarmee we een molecuul identificeren. Als een molecuul verandert, verandert ook zijn vingerafdruk. De snelheid en de omvang van die verandering vertelt iets over de eigenschappen ervan.
De toekomst kleur geven
Iedere verfsoort is een unieke mix van componenten, zoals polymeren, oplosmiddelen en drogers die de eigenschappen bepalen van de coating. Ze zijn speciaal ontwikkeld voor een bepaald doel in een bepaalde omgeving. Een andere component beïnvloedt direct de prestatie. Dus we kunnen niet een ingrediënt vervangen en vervolgens dezelfde prestaties verwachten. We moeten de hele samenstelling veranderen. Intuïtief weten we dat ook: een kipfilet en een biefstuk hebben een hele andere bereidingswijze. Een andere baktijd, een andere temperatuur, en vooral andere kruiden en specerijen.
Een echt duurzame coating moet zowel vriendelijk zijn voor mensen als voor milieu. De beste oplossing is daarom niet een verandering van de receptuur. We moeten zoeken naar een hele nieuwe en betere maaltijd.
De auteur wil prof. Wesley Browne (Rijksuniversiteit Groningen), prof. Ben Feringa (Rijksuniversiteit Groningen), Hugo den Besten (Rijksuniversiteit Groningen), Keimpe van den Berg (AkzoNobel) and Jitte Flapper (AkzoNobel) bedanken voor hun bijdragen.
Dit onderzoek maakt deel uit van het Advanced Research Center for Chemical Building Blocks, ARC CBBC. Dit wordt mede gefinancierd door NWO en het ministerie van Economische Zaken en Klimaat.
Fotocredits:
Hoofdfoto: Linda Eijsink in het lab. (Beeld: ARC CBBC)
