Na het veresteringsonderzoek aan de Universiteit van Artois richt Materia Nova zich op de tweede eigenschap waarop VALCELMAT zich richt: brandwerendheid. Het doel is om conventionele vlamvertragers te vervangen door volledig biobased additieven. Cellulose leent zich goed voor dit proces wanneer fosfor wordt toegevoegd, waardoor de thermische afbraak ervan wordt gestuurd in de richting van de vorming van een beschermende laag. Dit moet echter worden bereikt zonder gebruik te maken van chemicaliën in oplossing: conventionele methoden werken met organische oplosmiddelen, vaak met katalysatoren en langdurige verhitting, wat een negatieve impact heeft op het milieu van het proces.
Een mechanochemisch entingsproces
Vandaar de keuze voor mechanochemie, waarbij de reactie wordt geactiveerd door mechanische energie in plaats van een vloeibaar reactiemedium: microkristallijne cellulose wordt gedurende één uur bij kamertemperatuur en zonder oplosmiddel behandeld in een planetaire kogelmolen in aanwezigheid van fosforpentoxide (P₂O₅). Drie cellulose/P₂O₅-verhoudingen werden vergeleken.
Bij de hoogste overmaat aan P₂O₅ vertoont het materiaal een bijzonder gedrag: contact met een kleine hoeveelheid water veroorzaakt een exotherme reactie, uitzetting en verkleuring. Raman- en FTIR-analyses tonen een omzetting van cellulose naar een grafietstructuur aan – iets wat voorheen alleen boven 200 °C werd waargenomen. De entingsgraad bereikt 17,3% van de fosformassa, wat in het hogere bereik van de gepubliceerde waarden ligt, en het koolstofresidu bij 500 °C stijgt van 6% voor natieve cellulose naar 67%.
Figures reproduced from S. Dropsit et al., Polymer Degradation and Stability, 242 (2025) 111632, © Elsevier
Brandwerendheid en mechanische sterkte
Wanneer deze gefosforyleerde cellulose in een hoeveelheid van slechts 12,5% (massaprocent) aan polypropyleen wordt toegevoegd, verlaagt dit de piek-HRR (Heat Release Rate) op de kegelcalorimeter met 55% (410 kW·m⁻² vergeleken met 910 kW·m⁻² voor zuiver PP); de twee andere kwaliteiten, hoewel gevuld tot 30%, vertonen een reductie van maximaal 25%. Dit effect is te danken aan de combinatie van een hoog fosforgehalte, actief in de gecondenseerde fase, en de grafietstructuur die de verkoolde resten stabiliseert.
Figures reproduced from S. Dropsit et al., Polymer Degradation and Stability, 242 (2025) 111632, © Elsevier
De ductiliteit, die vaak verloren gaat door vlamvertragende vulstoffen, blijft hier behouden: de rek bij breuk bedraagt 35,5%, vergeleken met 2,8% voor een composiet gevuld met 30% ongemodificeerde cellulose. De lage schijnbare dichtheid en het verlaagde hydroxylgehalte van de gemodificeerde cellulose lijken de compatibiliteit met de polyolefine matrix te verbeteren.
Op weg naar een materiaal dat zowel waterafstotend als brandwerend is.
De twee onderdelen van het project zijn nu samengekomen. Gefosforyleerde cellulose, geproduceerd bij Materia Nova, is door middel van extrusie, met een massapercentage van 30%, verwerkt in cellulosevetzuuresters (FACE C12) die gesynthetiseerd zijn aan de Universiteit van Artois. De hydrofobe eigenschappen van deze esters werden in een eerdere nieuwsbrief beschreven. Het doel: de hydrofobiciteit die door verestering wordt verkregen, te combineren met de brandwerendheid die door fosforylering wordt geboden.
De eerste extrudaten zijn verkregen en hun brandwerendheid zal de komende weken worden geëvalueerd. Parallel daaraan worden de procesomstandigheden geoptimaliseerd voor opschaling.
