Scheikundigen maken duurzame coating uit groene grondstof

Scheikundigen van de RUG hebben samen met collega’s van AkzoNobel, de wereldleider op het terrein van coatings en verf, een nieuw proces ontwikkeld om biomassa om te zetten in een coating van hoge kwaliteit. Het proces werkt met alleen zichtbaar licht, zuurstof en UV-licht en combineert hernieuwbare grondstoffen met groene chemie. Deze aanpak kan op den duur grondstoffen uit aardolie, zoals acrylaat, vervangen door duurzame bouwstenen voor de productie van coatings, harsen en verf. Een artikel over het nieuwe proces is op 16 december gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Coatings zijn overal, van de verf op je huis tot het beschermende laagje op het scherm van je telefoon. Ze beschermen oppervlakken tegen krassen, weersinvloeden of slijtage. De meeste coatings bestaan uit polymeren, ketens van acrylaatmonomeren. De wereldwijde productie van die acrylaten bedraagt zo’n 3,5 miljoen ton per jaar, allemaal gemaakt uit aardolie.

Lignocellulose

Om meer duurzame coatings te maken gingen RUG-wetenschappers onder leiding van hoogleraar organische chemie Ben Feringa samenwerken met collega’s van coating- en verfproducent AkzoNobel. ‘We wilden lignocellulose gebruiken als basis’, zegt George Hermens, promovendus in de groep van Feringa en eerste auteur van het artikel in Science Advances. Lignocellulose is de meest voorkomende vorm van biomassa op aarde, ongeveer 20 tot 30 procent van de houtige delen van planten bestaat eruit. Maar vooralsnog wordt dit doorgaans verbrand in energiecentrales of gebruikt voor de productie van biobrandstof.

Geen afval

‘Je kunt lignocellulose met zuur kraken tot de chemische bouwsteen furfural, maar dat moet je dan vervolgens nog aanpassen om er coatings mee te maken’, legt Hermens uit. Hij gebruikte een proces dat de Groningse groep in de afgelopen decennia heeft ontwikkeld om furfural om te zetten in een verbinding met de naam hydroxybutenolide, die lijkt op acrylaat. ‘Voor de chemische omzetting zijn alleen licht, zuurstof en een simpele katalysator nodig. Ook ontstaat er geen afval. Het enige bijproduct is methylformaat, dat weer nuttig is als vervanger van chloorfluorkoolstof, de CFK’s, in andere processen.’

Reactiever maken

Een deel van de structuur van het hydroxybutenolide lijkt erg op acrylaat, maar omdat het deel van het hydroxybutenolidemolecuul dat sterk kan reageren aanwezig is in een ringstructuur, is het minder reactief dan acrylaat. ‘Dus onze uitdaging was om het molecuul verder aan te passen zodat er bruikbare polymeren mee te maken zijn.’ Dit gebeurde door verschillende groene of van bio-grondstoffen gemaakte alcoholen te koppelen aan het hydroxybutenolide. Zo ontstonden vier zogeheten alkoxybutenolidemonomeren.

Verschillende coatings

Deze monomeren zijn met behulp van een starterverbinding en UV-licht relatief gemakkelijk om te zetten in polymeren en coatings. ‘Coatings bestaan uit verknoopte netwerken van polymeerketens. Door verschillende monomeren te combineren konden we zulke netwerken maken met verschillende eigenschappen.’ Alle coatings hechtten bijvoorbeeld op glas, maar slechts een combinatie deed dat op plastic. En door stijvere monomeren te gebruiken ontstond er een hardere coating, met eigenschappen die lijken op de coatings die bij auto’s worden toegepast. Op die manier zijn de coatings af te stemmen op verschillende toepassingen.

Patent

‘Het is ons gelukt om coatings te maken van een duurzame grondstof, lignocellulose, via groene chemie’, besluit Hermens. ‘En de kwaliteit is vergelijkbaar met bestaande coatings op basis van acrylaat.’ Voor twee verschillende stappen in het proces is door AkzoNobel een patent aangevraagd. Hermens werkt inmiddels aan de productie van een andere bouwsteen die is afgeleid van furfural, om andere soorten coatings te kunnen maken.

Samenwerken

Het project is gestart vanuit het ARC CBBC (Advanced Research Center Chemical Building Blocks Consortium), een publiek-privaat nationaal onderzoekscentrum voor de ontwikkeling van duurzame chemie op basis van nieuwe chemische processen, en van nieuwe bouwstenen voor energiedragers, materialen en chemicaliën. Hermens’ begeleider Ben Feringa is een van de oprichters van dit centrum. Het ARC CBBC is een initiatief waarin industrie, kennisinstellingen en de overheid samenwerken. Er zijn drie universiteiten bij betrokken (Universiteit Utrecht, Rijksuniversiteit Groningen en TU Eindhoven) en daarnaast enkele grote industriële partners (AkzoNobel, Shell, Nouryon en BASF) en de ministeries van Onderwijs en Economische Zaken plus onderzoekfinancier NWO.

Feringa: ‘Het programma omvat alle stappen van fundamentele wetenschappelijke ontdekkingen tot de ontwikkeling van industriële processen en producten. Het is een samenwerking voor de lange termijn, waarin universiteiten en de chemische industrie samenwerken aan de groene chemie van de toekomst.’

Nadere informatie:

• Publicatie: Referentie: Johannes G. H. Hermens, Thomas Freese, Keimpe J. van den Berg, Rogier van Gemert and Ben L. Feringa: A coating from nature, Science Advances 16, december 2020. URL: https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abe0026

• Contact: George Hermens, j.g.h.hermens rug.nl, tel. 06 – 117 222 74.