Kunstharsen zijn heel belangrijke intermediaire grondstoffen in de industrie, van de fabricage van coatings en composietmaterialen tot isolatieschuim en harde kunststoffen. Vandaag worden harsen nog voornamelijk uit aardoliederivaten gemaakt. Als onderdeel van haar ambitieus onderzoeksprogramma rond biopolymeren wil VITO de fossiele basiscomponenten van epoxy- en fenolhars vervangen door lignine, een biochemische verbinding die kan worden gehaald uit groene neven- en afvalstromen. Dat verkleint niet alleen de klimaat- en milieu-impact van de harsen, maar maakt ze ook minder toxisch.
Lignine is een van de meest voorkomende organische materialen op aarde en de meest overvloedige natuurlijke bron van fenolverbindingen. Het wordt massaal geproduceerd als nevenstroom van bijvoorbeeld de fabricage van houtpulp en papier. Het grootste gedeelte van die lignine wordt momenteel verbrand, waardoor het materiaal enkel energetisch wordt gevaloriseerd.
Dat is jammer, want als zogeheten bio-aromaat heeft lignine veel meer potentieel. Ze kan in de chemische industrie heel wat aromaten van fossiele oorsprong vervangen, zoals de basischemicaliën fenol en bisfenol A, die onder meer in kunstharsen zitten. En die laatste zijn dan weer intermediaire grondstoffen die een breed scala aan toepassingen hebben, in diverse sectoren gaande van de bouw over mobiliteit en transport tot de kunststoffenindustrie.
Ambitieus biopolymeerteam
VITO is al jaren actief in het onderzoek naar het gebruik van lignine als basisgrondstof voor chemicaliën. Ze focust daarbij onder meer op de productie van biogebaseerde kunstharsen, en wel van twee soorten: epoxyhars en fenolhars. Zo wordt niet alleen de duurzaamheid van deze materialen verhoogd, maar worden de harsen ook onderdeel van een bredere circulaire waardeketen. De lignine is immers afkomstig uit neven- en afvalstromen. Bovendien is het ook onze ambitie om de recycleerbaarheid van deze kunstharsen te verhogen.
Het lignineonderzoek gebeurt door een ambitieus team van biopolymeer experten binnen de onderzoeksgroep SPOT (Sustainable POlymer Technologies). Het VITO-team werkt daarbij nauw samen met de industrie, waarbij bovendien ook andere biogebaseerde nevenstromen dan lignine worden bestudeerd, zoals hemicellulose. Daarnaast behoort VITO ook tot de kern van Biorizon, het Belgisch-Nederlandse onderzoeksconsortium dat een relevante productie van bio-aromaten uit lignine beoogt op industriële schaal – om zo te komen tot een duurzame en rendabele ‘groene’ chemische industrie. Kleine bio-aromaten zullen uit lignine geproduceerd worden in de LignoValue Pilot, een VITO-pilootinstallatie in opbouw die tegen begin 2022 operationeel zal zijn.
Bij epoxyhars komt het erop aan bisfenol A te vervangen, een chemische stof die de laatste jaren in een slecht daglicht is gekomen door de toxische effecten op het leefmilieu en op de menselijke gezondheid (de stof verstoort bijvoorbeeld de hormoonbalans). Twee jaar geleden ontwikkelde VITO een inmiddels gepatenteerde methode om epoxyhars volledig biogebaseerd te maken op basis van lignine en verzadigde vetzuren. ‘Lignine en lignine-olie zijn dus zeer goede kandidaten om bisfenol A op termijn uit te faseren’, zegt Jaime Gracia Vitoria van VITO.
Dit jaar werden ook twee nieuwe Europese projecten rond epoxyhars opgestart, en bij beide is het SPOT team van VITO betrokken. ‘Jaarlijks wordt in Europa zo’n 320 000 ton epoxyhars geproduceerd’, zegt Gracia Vitoria. ‘Het introduceren van biogebaseerde grondstoffen heeft hier dus een aanzienlijk effect, ook al door de brede waaier van toepassingen van epoxyhars.’ Een van de projecten is BBI LigniCoat, waarin wordt gefocust op het gebruik van epoxyhars in coatings voor metalen. Daarbij komt het erop aan de grote ligninemoleculen eerst in kleinere stukjes te knippen (depolymerisatie), waarna deze kleinere aromaten weer kunnen worden gebruikt in de syntheseprocessen voor harsen. ‘Om specifiek deze depolymerisatie te onderzoeken en te verbeteren wordt binnenkort een kleine reactor geïnstalleerd in ons lab op VITO.’ In nog een ander project werkt VITO samen met verschillende bedrijven aan de vervanging van bisfenol A door lignine-olie in epoxyhars voor composietmaterialen, meer bepaald voor auto-onderdelen. ‘Met deze laatste twee projecten treden we echt uit het lab. We zetten een belangrijke stap in de richting van economisch rendabele biogebaseerde alternatieven voor bisfenol A in epoxyhars.’
Demonstratiefase
Het andere kunsthars waarop VITO sterk inzet, is fenolhars. Deze vinden we terug in een brede waaier van toepassingen zoals isolatieschuim, bouwmaterialen, auto-onderdelen en lijmen. Het doel is om fenol – een chemische basisstof van fossiele oorsprong – deels te vervangen in het fenolhars door lignine. Het VITO-biopolymeerteam werkt daarvoor samen met industriële partners zoals INEOS, SBHPP en KINGSPAN en andere kennisinstellingen (UGent – INCAT-onderzoeksgroep) in het kader van het BIORESAL-project, dat wordt ondersteund door VLAIO en onder de vleugels van Catalisti zit (de Vlaamse speerpuntcluster voor innovaties rond duurzame chemie). ‘We ambiëren om minstens 20 procent van het fossiele fenol te ververvangen door lignine’, zegt Gracia Vitoria. Weer focussen de VITO-onderzoekers daarbij vooral op het selecteren van lignine uit neven- en afvalstromen, en op de chemische modificaties die nodig zijn om de bio-aromaten opnieuw samen te stellen tot lange harspolymeren.
Het gebruik van deze bio-gebaseerde fenolharsen zal getest en geëvalueerd worden in industriële isolatieschuimtoepassingen en in de productie van perspoeders. Gracia Vitoria: ‘Met BIORESAL willen we momenteel opschalen naar een productieproef van op lignine gebaseerde fenolhars a rato van een ton.’
Een derde type hars waarnaar VITO onderzoek doet, is kunsthars gebaseerd op acrylvezels. Hierin zijn de onderzoekers nog op zoek naar mogelijke toepassingen, en naar eventuele partners om mee samen te werken.
Ook in het onderzoek naar epoxy- en fenolhars zijn nieuwe partners welkom. Daarnaast kunnen bedrijven en organisaties altijd aankloppen bij VITO voor vragen of suggesties rond lignine en specifiek ook rond de verduurzaming van kunstharsen.
In het brede onderzoekslandschap rond lignine speelt VITO intussen de rol van spin in het web. Haar onderzoekers hebben een uitstekende blik op de bronnen en de beschikbaarheid van het bio-organische materiaal. En ook de eigenschappen van deze wonderlijke uitvinding van de natuur, en hoe die zich vertalen in specifieke toepassingen, hebben nog weinig geheimen voor hen. Ten slotte bestuderen de VITO-onderzoekers ook hoe toepassingen zoveel mogelijk kunnen worden gerecycleerd.
Meer info
jaime.graciavitoria@vito.be