Maak plaats voor Kevlar, een lichtere, sterkere variant is hier

Ultrastrong plasticpolymeren

Wanneer men ultra‑weerstandsmaterialen bestudeert, gaat het gesprek vaak over harde metalen, van gewoon ijzer tot meer exotisch titanium, wolfraam, of rhenium (volg de link voor een speciaal investeringsrapport voor elk).

Maar dit is niet de enige vorm van ultra‑sterk materiaal. Een andere optie is het gebruik van sterke polymeren, vooral voor toepassingen waarbij gewicht en flexibiliteit ook belangrijk zijn, niet alleen zuivere hardheid en een hoog smeltpunt.

Een dergelijk bekend materiaal is Kevlar. Het door DuPont (DD ) eigendom zijnde materiaal is het meest beroemd om zijn gebruik in kogelwerende vesten en wordt ook gebruikt voor touwen, industriële en noodbeschermingsapparatuur, de ruimtevaart, glasvezel en zelfs buitentoepassingen voor consumenten.

Bron: DuPont

Het geheim van Kevlar’s sterkte is een dicht netwerk van moleculaire bindingen op een strak 2D‑vlak, inclusief waterstofbindingen en vele aromatische ringen (zeshoeken van koolstof), enigszins vergelijkbaar met natuurlijke zijde, maar nog sterker.

Bron: Wikipedia

Er is echter geen natuurkundige regel die stelt dat Kevlar het sterkste polymeer is. Een nog sterker alternatief is ontdekt door onderzoekers van Duke University, Cornell University en Northwestern University.

Ze publiceerden hun resultaten in het prestigieuze tijdschrift Science onder de titel “Mechanically interlocked two-dimensional polymers”¹.

Een nieuw type polymeer‑kettingmail

Kevlar haalt zijn sterkte uit moleculaire bindingen in een 2D‑vlak. Maar over het algemeen hebben de sterkste materialen een complexere 3D‑structuur.

Bijvoorbeeld, een kettingmail als geheel is veel sterker dan de afzonderlijke ringen waaruit het bestaat. En dit is het ontwerp dat de onderzoekers probeerden na te bootsen, maar met polymeren en op moleculair niveau.

Het idee was om een ultradun mechanisch vergrendeld materiaal te creëren.

Bron: Northwestern University

Een nieuwe productiemethode uitvinden

Op zich is het idee van een vergrendelende binding niet nieuw, maar het is tot nu toe nooit betrouwbaar of op schaal geproduceerd. Het probleem was dat het creëren van deze mechanische (en niet chemische) vergrendeling zeer moeilijk was. De meeste materialen zouden het simpelweg niet doen.

De onderzoekers namen een nieuwe benadering door X‑vormige monomeren te gebruiken (een monomeer is het individuele bouwblok van polymeren). Elk monomeer werd vervolgens gerangschikt in een zeer geordende kristallijne structuur.

Vervolgens lieten ze het kristal reageren met een ander molecuul, waardoor bindingen binnen het kristal werden gecreëerd.

Het eindresultaat was een complexe structuur bestaande uit meerdere lagen 2D‑vergrendelde polymeervellen. Dit creëerde “draden” van X‑vormige monomeren die mechanisch met elkaar vergrendeld waren, maar niet chemisch gebonden. Deze mix van mechanisch vergrendelen en de mogelijkheid om ten opzichte van elkaar te bewegen maakte het materiaal verrassend flexibel.

“Het is vergelijkbaar met een kettingmail omdat het niet gemakkelijk scheurt, aangezien elke mechanische binding een beetje vrijheid heeft om te schuiven.

Als je eraan trekt, kan het de aangebrachte kracht in meerdere richtingen dissiperen. En als je het wilt verscheuren, moet je het op vele, vele verschillende plaatsen breken.”

William Dichtel, Professor of Chemistry at Northwestern University.

Recordprestaties & schaalbaarheid

Het nieuw uitgevonden materiaal vertoont tot wel 100 biljoen mechanische bindingen per 1 vierkante centimeter, de hoogste dichtheid van mechanische bindingen ooit bereikt in de materiaalkunde. Dit resultaat werd dubbel gecontroleerd met geavanceerde elektronenmicroscopietechnieken, die visueel de vergrendelingsstructuur bevestigden.

Om te testen hoe efficiënt dit nieuwe materiaal kan zijn, testten de onderzoekers de integratie ervan met een product uit dezelfde familie als Kevlar: Ultem (polyetherimide), gecommercialiseerd door het Saoedische petrochemische bedrijf Saudi petrochemical company SABIC.

Ultem is een plasticvezel met zeer sterke hitte‑ en chemische weerstand. Het wordt gebruikt in vele sectoren zoals medische apparaten, elektronica, automotive, de chemische industrie en de ruimtevaart. Het kan ook worden gebruikt in 3D‑printen (additieve) productie.

ULTEM behoort tot de weinige harsen die zijn goedgekeurd voor gebruik in de commerciële luchtvaartsector. Het overtreft vergelijkbare thermoplasten als het gaat om het weerstaan van kruip, de neiging van materialen om te vervormen en te degraderen onder herhaalde mechanische belasting.

Het houdt ook goed stand wanneer het in contact komt met verschillende brandstoffen, koelvloeistoffen en smeermiddelen. De vlamweerstand zorgt ervoor dat het voldoet aan FAA‑regulering 25.853 voor brandbaarheid.

Sybridge

Deze eerste test van een composietmateriaal van 97,5 % Ultemvezel en slechts 2,5 % van het nieuw uitgevonden 2D‑polymeer bleek radicaal sterker. Dit verhoogde de treksterkte van de Ultemvezel met 45 % en de weerstand tegen spanning met 22 %.

Een andere belangrijke factor voor de potentiële bruikbaarheid in de productie is dat het nieuwe materiaal in relatief grote hoeveelheden werd geproduceerd, zelfs in een experimentele laboratoriumomgeving. De onderzoekers maakten een halve kilogram van het nieuwe materiaal, een veel grotere hoeveelheid dan eerdere polymeren met mechanische bindingen.

De methode die ze ontwikkelden kan worden gebruikt voor massaproductie, aangezien de opeenvolgende stappen van het maken van een kristallijne structuur en vervolgens chemische bindingen geautomatiseerd en opgeschaald kunnen worden.

Wat volgt?

Het nieuwe materiaal is nog maar net begonnen te worden geanalyseerd door het onderzoeksteam.

Tot nu toe lijkt elke gemeten parameter erop te wijzen dat het polymeer buitengewoon sterk is, veel meer dan elk tot nu toe uitgevonden polymeer.

“We hebben nog veel meer analyses te doen, maar we kunnen zeggen dat het de sterkte van deze composietmaterialen verbetert. Bijna elke eigenschap die we hebben gemeten is op een of andere manier uitzonderlijk.”

William Dichtel, Professor of Chemistry at Northwestern University.

Het testen van dit materiaal gemengd in grotere hoeveelheden met Ultem, evenals andere geavanceerde vezels, zal waarschijnlijk een van de eerste tests zijn die worden uitgevoerd.

Pure vezels gemaakt ervan moeten ook worden getest en vergeleken met Kevlar en Ultem. De weerstand tegen realistische omstandigheden zal ook waardevol zijn om het commerciële potentieel van dit product volledig te evalueren.

Toepassingen

Deze ontdekking bouwt voort op de erfenis van de expertise van Northwestern University in moleculaire bindingen. Daar heeft Sir Fraser Stoddart moleculaire mechanische bindingen uitgevonden om moleculaire machines te creëren die schakelen, roteren, samentrekken en uitzetten op controleerbare manieren.

Sir Stoddart ontving de Nobelprijs voor Scheikunde in 2016 voor zijn ontdekking en was een mentor van William Ditchel toen hij postdoctoraal onderzoeker was, de hoofdwetenschapper achter de nieuwe “kettingmail” polymeerontdekking.

Ditchel beschouwt dat het nieuwe polymeer een groot potentieel heeft voor lichtgewicht lichaamspantser en ballistische stoffen. Het is ook waarschijnlijk dat het bruikbaar kan zijn voor andere toepassingen die momenteel Kevlar en/of Ultem gebruiken.

De extreme sterkte, flexibiliteit en lichtgewicht eigenschappen van het polymeer kunnen ook nieuwe toepassingen mogelijk maken waar huidige polymeren niet voldoende zijn. Bijvoorbeeld, het zou geïntegreerd kunnen worden in raketten, ruimtepakken, batterijen, enz.

Eén toepassing die echter onwaarschijnlijk is, is 3D‑printen, aangezien de additive productiemethode van gedeeltelijk smelten van het plastic om het zijn uiteindelijke vorm te geven waarschijnlijk de 3D‑mechanische bindingen van het polymeer zou verstoren.

Investeren in polymeren

De polymeer markt is enorm, met een waarde van ongeveer $792 miljard in 2024, en wordt verwacht te groeien met 5,4 % CAGR tot 2034 om $1,3 biljoen te bereiken.

Bron: Precedence Research

U kunt investeren in chemische bedrijven via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke bedrijven, kunt u ook kijken naar ETF’s zoals de iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) of de Vanguard Materials ETF (VAW) die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van de chemische industrie.

Polymeerbedrijf

DuPont

DuPont is een enorm chemisch bedrijf met veel belangrijke merkchemicaliën zoals bijvoorbeeld Kevlar, Styrofoam, Nomex (vuurbescherming), Great Stuff (bouwlijm), enz.

DuPont is een oude onderneming met een complexe geschiedenis van overnames, en recentelijk een reeks afsplitsingen.

Bron: DuPont

Deze afsplitsingen hebben van DuPont de afdelingen voeding & bioscience gedeeltelijk verkocht aan Corteva Biosciences (CTVA ), titaniumproducten die de Chemours Company vormen (CC ), en mobiliteit & materiaal.

Het zal zich ook scheiden van zijn elektronische chemicaliënbusiness in november 2025, maar het watersegment (membranen en filters voor waterzuivering en ontzilting) behouden, in tegenstelling tot eerdere plannen.

Bron: DuPont

Dit zal DuPont een veel meer gefocust bedrijf achterlaten, met een kernactiviteit in geavanceerde polymeren voor waterzuivering & beschermingsapparatuur, evenals geavanceerde materialen voor de ruimtevaart, gezondheidszorg en elektrische voertuigen.

Bron: DuPont

DuPont is een echt internationaal bedrijf, met een grote vraag naar specialty chemicals in waterzuivering en industriële productie.

De sectoren die door DuPont‑chemicaliën worden bediend zijn ook zeer divers, waaronder bouw, waterzuivering, elektronische industrie, automotive, ruimtevaart, gezondheidszorg, groene energie en industriële productie.

Bron: DuPont

De sterke aanwezigheid van DuPont in beschermende uitrusting en de gevestigde positie met het Kevlar‑merk zou het moeten helpen zich aan te passen aan de opkomende nieuwe ultra‑sterke polymeervezel zoals besproken in dit artikel. Het is zelfs waarschijnlijk dat het dergelijke nieuwe materialen in zijn Kevlar‑lijn kan integreren door hybride vezels te creëren die beide bevatten.

In elk geval, naarmate nieuwe technologieën groeien, evenals het waterverbruik, groeit ook de vraag naar de geavanceerde chemicaliën die door DuPont worden geproduceerd.

Studieverwijzing:

^{1. Madison I. Bardot et al. (2025) Mechanically interlocked two-dimensional polymers.Science387,264-269. DOI:10.1126/science.ads4968}