Coatings zijn overal. Een dun beschermend laagje, vaak nauwelijks zichtbaar. Ze houden vocht, zonlicht en roest op afstand en zorgen ervoor dat producten langer meegaan. Denk aan folie voor keukenkastjes, autocarrosserie, maar ook aan de buitenkant van een frisdrankblikje of chipszak.   

Wanneer ik Tommaso Frison spreek, valt zijn blik op mijn ongelakte nagels. Eigenlijk jammer, lacht hij. “Gelnagellak is hét perfecte voorbeeld om mijn promotieonderzoek uit te leggen.” 

Een korte manicureles volgt. Gelnagellak bestaat voornamelijk uit vloeibare bouwstenen, acrylaatmonomeren en -oligomeren, vertelt Frison. Deze kleine moleculen kunnen razendsnel een harde kunststof vormen wanneer je de lak onder een UV-lamp houdt.   

“Traditionele coatings bevatten oplosmiddelen die moeten verdampen om uit te harden. Stralingsuithardende coatings werken anders, daar zet energierijke straling een chemische reactie in gang die de coating razendsnel laat verharden.” 

Duobaan 

Vrijwel alle stralingshardende coatings worden met UV-straling uitgehard. Maar bij dikkere of complexe coatings dringt de UV-straling niet altijd diep en gelijkmatig genoeg door. Hoewel het industrieel nog beperkt wordt toegepast, kun je ook elektronenstraling (EB) gebruiken om een coating uit te harden. Deze technologie biedt volgens Frison grote voordelen. 

Zijn werkgever, technologie- en competentiecentrum Nemho Innovations, is in Nederland een van de belangrijkste pioniers op het gebied van EB-technologie. Om beter te begrijpen hoe coatings onder invloed van elektronen uitharden én hoe het proces verder kan worden geoptimaliseerd, combineerde Frison de afgelopen jaren zijn werk als polymeerchemicus met een parttime promotietraject aan de TU/e. Op donderdag 11 juni verdedigt hij zijn proefschrift aan de faculteit Chemical Engineering and Chemistry. 

“UV-coatingmachines zijn aanzienlijk minder duur dan EB-apparatuur. Dat is een van de belangrijkste redenen waarom UV-technologie nog altijd dominant is”, zegt Frison. “Toch kennen UV-coatings wel enkele kanttekeningen. Bij UV-uitharding heb je een chemisch opstartmiddel nodig, zogenoemde fotoinitiatoren, om de reactie op gang te brengen. Dat zijn vaak toxische toevoegingen, waardoor de coatings minder aantrekkelijk zijn voor tal van toepassingen, zoals voedselverpakkingen. Daarnaast is UV-licht ook niet geschikt voor het uitharden van hele dikke coatinglagen of coatings die pigmenten of vulstoffen bevatten.” 

Chemische kaart 

Aan de hand van een modelacrylaat onderzocht Frison stap voor stap wat er gebeurt wanneer een coating wordt blootgesteld aan een elektronenbundel. Die bundel ontstaat in een vacuümkamer rond een filament, een dun draadje zoals in een ouderwetse gloeilamp. 

"Wanneer je stroom door zo'n filament stuurt, komen elektronen vrij. Door een spanningsverschil aan te brengen, versnel je die elektronen tot een bundel. Het materiaal gaat vervolgens op een soort lopende band door die bundel heen en hardt vrijwel direct uit.”

Dat proces gaat ontzettend snel, veel sneller dan UV-uitharding, benadrukt Frison. “In de print- en verpakkingsindustrie kun je daardoor met deze technologie veel hogere productiesnelheden halen.” 

De gedetailleerde beschrijving van alle reacties in het modelacrylaat vormde volgens Frison een belangrijke basis voor verdere optimalisatie.  

“We konden precies zien welke molecuulverbindingen onder welke condities opgebouwd werden of juist braken. Op basis daarvan hebben we een analytische workflow ontwikkeld waarmee we EB-uitharding gerichter kunnen sturen en verbeteren.” 

Een van de belangrijkste conclusies uit zijn onderzoek is dat EB-coatings een gelijkmatigere en robuustere beschermlaag vormen dan conventionele UV-coatings. 

"Daardoor zijn ze beter bestand tegen weersinvloeden en chemische belasting. We denken echt dat deze duurzamere coatings de toekomst hebben.” 

Nieuwe materialen 

De fundamentele inzichten uit zijn onderzoek bleven niet beperkt tot het laboratorium. Ze vormden ook de basis voor de ontwikkeling van nieuwe materialen. De focus van zijn industriële PhD-traject lag daarmee toch net iets anders dan bij het ‘standaard’ promotietraject.  

"Mijn leidinggevende zei altijd: ik wil geen grafieken zien, maar producten", vertelt hij lachend. 

De zogenoemde ‘chemical map’ die uit zijn onderzoek voortkwam, gebruikte Frison als blauwdruk voor meerdere nieuwe coatings. Zo ontwikkelde hij coatings op basis van multiphase polymeermaterialen: combinaties van verschillende polymeren die samen betere eigenschappen hebben dan de afzonderlijke componenten. 

“Door acrylaten en epoxy’s in een juiste verhouding te mengen – die individueel geen hele sterke coating vormen – hebben we al meerdere nieuwe materialen kunnen maken die uitstekend presteren. Ook een nieuw type coating, gebaseerd op block copolymers, die nog sterkere oppervlakte-eigenschappen hebben. Zodat je keukenblad of labtafel nog beter beschermd is.”