Titel Promotor Affiliaties "Korte inhoud" "Optimalisatie van de morfologie en stabiliteit van low bandgap copolymeer: PCBM blends" "Wouter MAES" "Organische en Bio-polymere Chemie" "In het onderzoek naar organische zonnecellen is de laatste jaren een zodanige vooruitgang geboekt dat de historische mijlpaal van 10% efficiëntie, noodzakelijk om commercialisering toe te laten, momenteel binnen handbereik ligt. Toch dienen er nog enkele belangrijke uitdagingen aangepakt te worden. Enkele van de belangrijkste topics hierbij zijn ongetwijfeld de controle van de morfologie van de actieve donor:acceptor menglaag en de stabilisatie van de optimale morfologie om snelle degradatie van de zonnecelkarakteristieken te vermijden. In dit project wordt getracht hiervoor een oplossing te ontwikkelen door de relatie te onderzoeken tussen de inbouw van specifieke functionele groepen op een nieuwe generatie low bandgap donorpolymeren (PCPDTBT) en de morfologie van de actieve laag." "Fase-gescheiden morfologie en resulterende elektrische eigenschappen van PαMSAN / PMMA blends zonder en met koolstof nanotubes: compatibilisatie als een gereedschap" "Paula Moldenaers" "Afdeling Soft Matter Reologie en Technologie" "De vraag naar flexibele geleidende polymeermaterialen neemt toe in toepassingen zoals EMI afscherming en supercondensatoren. In dit perspectief, onmengbare mengsels die geleidende nanodeeltjes bieden enorme mogelijkheden om af te stemmen elektrische eigenschappen door het afstemmen van hun tweefasige morfologie gecombineerd met selectieve deeltje lokalisatie. Het onderzoek richt zich op het ontrafelen van de betrekkingen tussen de microstructuur van polymeermengsels en de resulterende diëlektrische eigenschappen. In het bijzonder copolymeren met geschikte fysieke kenmerken werden gebruikt om te verfijnen en te stabiliseren de cocontinuous morfologie van tweefasige polymeermengsels die koolstof nanobuisjes. Deze verdere toegestaan om gelijktijdig ontwikkelen van een gepercoleerde koolstof nanobuis netwerk en een microcapacitor netwerk van koolstof nanobuisjes met ingesloten diëlektrische polymeerketens. Daardoor werden een stijging van tientallen jaren van grootte van de elektrische geleidbaarheid en de diëlektrische capacitantie grensvlak van de mengsels respectievelijk bereikt. " "RADESOL - RAtional DEsign of blends for bulk heterojunction SOLar cells (Rationeel ontwerp van mengsels voor bulk heterojunctie zonnecellen)" "Dirk Vanderzande, Bruno Van Mele" "Hasselt University, Materialen & chemie, Fysische Scheikunde en Polymeren" "Het hoofddoel van het project is nanomorfologische formatie op moleculair niveau te ontrafelen en het effect ervan op de prestaties van het apparaat voorbij de state-of-the-art door een geïntegreerde experimentele inspanning en een unieke combinatie van apparatuur en expertises, gericht op de studie van mengsels via geavanceerde thermische analyse, solid-state NMR en röntgendiffractie en ptychografie 3D-beeldvormingstechnieken, gecombineerd met analyse van de opto-elektronische kenmerken in fotovoltaïsche apparaten." "Ontwikkeling van polyolefines en blends voor extrusie gebaseerde 3D Printing" "Ludwig Cardon" "Vakgroep Materialen, Textiel en Chemische Proceskunde, Vakgroep Toegepaste Materiaalwetenschappen, University of Leoben" "In dit doctoraat wordt onderzoek verricht naar inzetbaarheid van polyolefines in extrusie-gebaseerde additive Manufactruring. Aangezien deze polymeren vanwege hun hoge kristalliniteit meestal een hoge krimp vertonen, zullen op maat gemaakte polymeren via smelt-compounding worden geproduceerd, gebruikmakend van bepaalde vulmiddelen die de kristallisatiegraad verminderen. Daarnaast worden verschillende methoden onderzocht hoe de eigenschappen van de vervaardigde onderdelen verbeterd kunnen worden." "Fullereen-vrije bulk heterojunctie blends voor organische elektronica" "Wouter MAES" "Materiaalchemie, Organische en Bio-polymere Chemie" "Organische halfgeleiders zijn de afgelopen decennia erg populair wegens hun potentieel om de elektronische eigenschappen van halfgeleidende materialen te combineren met de mechanische en chemische veelzijdigheid van organische verbindingen. Als dusdanig zijn ze toegepast in verschillende elektronische devices. In het domein van de organische zonnecellen (OPVs) heeft de bulk heterojunctie (BHJ) fotoactieve laag haar waarde al ruimschoots bewezen en zonnecelefficiënties boven de 11% zijn reeds gerapporteerd. Moderne organische fotodetectoren (OPDs) bevatten dezelfde donor:acceptor BHJ. Fullerenen zijn voor een lange tijd de dominerende acceptormaterialen geweest in beide types van devices. Recente doorbraken hebben echter gezorgd voor een duidelijke verschuiving naar alternatieve niet-fullereensystemen, met grote voordelen wat betreft kost, afstembaarheid, absorptiviteit en stabiliteit. Ondanks de indrukwekkende vooruitgang in efficiëntie is er echter nog maar weinig fundamentele kennis van de relaties tussen structuur, BHJ morfologie en device-eigenschappen voor de nieuwe 'fullereen-vrije' blends. Vandaar dat dit project een verbeterd fundamenteel inzicht beoogt van de invloed van de moleculaire structuur van nieuwe acceptormoleculen op de morfologie van de BHJ actieve laag met het oog op betere prestaties van zowel OPVs als OPDs. Daartoe worden een aantal complementaire analysetechnieken aangewend. De (thermische) stabiliteit van de nieuwe blends wordt eveneens onderzocht." "Het ontwikkelen en toepassen van polymer membranen voor het scheiden van CO2" "Bart Van der Bruggen" "Afdeling Procestechnologie voor Duurzame Systemen" "Voor het ontwerpen van membranen voor selectieve afscheiding van CO2 uit N2, werd gebruik gemaakt van enerzijds twee commerciële, hoogperformante polyimide polymeren, Extem en U-Varnish, en anderzijds van een ultraperformant polyamide-imide polymeer, Rhodeftal. De fasescheiding van zowel Extem/water/solvent systemen voor verschillende solventen als Extem/NMP/niet-solvent systemen voor verschillende coaguleermiddelen werden onderzocht. Op basis van cloud point gegevens konden er ternaire fasediagrammen opgesteld worden. N‑methyl-2-pyrrolidon (NMP), dimethylaceetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF) en dimethylsulfoxide (DMSO) werden gebruikt als solvent, terwijl water als coaguleermiddel gebruikt werd. De membranen die bereid werden vanuit de Extem/solvent/water systemen (behalve Extem/DMSO/water) vertoonden poriën met een vingerstructuur in de sublaag. Het Extem/DMSO/water systeem daarentegen had verrassend een sponsachtige structuur. In het Extem/NMP/niet-solvent systeem werden water, methanol en glycerol gebruikt als coaguleermiddel, NMP werd gebruikt als solvent. Een dikke, dense laag bovenop een macroporeuze onderlaag werd verkregen wanneer methanol als coagulant gebruikt werd, dit in tegenstelling tot het Extem/NMP/glycerol systeem, waarvoor een volledig sponsachtige structuur waargenomen werd, omhuld door een microporeuze oppervlaktelaag. Om de oorzaak van deze onverwachte waarnemingen te onderzoeken, werden verschillende parameters die een effect kunnen hebben op de membraanmorfologie onderzocht, waaronder de binaire interacties tussen solvent/niet-solvent, de mengenthalpie, de viscositeit en de diffusiesnelheid. De snelheid van het solventuitwisselingsproces voor het Extem/DMSO/water systeem lag lager wanneer men deze vergelijkt met de andere systemen, en dit wegens een hogere viscositeit van de casting solution en wegens een lagere diffusiesnelheid. Hierdoor werd uitgestelde ontmenging waargenomen.De performantie van de geselecteerde polymeren op vlak van weekmaking werd onderzocht door de permeabiliteit van zuiver CO2 op te meten bij 35 °C en bij drukken tot 20 bar. De resultaten toonden aan dat Rhodeftal, ten opzichte van de andere polymeren, de minste effecten van weekmaking vertoonde. Dit kon verklaard worden door de sterke intramoleculaire krachten tussen naburige ketensegmenten van dit polyamide-imide polymeer. Om het weekmakingsfenomeen beter te begrijpen, werd de sorptie van CO2 in de geselecteerde polymeren berekend aan de hand van een mathematisch model, dat gebaseerd is op statistische analyse. De performantie van de geselecteerde polymeren op het gebied van gasscheiding werd verbeterd, door deze te blenden met commerciële polymeren, zoals Matrimid en Torlon. De mengbaarheid, de intermoleculaire interacties, de thermische stabiliteit en de kristalliniteit (d-spacing) van de membraanblends werden onderzocht gebruikmakende van onder andere DSC, FTIR en XRD. De karakterisatieresultaten toonden aan dat zowel Extem/Torlon als Extem/Matrimid onmengbare systemen zijn bij elke bestudeerde compositie. Dit is in tegenstelling tot Extem/U-Varnish en Matrimid/Rhodeftal, waarvoor mengbare polymeerblends verkregen werden. Het scheidingsvermogen van de membranen, die samengesteld waren uit deze blends, werd bestudeerd voor een gasmengsel dat bestond uit 15% vol. CO2 (aangevuld met N2). Voor systemen met partieel mengbare blends lag de selectiviteit significant hoger, terwijl de permeabiliteit afnam. In het geval van mengbare blends werd -zoals verwacht- vastgesteld dat de waarden voor permeabiliteit en selectiviteit binnen het bereik lagen van de waarden voor de zuivere polymeren.Tenslotte werd HSP gebruikt om de mengbaarheid van twee polymeren te bestuderen, op basis van polymeer-polymeer interactie. Daarnaast werd dit ook gebruikt om een geschikt solvent voor beide polymeren te vinden. Uiteindelijk bleek dat men vanuit de berekeningen van de HSP, gebaseerd op individuele oplosbaarheidsparameters, de mengbaarheid van twee polymeren beter kan voorspellen dan vanuit de totale oplosbaarheidsparameter; de totale oplosbaarheidsparameter bleek immers niet in staat te zijn de mengbaarheid van polymeren te voorspellen. DMF werd gebruikt bij de bereiding van de blendoplossingen, aangezien het de grootste affiniteit vertoonde voor alle bestudeerde blendpolymeren." "Reologie en morfologie-ontwikkeling in geconcentreerde blends: van bulk tot begrensde condities." "Paula Moldenaers" "Afdeling Soft Matter Reologie en Technologie" "Veel frequent gebruikte producten zoals cosmetica, poetsproducten, voedingsmiddelen, gesmolten polymeren etc. zijn zeer complexe systemen die bestaan uit gestructureerde twee- of meerfasige mengsels van onmengbare vloeistoffen, zogenaamde emulsies en polymere blends. De eigenschappen van onmengbare polymere blends en emulsies zijn niet enkel afhankelijk van de eigenschappen van de componenten, maar ook van de fazemorfologie. Een goed begrip van het verband tussen de stromingscondities tijdens verwerking, stromingsgeïnduceerde microstructuur en reologie is dus onontbeerlijk voor het optimaliseren van de producteigenschappen, voornamelijk in het geval van geconcentreerde blends. Het doel van dit project is om een fundamenteel inzicht te verwerven in de morfologie-ontwikkeling en de reologie van geconcentreerde blends in bulk en begrensde afschuifstroming. Er zal een optische setup worden ontwikkeld voor de visualisatie van druppeldynamica in geconcentreerde blends. Bovendien zal een recent ontwikkelde microgap reometer gebruikt worden om de reologie van de blend te onderzoeken zowel in onbegrensde als begrensde condities. Fenomenologische modellen voor de dynamica van geïsoleerde druppels zullen uitgebreid worden om de interacties tussen meerdere druppels in rekening te brengen. De nieuw ontwikkelde modellen zullen vervolgens gebruikt worden om microstructurele reologische modellen op te stellen voor geconcentreerde blends in bulk en begrensde stromingen." "Engineering van zachte materie met (bio)polymeren: ontwikkeling van multifasische polymere materialen met diverse elektrische functionaliteiten met behulp van flow-geïnduceerde microstructuur-engineering." "Ruth Cardinaels" "Soft Matter, Reologie en Technologie (SMaRT)" "Vanwege de toenemende vraag van consumenten, verbeterde functionaliteit en miniaturisatie van veel apparaten, worden materiaaleisen steeds strenger en zijn er meerdere eigenschappen nodig binnen één materiaal. Polymeren hebben aanzienlijke voordelen in vergelijking met andere materialen, b.v. ze zijn licht, flexibel, gemakkelijk te verwerken en corrosiebestendig. De meeste polymeren zijn echter elektrische isolatoren en hebben geen elektrische of magnetische functionaliteit. Door nanodeeltjes te introduceren met elektrische en magnetische eigenschappen en het gebruik van multifasische microstructuren om de deeltjesverdeling aan te passen, zullen polymere materialen met verschillende functionaliteiten worden ontwikkeld. Voorbeelden zijn materialen die het mogelijk maken om elektrische energie te oogsten uit mechanische beweging of materialen die afscherming bieden van elektromagnetische golven. Als alternatief voor traditionele polymere nanocomposieten, zal het potentieel van biogebaseerde polymeren en geleidende nanodeeltjes onderzocht worden. " "Plast-i-com:  Efficiënt herinzetten van gecontamineerdepolymeren en polymeerblends door compatibilisatie en stabilisatie" "Isabel De Schrijver" "R&D Plastic Characterization, Processing & Recycling" "  DoelstellingenEen van de grootste uitdagingen van de industrie is om op een duurzame manier te produceren. Dientengevolge wordt het verminderen, hergebruiken en upgraden van afval steeds belangrijker. Bovendien dringen de stijgende grondstofprijzen de industrie aan om te bezuinigen op grondstoffen en energie.Sommige bedrijven hebben al ervaring met het intern recycleren van eigen productie-afvel zonder verlies van de mechanische eigenschappen. Het wordt echter moeilijker wanneer  het recyclaatmateriaal niet zuiver is en gecontamineerd met andere polymeerstromen. In dit geval vertonen de recyclaten vaak slechte mechanische eigenschappen, aangezien de meeste polymeren niet compatibel zijn en het bijgevolg moeilijk is een homogene verdeling van één polymeer in een andere polymeermatrix te bekomen. In andere gevallen kan de aanwezigheid van een ander polymeer leiden tot degradatie bij verwerking op te hoge temperaturen. Detectie van onzuiverheden, sorteren en scheiden van verschillende polymeren maakt het recyclageproces kosteneffectiever.Vanwege de onbevredigende kwaliteit van gemengde recyclaten, worden ze gerecycled tot minder waardevolle producten (downgrade) of helemaal niet gerecycled. In het laatste geval wordt afval bijvoorbeeld op de stortplaats gestort of verbrand met of zelfs zonder energieterugwinning.Een route om de verwerkbaarheid en kwaliteit te verbeteren wordt geboden door de zogenaamde ""compatibilisatie"". Polymeermengsels kunnen verenigbaar worden gemaakt door een interfase te creëren die in wisselwerking staat met beide polymeerfasen. Meestal worden copolymeer compatibilisatoren of zelfs reactieve compatibilisers voorgesteld. Hoewel deze principes al decennia bekend zijn, wordt compatibilisatie nauwelijks toegepast op industriële schaal en zeker niet bij de verwerking van gerecyclede polymeren.Uitgevoerde activiteiten en resultatenKijkend naar plastic afval zijn veel stromen van polymeren niet mengbaar  of zogenaamd niet-compatibel. Binnen het project Plast-com werd nagegaan of bepaalde additieven, genaamd compatibilisatoren, kunnen worden gebruikt om niet-bruikbaar, 'ready-to burn' kunststofafstromen om te zetten in meer waardevolle gerecycleerde materialen. Deze evaluatie werd benaderd vanuit drie verschillende invalshoeken. Ten eerste werd deefficiëntie van de additieven voor de studie van mengsels voorspelt. Hiertoe werd gewerkt met de  oplosbaarheidsparameters voor de verschillende polymeren van belang, gebaseerd op de Hoftyzer-Van Krevelen-methode. Ten tweede werd experimenteel werk verricht om de prestaties van de additieven in verschillende polymeermengsels te evalueren. Verwerkingstechnieken zoals spuitgieten en textielextrusie werden gebruikt om de gewenste testmonsters te produceren. Tenslotte werden in een derde stap numerieke simulaties van het polymeer uitgevoerd door verwerking van (niet-) verenigbaar gemaakte mengsels, ofwel bij spuitgieten of extrusie.Op basis van het belang van de bedrijven aanwezig in het consortium werden mengsels geselecteerd voor de beoordeling: polyolefine (PO) blends, PET en PA verontreinigde PO blends, PMMA-gebaseerde blends, evenals andere meer niche blends.Voor het polyolefinemengsels, bleek dat ethyleencopolymeren het effectiefst waren om de mechanische eigenschappen te verbeteren, terwijl voor de PET en PA-gebaseerde mengsels reactieve compatibilisers zoals glycidyl methacrylaat (GMA) en maleïnezuur anhydride- (MAH) gebaseerd erg succesvol bleken te zijn. Voor PE/PA-mengsels resulteerde de PA-verontreiniging bijvoorbeeld in een 4 keer lagere slagsterkte in vergelijking met zuiver PE-materiaal. MAH-gebaseerde compatibilizers zouden de impactsterkte kunnen verhogen met 200% vergeleken met de niet-compatibiliseerde mengsels. Dit werd ook voorspeld door de chemische modellen. Chemische modellering heeft ook aangetoond dat voor de PP/PET-mengsels de meest geschikte compatibilisatorkandidaat nog niet op de markt beschikbaar is. In het algemeen kan worden geconcludeerd dat compatibilisers een positief effect hebben op de rek en slagsterkte-eigenschappen van de mengsels, evenals op de morfologische verspreiding van de verontreiniging in de polymere matrixfase. De stijfheid wordt echter negatief beïnvloed. In een poging om de stijfheidsverliezen te herstellen, werd het nucleëringsmiddel geëvalueerd, maar ze leken alleen effectief in het geval van virgin blends.Er moet ook worden benadrukt dat het bronmateriaal (virgin, postindustrieel versus post-consumer) een significante invloed heeft op het uiteindelijke succes van de compatibilisatie. Naast de mechanische en morfologische eigenschappen, kunnen compatibilisatoren ook bijdragen aan de esthetische prestatie van het polymeermengselNaast het evalueren van het prestatieniveau van een eindproduct, werd ook de invloed op de viscositeit bestudeerd. In het huidige project werd een studie uitgevoerd teneinde het viscositeitsgedrag en de geschiktheid voor spuitgiettoepassingen te evalueren." "De effecten van deeltjes op de dynamica van druppels in afschuifstroming" "Paula Moldenaers" "Soft Matter, Reologie en Technologie (SMaRT)" "Het mengen van verschillende polymeren is een veel gebruikte techniek om nieuwe polymere materialen te creëren die de eigenschappen van hun afzonderlijke componenten combineren. Polymere blends zijn twee- of meerfasige materialen waarvan de eigenschappen niet enkel afhankelijk zijn van de verschillende types polymeren en hun concentratie, maar ook van de microstructuur of morfologie van de blend. Deze microstructuur wordt gevormd tijdens de verwerking van de materialen waarbij ze onderhevig zijn aan een complex stromingsprofiel. Het is daarom zeer belangrijk om de relatie tussen de aangelegde stroming en de structuurontwikkeling in polymere blends te begrijpen. Als er (nano)deeltjes worden toegevoegd aan de interfase of in de bulkfase, opent dit nieuwe mogelijkheden om de eigenschappen van polymere blends te manipuleren. Vaste deeltjes worden daarom soms toegevoegd aan polymere blends om de eigenschappen te verbeteren of een extra functionaliteit toe te voegen. De structuurontwikkeling van blends kan zeer sterk beïnvloedt worden door de aanwezigheid van deze vast deeltjes. Dit kan bestudeerd worden met optische microscopie, bijvoorbeeld in een contraroterende cel. Het begrijpen en genereren van geconcentreerde blends met gecontroleerde interfasekarakteristieken vormt een grote uitdaging. Daarenboven, kan een gestructureerde matrix of druppelfase een extra vrijheidsgraad bieden voor het creëren en ontwikkelen van een bepaalde microstructuur. Maar het effect van deeltjes op de structuurontwikkeling van polymere blends is nog niet volledig gekend. Dit werk onderzoekt daarom het effect van deeltjes op de structuurontwikkeling van polymere blends door middel van een fundamentele studie van de druppeldynamica. De dynamica van druppels gevuld met deeltjes of met een interfase bedekt met deeltjes wordt microscopisch onderzocht met behulp van een contraroterende afschuifcel."