Een roestvrijstalen pan met gebakken visfilets, gegarneerd met citroenschijfjes en peterselie, op een inductiekookplaat. De pan heeft een antifkleeftextuur als PFAS-alternatief.

Lopend

CIRCATEX | Antikleeftexturen als circulair PFAS-alternatief

Gefinancierd door

Circulaire antikleeftoepassingen via oppervlakte texturering

PFAS-verbindingen (poly- en perfluoralkylstoffen) kennen toepassingen in een breed scala van sectoren. Dat komt door hun unieke eigenschappen, maar er zijn ook gezondheids- en milieurisico’s aan verbonden. Dit project richt zich op de ontwikkeling van een circulair alternatief voor PFAS-gebaseerde antikleefcoatings in twee toepassingen: kookgerei (hoge temperatuurrange) en skilatten (lage temperatuurrange).

Context

Het polymeer Polytetrafluorethyleen (PTFE), beter bekend onder de merknaam teflon, zien we vaak op aluminium kookpotten en –pannen. Een antikleeflaag sluit aluminiummigratie uit en is nodig om het materiaal hittebestendig en voedselveilig te maken. Daarnaast zorgt PTFE ervoor dat voedsel tijdens de bereiding niet blijft kleven aan de kookpot of -pan. Teflon-gecoate pannen zijn eenvoudig af te wassen en vereisen minder vetstof tijdens het bakken.

Door hun beperkte krasvastheid raken deze pannen snel beschadigd, waardoor ze hun excellente anti-kleefeigenschappen verliezen. Bij zeer hoge verhitting - bijvoorbeeld op een lege pan - produceren Teflon- en andere PFAS-coatings schadelijke dampen zoals perfluoroisobutyleen (PFIB). Door de bezorgdheid over de mogelijke gezondheids- en milieurisico's van PFAS, zijn alternatieven in de productie van antikleefmaterialen voor kookgerei nodig.

Verschillende bedrijven en onderzoeksgroepen richten zich op de ontwikkeling van (keramische) coatings op basis van alternatieve materialen. Die bieden vergelijkbare antikleefeigenschappen, zonder de potentiële schadelijke bijwerkingen van PFAS. Elke coating is onderhevig aan slijtage en de recyclage ervan is complex. De coating verwijderen aan het einde van de productlevensduur bemoeilijkt dat, net omdat die is aangebracht voor blijvende hechting. Daarom streeft Sirris in samenwerking met Demeyere naar een duurzame coating-vrije roestvast stalen pan met vergelijkbare antikleefeigenschappen.

Dat is geen sinecure: voedsel kleeft aan potten en pannen door een combinatie van verschillende mechanische, chemische en fysicochemische interacties. Als u levensmiddelen verhit, treden er een aantal chemische omzettingen op die het al dan niet kleven aan de kookgerei sterk beïnvloeden. Bepaalde levensmiddelen kleven meer dan andere, ook in functie van de variërende samenstelling ervan. Een sluitende verklaring daarvoor bestaat vandaag nog niet. Er zijn aanwijzingen dat de lading van eiwitten het adsorptiegedrag aan metalen oppervlakken beïnvloeden , maar niet voldoende om het kleefgedrag van levensmiddelen tijdens de verhitting helemaal te verklaren. Een fundamenteler inzicht in de materie dringt zich op.

PFAS-gebaseerde waxen komen in beeld bij de productie en het onderhoud van de onderzijde van skilatten en snowboards. Ze voorkomen dat sneeuw en ijs kleeft aan het materiaal en houdt de glij-eigenschappen optimaal. Skiwaxen hebben echter een beperkte abrasiebestendigheid en moeten voor professionele beoefenaars dagelijks opnieuw aangebracht worden. De waxen slijten, blijven achter op de skipistes en wanneer de sneeuw smelt, komt de PFAS in de bodem terecht of wordt afgevoerd naar de waterlopen met langdurige milieuschade tot gevolg.

Naast de milieuvervuiling tijdens het gebruik, bestaan ook gezondheidsrisico’s zowel in productie als tijdens het onderhoud bij het aanbrengen van deze waxen. Onderzoek toont aan dat de PFAS-mediaanwaarde in het lichaam van ski-onderhoudstechniekers de Europese norm sterk overschrijdt (tot wel 45 maal de norm) . Daarnaast kunnen ski's vanwege hun opbouw als composiet niet gerecycleerd worden. Aan het einde van het winterseizoen worden elk jaar opnieuw miljoenen ski's gestort of verbrand.

Om deze problematiek aan te pakken is de industrie op zoek naar performante vervangers, zoals een antikleef-glijoppervlak uit roestvast staal. In tegenstelling tot de huidige kunststof glijoppervlakken, kan het alternatieve glijoppervlak uit mono-materiaal als enige op de markt eenvoudig onderhouden, uitgewisseld en 100% gerecycleerd worden op het einde van de levensduur. De ski kan met het onderhouden glijoppervlak als refurbished ski terug in omloop gebracht worden. De te onderzoeken antikleefbehandeling van het glijoppervlak maakt het mogelijk om wereldwijd de eerste circulaire, microplastic- en waxvrije ski’s op de markt te brengen. Voor deze case wordt samengewerkt met de startup CAPILANO BV die opgericht is met als missie om een circulaire en duurzame ski te ontwikkelen.

Doelstellingen en resultaten

Een alternatief is om materiaaloppervlakken specifieke texturen te geven. In de natuur gebruiken veel organismen oppervlaktetexturen of -structuren voor bepaalde functionaliteiten. Zonder coating zijn deze oppervlakken daardoor bijvoorbeeld extra waterafstotend, minder wrijvingsgevoelig of gekleurd. Als dat ook kan voor gebruiksvoorwerpen, betekent dat een grote circulaire stap vooruit. Omdat er geen bijkomende materialen worden toegevoegd, kan het materiaal op het einde van de levensduur eenvoudig gerecycleerd worden. Het textureren van oppervlakken wordt op dit moment meestal nog beperkt toegepast om nieuwe functionaliteiten te bereiken. Denk hierbij aan het verruwen van oppervlakken om de grip of hechting van lijm te verbeteren of aan het slijpen om oppervlakken net gladder te maken.
Sinds enkele jaren zet ook de lasertechnologie enorme stappen. Daardoor is het zoals in de natuur mogelijk om lasertexturen en -structuren aan te brengen op een oppervlak. Dat gebeurt via zogenaamde ultrakort gepulste lasers met pulslengtes in de grootteorde van pico- en femtoseconden (10-12 en 10-15 s). Deze zeer korte pulsen maken micro- en nanotexturen met een bijzonder hoge afwerkingskwaliteit mogelijk. De korte pulsduur bij dit zogenoemde ‘koud laserbewerken’ zorgt er namelijk voor dat de warmte in het ablatieproces niet doordringt. Klassieke µs- en ns-gepulste lasers, creëren smeltzones en defecten zoals breuken. Deze nieuwe technologie geeft de geometrische en kwalitatieve vrijheid op die nodig is om texturen te maken met de gewenste eigenschappen.

In dit project willen we:

Onderzoeken of het mogelijk is om via innovatieve straalbehandelingen en oppervlaktetexturering met lasers antikleefeigenschappen te verkrijgen. Dat kan bij roestvast staal (PFAS-gebaseerde) coatings en waxen elimineren. In dit geval voor respectievelijk de toepassingen van antiaanbaklagen bij voedingsbereiding en antikleeflagen aan de onderzijde van skilatten.
Fundamenteel begrijpen hoe texturen het kleefgedrag beïnvloeden van eiwitten in modelsystemen, maar ook van verschillende producten (levensmiddelen waaronder specifiek magere vis en eieren en materie zoals sneeuw en ijs) bij hoge en lage temperatuur. Op basis van deze kennis en de correlatie tussen deze parameters kunnen we nog performantere texturen creëren.
Oplossingen creëren die gebaseerd zijn op de principes van ‘Safe & Sustainable by Design’

Positieve resultaten zullen daarenboven leiden tot volgende circulaire resultaten:

PFAS-gebaseerde coatings en waxen uit deze producten elimineren
Meervoudig hergebruik kan door opnieuw textureren van producten waar de textuur na verloop van tijd is weggesleten(levensduurverlenging)
Eenvoudigere recyclage van materiaal bij einde levensduur

Aanpak

©Sirris

Doelgroep

Het project beoogt in eerste instantie de sector van consumentenproducten die gebaat zijn bij de uitstekende antikleef-eigenschappen van PFAS-gebaseerde coatings. Specifiek richt het project zich op antikleeftoepassingen bij kookgerei (antikleefcoatings in pannen) en skimateriaal (skiwaxen) waarvoor ook twee belanghebbende bedrijven in het projectconsortium aanwezig zijn.

Volgens het FEC zijn er 195 miljoen huishoudens in de EU. Het FEC gaat ervan uit dat elk huishouden minstens drie gecoate pannen heeft, wat resulteert in 600 miljoen gecoate pannen in EU-huishoudens. Uitgaande van een vervanging om de vier jaar betekent dat dat er in Europa 150 miljoen gecoate pannen per jaar worden verkocht. Hiervoor wordt volgens schattingen 5600 ton fluorpolymeer gebruikt .
PFAS komt ook vaak voor bij de productie van skiwaxproducten die tijdens gebruik ingezet worden bij ski'som ze te reinigen en te impregneren om hun glijeigenschappen te verhogen. De PFAS-gebaseerde waxen moeten gemiddeld elke 100 km opnieuw aangebracht worden.

Op basis van een studie van ECHA wordt de totale wereldwijde productie van skiwax geschat op 120 ton (in 2020). Hiervan produceert de EU 60% (72 ton). Ongeveer 30% van deze 72 ton skiwax is op basis van PFAS, d.w.z. 21 ton. Er wordt uitgegaan van een gemiddelde PFAS-concentratie van 7,6% m/m in de wax op basis van fluor (die zowel fluorpolymeren als niet-polymere PFAS omvat), wat neerkomt op 1,6 ton PFAS die jaarlijks in de EU worden gebruikt voor skiwaxformuleringen.

De technologie van het textureren leent zich ook tot een aantal andere sectoren van de maakindustrie