Mit Kohlenstoff-Nanoröhren smart und sicher in die Zukunft
29 Nov 2019
Klein, aber oho: Das gilt für Nanomoleküle vielleicht mehr als für alles andere. Die Nachfrage nach Kohlenstoff-Nanoröhren und Materialien auf Graphenbasis nimmt zu – kein Wunder angesichts des potenziellen Mehrwerts, den diese hochspezialisierte Technologie in verschiedenen Anwendungsbereichen bietet, darunter Elektronik und Smart Clothing ebenso wie Umwelt- und speziell Gewässerschutz.
Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen sind abrasiv und neigen zum Verklumpen, weshalb sie sich nur schwer vereinzeln und zu verwendbaren Ketten ordnen lassen. Ist dieser Schritt aber erst einmal geschafft, bestechen sie durch fantastische elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften. Im Gespräch erläutert Dr. Silvia Grasselli, Head of Process Technology Homogenization bei GEA Italien, wie GEA Technologie zur Markteinführung dieser zukunftsweisenden Materialien beiträgt und welche Faktoren die Nachfrage ankurbeln, die bis 2025 ein geschätztes Umsatzvolumen von 2,86 Mrd. US-Dollar erreichen wird.
Was genau sind Kohlenstoff-Nanoröhren bzw. Graphen und wofür werden sie eingesetzt?
SG: Um einmal ganz von vorn zu beginnen: Das Wort „nano“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Zwerg“. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, das entspricht dem Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares. Mit bloßem Auge sind diese Partikel also nicht sichtbar. Eine Kohlenstoff-Nanoröhre besteht aus einer Graphenschicht, im Prinzip einem hexagonalen Kohlenstoffgitter, die zylinderförmig aufgerollt und entweder ein- oder doppelwandig ist. Das Graphen wiederum ist eine zweidimensionale Schicht Graphit: Es besteht aus nur einer Lage von sechseckig angeordneten Kohlenstoffatomen. Graphen ist das wesentliche Strukturelement von Kohlenstoff-Nanoröhren und gilt als das robusteste Material überhaupt, ist gleichzeitig aber extrem formbar und elastisch. Mit seiner Dicke von gerade mal einer Atomlage ist es fast durchsichtig und ein ausgezeichneter elektrischer und thermischer Leiter.
Kohlenstoff-Nanoröhren, auch bekannt als Carbon Nanotubes bzw. CNTs, sind 50-mal zugfester als Stahl und somit extrem stark, aber auch sehr leicht. CNTs und Graphen haben viele Eigenschaften gemeinsam (z. B. die gute elektrische und thermische Leitfähigkeit) und konkurrieren deshalb in zahlreichen Anwendungsgebieten miteinander. In den Komponenten von Elektronikgeräten wie Computern oder Mobiltelefonen etwa können CNTs oder Graphen eingesetzt werden, oder auch eine Kombination aus beidem. Daneben können diese Nanomaterialien Autos, Flugzeuge, Fahrräder und sogar Tennisschläger strukturell verstärken. Dank ihrer hervorragenden Absorptionseigenschaften sind sie zudem wirkungsvoll bei der Entfernung von Ölteppichen. Und auch bei der Zersetzung von Mikroplastik in besser umweltverträgliche Bestandteile erweisen sie sich als vielversprechend.
Welche Rolle spielt GEA bei der Herstellung von CNTs?
SG: Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen sind zwar schon seit einigen Jahren bekannt, doch wurde ihr Potenzial bislang nicht ausgeschöpft. Das liegt teilweise daran, dass sie abrasiv sind und zum Verklumpen und Verhaken neigen, weshalb sie sich nur schwer trennen und restrukturieren lassen. Zur Lösung dieses Problems hat GEA ein Verfahren in Kombination mit einer speziellen Konfiguration seinerHomogenisatorenpatentieren lassen, bei dem die Nanomoleküle unter Hochdruck unbeschädigt getrennt werden und das gleichzeitig Produktionsunterbrech-ungen vermeidet.
Zu Beginn des Prozesses wird das Pulver in einem Gemisch dispergiert, das hauptsächlich Wasser enthält. Anschließend gelangt es in den Homogenisator, der die Agglomerate auflöst, sie trennt und dann die Nanoröhrchen nacheinander so platziert, dass eine lineare Struktur entsteht. Dadurch wird die Oberfläche vergrößert, was beispielsweise in der Elektronik zu einer besseren Übertragung oder Isolierung führt. Das ist der effizienteste Weg, um die Cluster aufzulösen und in einwandige Elemente zu zerlegen, und Voraussetzung für einen robusten und skalierbaren Herstellungsprozess, der Produkte in konstant hoher Qualität liefert. In der Regel werden diese dann im nächsten Schritt in Flüssigkeiten oder Harze eingebettet.
Die GEA Homogenisatoren der Baureihe Ariete erzeugen einen ausreichend hohen Druck, um Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen effektiv für den industriellen Einsatz bereitstellen zu können.
Sind diese Materialien sicher?
SG:Wenn sie in Produkte wie Elektronikgeräte oder Kleidung integriert sind, stellen CNTs und Graphen für die Verbraucher kein Risiko dar. Bei Kohlenstoffpartikeln in Pulverform ist jedoch Vorsicht geboten, sie dürfen nicht eingeatmet werden. Indem man die einzelnen Prozesse stärker integriert, lassen sich Arbeitsschritte mit dem Pulver minimieren oder sogar eliminieren. Von 2006 bis 2010 hat GEA zusammen mit 22 Partnern im Rahmen eines EU-Konsortiums erforscht, wie Nanopartikel sicherer hergestellt und weiterentwickelt werden können. Eine zentrale Erkenntnis ihrer Arbeit war, dass die Sicherheit im Umgang mit diesen Pulvern durch den Einsatz vonGEA Sprühtrocknungstechnologieerheblich verbessert werden konnte – denn dieser Verfahrensschritt macht aus Nanopartikeln größere Mikropartikel, die aufgrund ihrer Größe nicht in der Luft freigesetzt werden. Ihre besonderen Eigenschaften behalten sie dennoch.
Wir haben den Prozess nicht nur über einige Jahre gemeinsam mit Kunden erforscht, sondern uns auch mit dem italienischen Technologieinstitut IIT zusammengeschlossen. Um den sicheren Einsatz von CNTs und Graphen in verschiedenen Anwendungen weiterzuentwickeln, führt das IIT Versuche mit einer unserer Laboranlagen durch. Dadurch können unsere Erkenntnisse direkt umgesetzt werden, was sehr effizient ist und für unsere Kunden einen großen Vorteil darstellt.
Was sind die Hauptfaktoren für den verstärkten Einsatz von CNTs und Graphen?
SG:Beide stehen schon jetzt hoch im Kurs und werden mit der Zeit noch an Popularität gewinnen, zumal sie durch die zunehmende industrielle Fertigung wirtschaftlich attraktiver werden. Auch der starke Fokus auf Umweltaspekte und die äußerst positiven Resultate, die mit dieser Technologie bei der Beseitigung von Ölverschmutzungen im Wasser und beim Zersetzen von Plastik erzielt wurden, werden wichtige Impulsgeber sein – auch wenn wir da noch ziemlich am Anfang stehen.
In der Kunststoff-, Bau-, Automobil-, Batterie-, Energie-, Luftfahrt- und der Metallbranche kommen sie vermehrt in Beschichtungen und Verbundstoffen zum Einsatz. So sind beispielsweise Elektroden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen zehnmal dünner als Elektroden aus amorphem Kohlenstoff und dabei fast hundertmal so leitfähig. Auch der steigende Bedarf an leitfähigeren Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen dürfte dem Markt für Kohlenstoff-Nanoröhren neue Wachstumschancen eröffnen. Nicht zuletzt wird der immer stärkere Einsatz von Elektronik und entsprechenden Geräten die Nachfrage nach diesen Materialien ankurbeln, sind sie dank ihrer Struktur und ihrer Eigenschaften doch prädestiniert für Anwendungen, bei denen es auf eine effiziente Datenübertragung ankommt. Denn die Verbraucher erwarten heutzutage, dass alles blitzschnell passiert.
Dank ihrer besonderen Eigenschaften auch als Nichtleiter und Isolatoren haben CNTs und Graphen den Platzbedarf unserer Geräte in den Technologiezentren reduziert. Server etwa benötigen nicht länger ganze Räume mit Lüftern, sondern haben einen wesentlich geringeren Platzbedarf.“– Dr. Silvia Grasselli, Head of Process Technology Homogenization, GEA Italien
– Dr. Silvia Grasselli, Head of Process Technology Homogenization, GEA Italien
Wie setzen GEA Kunden diese Materialien ein und welche Branchen und Anwendungen sind involviert?
SG:Wir arbeiten wie gesagt mit dem italienischen Technologieinstitut IIT zusammen, das die Homogenisierungstechnologie von GEA einsetzt, um eine effektive und sichere Weiterentwicklung von Nanoröhrchen für verschiedene Anwendungsgebiete zu erforschen. Kürzlich haben wir unsere gemeinsamen Erkenntnisse zur Herstellung von funktionellen Nanokohlenstoff-Papiersubstraten als nachhaltigere Alternative zu den Varianten aus Kunststoff und Metall veröffentlicht. Das ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer Lösung für das Elektroschrott-Problem, denn so wird der E-Müll recyclingfähiger und leichter zu handhaben.
Wir haben Kunden in ganz Europa und Asien, die CNTs und graphenbasierte Produkte für die Elektronikindustrie einschließlich der Herstellung von Akkus anbieten. Dank ihrer technischen Eigenschaften sorgen diese Materialien für einen schnelleren Datentransfer und ermöglichen gleichzeitig kleinere Serverräume und Geräte, denn durch ihre enorme Isolierfähigkeit werden Wärmeübertragung und damit Schäden durch Wärmestau minimiert. Im Rahmen unserer Partnerschaften können wir unsere Homogenisierungsanlagen und -prozesse optimieren und justieren. In einem Fall entstanden daraus ein wichtiges Patent für GEA und verbesserte Maschinen und Produkte für den Kunden – ein klassisches Win-win.
Einer unserer Kunden aus der Chemietechnik hat verschiedene Produkte auf Graphenbasis entwickelt. Sie warten zum Beispiel mit Barriereeigenschaften für Lacke und Farben auf, fungieren als Schmierstoff-Additive oder verbessern die Wärmeleitfähigkeit von Verbundmaterialien und Kunststoffen. Daneben hat er Produkte für den Einsatz im Verpackungsbereich, beim Formgießen oder im 3D-Druck. Ein anderer GEA Kunde hat ein Verfahren entwickelt, um Graphen-Nanoplättchen in Kleidung wie Sportbekleidung und auch Schuhe zu integrieren. Erhitzt sich der Körper an bestimmten Stellen besonders stark, wird diese Wärme im gesamten Kleidungsstück verteilt und der Körper so anderswo gewärmt. Dadurch wird das Kleidungsstück effizienter genutzt und ist gleichzeitig weniger statisch aufgeladen. Wie schon erwähnt, wird graphenbasiertes Material außerdem bei der Bekämpfung von Ölhavarien und in der Abwasseraufbereitung eingesetzt. Mit dieser Technologie können selbst adsorbierte Kohlenwasserstoffe und adsorbierendes Öl wiederverwendet werden.
Was kann die Branche von GEA mit Blick auf Homogenisierung, Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphenproduktion erwarten?
SG:Durch Optimierungen bei Design und Langlebigkeit seiner Homogenisatoren hat GEA zur Senkung der Gesamtbetriebskosten in der Herstellung von CNTs und Graphen beigetragen. Das war keine leichte Aufgabe, denn das Material hat die Homogenisierungsventile fast unmittelbar erodieren lassen – innerhalb von 24 Stunden. Mittlerweile können wir Kunden aus den verschiedensten Branchen bei der möglichst effizienten Entwicklung und Herstellung dieser Materialien begleiten und unterstützen.
In unserem Process Technology Center für Homogenisierung in Parma bieten wir unseren Kunden Labor- und Pilotversuche an und unterstützen sie bei der Produktentwicklung einschließlich Kostenanalyse und Skalierbarkeit mit unserem Fachwissen. Indem wir darüber hinaus bei unseren Kunden vor Ort Support leisten, tragen wir zur Minimierung ihres Investitionsrisikos und zu einer erfolgreichen Markteinführung bei.
GEA Homogenisierungs-lösungen: neue Wege für unsere Welt
Diese revolutionäre Technologie haben wir bereits 1947 erstmals vorgestellt. Heute zählt GEA auf diesem Gebiet zu den weltweit führenden Anbietern und unterstützt Hersteller, Hochschulen und Forschungszentren auf der ganzen Welt mit Homogenisierungslösungen und Know-how, sowohl für den Laborbereich als auch für die industrielle Produktion.
