Tecnologia dei nanotubi di carbonio per un mondo più intelligente e sicuro
29 Nov 2019
Spesso le cose piccole sono anche le più potenti e le nanomolecole sono tra le più piccole. La domanda di nanotubi di carbonio e di materiali a base di grafene è in aumento, dato il ruolo altamente specializzato e a valore aggiunto che svolgono in diverse applicazioni, tra cui l’elettronica, lo smart clothing e la salvaguardia dell’ambiente, in particolare delle acque.
Per la loro abrasività e tendenza all’agglomerazione, i nanotubi di carbonio e il grafene sono difficili da scindere e riorganizzare in catene utilizzabili. Tuttavia, una volta raggiunto questo obiettivo, offrono eccezionali proprietà elettriche, termiche e meccaniche. Abbiamo parlato con Silvia Grasselli, responsabile della tecnologia di processo Omogeneizzazione di GEA Italia per scoprire come la tecnologia GEA sta contribuendo a introdurre sul mercato questi interessanti materiali e quali sono i fattori che stimolano la domanda, che secondo le previsioni è destinata a raggiungere un fatturato di 2,86 miliardi di dollari entro il 2025.
Cosa sono i nanotubi di carbonio e il grafene e come vengono utilizzati?
SG:Facendo un passo indietro, il prefisso ‘nano’ è un termine greco che significa ‘molto piccolo’. Un ‘nanometro’ equivale a un miliardesimo di metro – ovvero a un millesimo della larghezza di un capello umano, il che significa che queste particelle non sono visibili a occhio nudo. Un nanotubo di carbonio è un foglio di grafene, fondamentalmente un reticolo esagonale di carbonio, che si sviluppa in forma cilindrica ed è a parete singola o doppia. Un grafene è un singolo strato bidimensionale di grafite costituito da uno strato monoatomico o singolo di atomi di carbonio disposti in una configurazione esagonale. Il grafene è l’elemento strutturale fondamentale dei nanotubi di carbonio ed è il materiale più resistente che conosciamo, oltre ad essere estremamente malleabile ed elastico. Considerando che ha uno spessore di un solo atomo, è quasi trasparente e un eccellente conduttore termico ed elettrico.
Con una resistenza alla trazione 50 volte superiore all’acciaio, i nanotubi di carbonio (CNT) sono estremamente forti ma anche molto leggeri. I CNT e il grafene condividono molte proprietà (ad es. una buona conduttività termica ed elettrica) e quindi competono tra loro per l’uso in molte delle stesse applicazioni – ad es. nei dispositivi elettronici come computer e cellulari – che possono includere i CNT o il grafene o una combinazione di entrambi, nei loro componenti. Questi nanomateriali si utilizzano anche per il rinforzo strutturale di auto, aerei, biciclette e anche racchette da tennis. E le loro eccellenti qualità di assorbimento si sono dimostrate efficaci nel ripulire le fuoriuscite di olio. Analogamente, si stanno dimostrando promettenti nella scomposizione delle microplastiche in componenti più sicuri per l’ambiente.
Qual è il ruolo di GEA nella produzione di CNT?
SG:Sebbene i CNT e il grafene siano noti da diversi anni, il loro potenziale non è ancora stato pienamente sfruttato. Questo in parte perché sono abrasivi, hanno la tendenza ad agglomerarsi e aggrovigliarsi, e di conseguenza sono difficili da scomporre e ristrutturare. A tale scopo GEA ha brevettato un processo combinato con una configurazione unica dei suoiomogeneizzatori, che utilizzano alta pressione per scomporre le nanomolecole senza danneggiarle, assicurando parallelamente che non vi siano tempi di fermo nella produzione.
Il processo inizia con la dispersione della polvere in una miscela contenente principalmente acqua. Da qui entra nell’omogeneizzatore che rompe gli agglomerati, li separa e quindi posiziona i nanotubi, uno dopo l’altro, per creare una struttura lineare. Il risultato è che l'area superficiale viene aumentata, il che favorisce una maggior trasmissione o un maggior isolamento, ad esempio, nell’elettronica. Questo è il modo più efficiente per disperdere e disaggregare gli agglomerati in pareti singole, consentendo un processo di produzione affidabile e scalabile che garantisce prodotti di alta qualità e uniformi. La fase successiva prevede solitamente la loro incorporazione in liquidi o resine.
La serie di omogeneizzatori GEA Ariete offre l’alta pressione necessaria per ottenere efficacemente sia CNT che grafene per uso su scala industriale.
Questi materiali sono sicuri?
SG:Se integrati in prodotti, come elettronica o abbigliamento, i CNT o i grafeni non sono pericolosi per gli utilizzatori finali. In forma di polvere, tuttavia, le particelle di carbonio devono essere trattate con cura e non inalate. Collegando fra loro diversi singoli processi, è possibile minimizzare o persino eliminare la manipolazione di queste polveri. In un progetto dell’UE che si è svolto dal 2006 al 2010, GEA e 22 partner hanno studiato come fabbricare e sviluppare ulteriormente le nanoparticelle in modo più sicuro. Una scoperta fondamentale del loro lavoro ha dimostrato che utilizzando latecnologia di spray drying di GEA, è stato possibile migliorare notevolmente la manipolazione sicura di queste polveri poiché questa fase di lavorazione trasforma le nanoparticelle in microparticelle più grandi che, date le loro dimensioni, non si disperdono nell’aria, pur mantenendo le loro proprietà particolari.
Oltre a studiare il processo da diversi anni con i clienti, abbiamo anche collaborato con l’Istituto italiano di tecnologia che sta conducendo prove con una delle nostra unità da laboratorio per sviluppare ulteriormente l’uso sicuro dei CNT e del grafene in diverse applicazioni. Ciò consente di applicare direttamente quanto abbiamo appreso per garantire efficienza e un importante vantaggio per i nostri clienti.
Quali sono i fattori chiave che hanno favorito un aumento dell’utilizzo di CNT e grafene?
SG:Entrambi sono già molto apprezzati e lo saranno ancora di più col passare del tempo, in particolare se si considera che la produzione su scala industriale è aumentata, rendendoli più redditizi dal punto di vista commerciale. Allo stesso modo, la grande attenzione per l’ambiente e i risultati molto positivi ottenuti con questa tecnologia nel ripulire l’olio dall’acqua e scomporre le materie plastiche saranno fattori determinanti, sebbene queste applicazioni siano ancora in fase di sviluppo.
Sono sempre più utilizzati nei rivestimenti e nei compositi delle industrie della plastica, dell'edilizia, dell'automobile, delle batterie, dell’energia, aerospaziale e dei metalli. Ad esempio, gli elettrodi realizzati con nanotubi di carbonio sono dieci volte più sottili e offrono una conduttività quasi 100 volte superiore rispetto agli elettrodi in carbonio amorfo. Secondo le previsioni, anche la crescente domanda di batterie agli ioni di litio con una maggior conduttività nei veicoli elettrici dovrebbe aprire nuove strade per la crescita del mercato dei nanotubi di carbonio. E, naturalmente il maggior usodell’elettronica e di vari dispositivi continuerà a stimolare gran parte della domanda di questi materiali poiché la loro struttura e le loro proprietà sono ideali per applicazioni che richiedono un efficiente trasferimento dei dati, “alla velocità della luce” così come le aziende e i consumatori si aspettano attualmente.
Date le loro speciali qualità di materiali non conduttori e isolanti, i CNT e il grafene hanno anche ridotto l’impatto ambientale dei nostri dispositivi e centri tecnologici. I server, ad esempio, non richiedono più sale piene di ventilatori, ma ora possono fondamentalmente stare all’interno di una piccola scatola”– Silvia Grasselli, responsabile della tecnologia di processo Omogeneizzazione, GEA Italia
– Silvia Grasselli, responsabile della tecnologia di processo Omogeneizzazione, GEA Italia
In che modo i clienti GEA utilizzano questi materiale e quali sono i settori e le applicazioni interessati?
SG: Come detto, stiamo collaborando con l’Istituto italiano di tecnologia che sta avvalendosi della tecnologia di omogeneizzazione di GEA per prove mirate a sviluppare ulteriormente in modo efficace e sicuro nanotubi da utilizzare in diverse applicazioni. Di recente abbiamo pubblicato i nostri risultati combinati sulla creazione di substrati funzionali di carta nanocarbonica come alternativa più sostenibile rispetto a plastica e metalli. Si tratta di un passo importante per affrontare il problema dei rifiuti elettronici, rendendoli più riciclabili e più facili da gestire.
In tutta Europa e Asia abbiamo clienti che forniscono prodotti basati su CNT e grafene per l’uso nell’industria elettronica, fra cui le batterie. E grazie alle loro caratteristiche tecniche questi materiali stanno accelerando la trasmissione dei dati, riducendo allo stesso tempo le dimensioni delle sale server e dei dispositivi, data la loro enorme capacità isolante che riduce al minimo il trasferimento termico e quindi i danni causati dall’accumulo di calore. Grazie alle nostre collaborazioni siamo in grado di migliorare e personalizzare le nostre apparecchiature e i nostri processi di omogeneizzazione; il risultato di uno di questi ha portato a un importante brevetto per GEA e a migliori risultati per le macchine e i prodotti del cliente – un successo per entrambi.
Uno dei nostri clienti nel settore dell’ingegneria chimica ha sviluppato diversi prodotti a base di grafene; ad esempio alcuni hanno proprietà di barriera per rivestimenti e vernici, fungono da additivi prestazionali nei lubrificanti o migliorano la conduttività termica di materiali compositi e plastica. Inoltre ha prodotti utilizzati nel confezionamento, nello stampaggio e nella stampa 3D. Un altro cliente GEA ha sviluppato un processo per integrare nanopiastrine di grafene negli indumenti, inclusi l’abbigliamento sportivo e le calzature; quando il corpo produce calore in eccesso in alcune zone, questo viene distribuito intorno agli indumenti, che vengono così utilizzati in modo più efficiente tenendo calde altre parti del corpo e riducendo al minimo l’attrito e l’elettricità statica. Come già accennato, il materiale a base di grafene viene utilizzato per supportare il recupero delle fuoriuscite di olio e nel trattamento delle acque reflue. Infatti questa tecnologia consente di riutilizzare gli idrocarburi adsorbiti e gli oli adsorbenti.
Cosa può aspettarsi l’industria da GEA per quanto riguarda l’omogeneizzazione e la produzione di CNT e grafene?
SG:Migliorando la progettazione e la durata dei propri omogeneizzatori, GEA ha contribuito a ridurre il costo totale di proprietà nella produzione di CNT e grafene. Non è stata un’impresa facile, dato che il materiale ha causato un’erosione pressoché immediata delle valvole degli omogeneizzatori, in 24 ore. Oggi siamo in grado di offrire supporto e collaborazione ai clienti di diversi settori per sviluppare e produrre questi materiali in modo più efficiente.
Presso il nostro Centro di tecnologia di processo per l’omogeneizzazione di Parma, Italia, siamo in grado di offrire ai clienti prove di laboratorio e pilota oltre alle competenze necessarie a supportare lo sviluppo dei prodotti, fra cui analisi dei costi e scalabilità. Questo, in combinazione con l’assistenza in loco, contribuisce a minimizzare i rischi di investimento per il cliente assicurando al contempo il successo del lancio dei prodotti.
