Koolstofnanobuizentechnologie voor een slimmere, veiligere wereld
29 Nov 2019
Klein maar fijn: dat geldt zeker ook voor nano-moleculen. De vraag naar koolstofnanobuizen en materialen met grafeen stijgt, wat niet vreemd is gezien de rol van toegevoegde waarde die deze hooggespecialiseerde technologie speelt in verschillende toepassingen, zoals elektronica, slimme kleding alsook de bescherming van het milieu, met name van onze wateren.
Koolstofnanobuizen en grafeen zijn schurend en hebben de neiging om samen te klonteren. Daarom zijn ze moeilijk af te breken en te herorganiseren in bruikbare ketens. Maar als dit eenmaal is gelukt, bieden ze buitengewone elektrische, thermische en mechanische eigenschappen. We spraken met Dr. Silvia Grasselli, hoofd van Process Technology Homogenization bij GEA Italy, om te weten te komen hoe technologie van GEA helpt om deze spannende materialen op de markt te brengen, en wat de vraag is die erachter zit - gezien de omzet die in 2025 naar schatting 2,86 miljard US dollar zal bereiken.
Wat zijn koolstofnanobuizen en grafeen precies, en hoe worden ze gebruikt?
SG:Om met het begin te beginnen: ‘nano’ is het Griekse woord voor ‘dwerg.’ Een ‘nanometer’ is een miljardste meter – gelijk aan één duizendste van de dikte van een menselijke haar, wat betekent dat deze deeltjes niet zichtbaar zijn voor het blote oog. Een koolstofnanobuis bestaat uit een laag grafeen, in feite een zeshoekig raster van koolstof, dat opgerold is in een cilinder en enkel- of dubbelwandig is. Grafeen is een tweedimensionale laag grafiet: deze bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, gerangschikt in een zeshoekig patroon. Grafeen is het fundamentele structurele element van koolstofnanobuizen en geldt als het sterkste materiaal dat we kennen; tegelijkertijd is het buitengewoon modelleerbaar en elastisch. Door zijn dikte van slechts één atoom, is het bijna doorzichtig en is het een uitstekende elektrische en thermische geleider.
Koolstofnanobuizen (ook bekend als carbon nanotubes (CNT’s)) hebben een treksterkte die 50 keer zo groot is als die van staal, en zijn dus buitengewoon sterk, maar ook uiterst licht van gewicht. CNT’s en grafeen hebben veel eigenschappen gemeen (bv. goede elektrische en thermische conductiviteit) en concurreren daarom met elkaar in vele toepassingsgebieden. In componenten van elektronische apparaten, zoals bijvoorbeeld computers en mobiele telefoons, kunnen zowel CNT’s of grafeen, of een combinatie van beide, worden gebruikt. Daarnaast kunnen deze nanomaterialen auto’s, vliegtuigen, fietsen en zelfs tennisrackets structureel versterken. Dankzij hun excellente absorptiekwaliteiten zijn ze ook uiterst effectief gebleken bij het verwijderen van gelekte olie. En ook bij het afbreken van microplastics tot milieuvriendelijkere componenten zijn ze veelbelovend.
Welke rol speelt GEA bij de productie van CNT’s?
SG:Hoewel de wereld CNT’s en grafeen al verschillende jaren kent, is het potentieel van deze materialen nog lang niet uitgeput. Dit ligt gedeeltelijk aan hun abrasiviteit en hun de neiging om samen te klonteren en te verwarren, waardoor ze moeilijk af te breken en te herstructureren zijn. Om dit probleem op te lossen heeft GEA patent verkregen voor een proces in combinatie met een unieke configuratie van haar homogenisators, waarbij nano-moleculen onder hoge druk zonder beschadiging worden gesplitst en tegelijkertijd stilstandtijd tijdens de productie wordt vermeden.
Aan het begin van dit proces wordt het poeder gedispergeerd in een mengsel dat voornamelijk water bevat. Dit mengsel gaat de homogenisator binnen waar de agglomeraten afgebroken en gescheiden worden, en vervolgens de nanobuizen opeenvolgend worden geplaatst zodat er een lineaire structuur ontstaat. Zodoende wordt het oppervlak vergroot, wat bijvoorbeeld in de elektronica tot een grotere transmissie of isolatie leidt. Dit is de meest efficiënte manier om de clusters op te lossen en in enkelvoudige wanden te splitsen - een voorwaarde voor een sterk, schaalbaar productieproces dat hoogwaardige, consistente producten oplevert. In de regel worden deze dan in een volgende stap ingebed in vloeistoffen of harsen.
De homogenisators van de GEA Ariete-serie leveren de hoge druk die nodig is om effectief zowel CNT’s als grafeen te verkrijgen voor gebruik op industriële schaal.
Zijn deze materialen veilig?
SG:Als ze zijn geïntegreerd in producten zoals elektronica of kleding, vormen CNT’s of grafeen geen risico’s voor de eindgebruiker. In poedervorm moeten koolstofpartikels echter voorzichtig worden gehanteerd, ze mogen niet worden ingeademd. Door individuele processen met elkaar te verbinden, kan de hantering van deze poeders sterk worden teruggebracht of zelfs worden geëlimineerd. In de periode van 2006 tot 2010 hebben GEA en 22 partners in het kader van een Eu-consortium onderzocht hoe nanopartikels veiliger konden worden vervaardigd en verder ontwikkeld konden worden. Een fundamentele bevinding in hun werk liet zien dat de veilige hantering van deze poeders sterk kon worden verbeterd door gebruik te maken van GEA’s sproeidroogtechnologie, omdat deze verwerkingsstap nanopartikels omzet in grotere micropartikels die vanwege hun grootte niet meer in de lucht gedragen worden. Dit, terwijl ze toch hun unieke eigenschappen behouden.
Behalve dat we het proces verschillende jaren lang hebben onderzocht samen met klanten, hebben we ook een samenwerking opgezet met het Italiaanse Instituut voor Technologie, dat proeven doet in één van onze laboratoriumunits om het veilige gebruik van CNT’s en grafeen voor verschillende toepassingen verder te ontwikkelen. Daardoor kunnen onze resultaten rechtstreeks worden omgezet, wat uitermate efficiënt is en een groot voordeel voor onze klanten.
Wat zijn de belangrijkste factoren achter het stijgende gebruik van CNT’s en grafeen?
SG:Beide worden al zeer gewaardeerd en ze zullen gaandeweg populairder worden, met name omdat de productie op industriële schaal is gestegen waardoor deze materialen economisch aantrekkelijker zijn geworden. Daarnaast zullen de sterke focus op milieuaspecten en de uiterst positieve resultaten die met deze technologie bereikt zijn bij de verwijdering van olie uit water en het afbreken van plastics belangrijke drijfveren worden, hoewel deze toepassingen nog in de beginstadia zijn.
In de kunststoffen-, bouw- en automobielsector, voor batterijen, energie, in de luchtvaart en de metaalindustrie worden ze steeds meer gebruikt in coatings en samenstellingen. Elektroden gemaakt met koolstofnanobuizen zijn bijvoorbeeld tien keer zo dun en bieden een 100 keer zo grote geleidbaarheid in vergelijking met amorfe koolstofelektroden. De groeiende vraag naar lithium-ionbatterijen met hogere conductiviteit in elektrische voertuigen zal naar verwachting nieuwe wegen openen voor groei in de markt van koolstofnanobuizen. En niet de laatste plaats blijft hettoegenomen gebruik van elektronica en uiteenlopende apparaten de vraag naar deze materialen stimuleren, omdat de structuur en eigenschappen ervan ideaal zijn voor toepassingen waarbij efficiënte gegevensoverdracht een must is. Want bedrijven en consumenten verwachten immers dat alles bliksemsnel gebeurt.
Dankzij hun speciale kwaliteiten als niet-geleiders en isolatoren, hebben CNT’s en grafeen de ruimte die apparaten en technologiecentra nodig hebben gereduceerd. Servers behoeven bijvoorbeeld geen hele ruimten met ventilatoren meer, maar kunnen nu in worden ondergebracht in een kleine doos.“– Dr. Silvia Grasselli, hoofd van Process Technology Homogenization, GEA Italy
– Dr. Silvia Grasselli, hoofd van Process Technology Homogenization, GEA Italy
Hoe gebruiken klanten van GEA deze materialen en welke industrieën en toepassingen zijn erbij betrokken?
SG: Zoals gezegd werken we samen met het Italiaanse Instituut voor Technologie, dat GEA’s homogenisatietechnologie benut bij proeven om nanobuizen efficiënt en veilig verder te ontwikkelen voor gebruik in uiteenlopende toepassingen. Recent hebben we onze gemeenschappelijke bevindingen gepubliceerd over het bouwen van functionele substraten van nanokoolstofpapier als duurzamer alternatief voor substraten van plastics en metalen. Dit is een belangrijke stap om het probleem van elektronisch afval (e-waste) aan te pakken, omdat het recyclebaarder en gemakkelijker te managen wordt.
We hebben klanten over heel Europa en Azië die producten met CNT’s en grafeen leveren voor gebruik in de elektronica-industrie, o.a. voor batterijen. Dankzij hun technische eigenschappen zorgen deze materialen voor een snellere gegevensoverdracht, terwijl tegelijkertijd de omvang van serverruimten en apparaten wordt teruggebracht vanwege hun enorme isolatiecapaciteit, die hitteoverdracht, en daardoor schade door hitteaccumulatie, minimaliseert. Via onze partnerships zijn we in staat om onze homogenisatieapparatuur en -processen te verbeteren en op maat te maken; het resultaat van een van deze samenwerkingen heeft geleid tot een belangrijk patent voor GEA en een betere machine en producten voor de klant – een win-win-situatie dus.
Een van onze klanten in de chemische techniek heeft verschillende producten ontwikkeld op basis van grafeen. Sommige hiervan hebben bijvoorbeeld barrière-eigenschappen voor coatings en verf, werken als smeermiddeladditieven of verbeteren de thermische conductiviteit in samenstellingen en kunststoffen. Ook heeft deze klant producten die worden gebruikt voor verpakkingen, vormgieten en 3D-printen. Een andere klant van GEA heeft een proces ontwikkeld om grafeen nanoplaatjes te integreren in kleding, zoals sportkleding en schoeisel. Wanneer het lichaam op bepaalde plaatsen erg warm wordt, wordt de overmatige hitte verdeeld over het kledingstuk en gebruikt om andere delen van het lichaam warm te houden. Daardoor wordt de kleding efficiënt benut terwijl staticiteit en frictie tot een minimum worden beperkt. En zoals al gezegd, materiaal op grafeenbasis wordt gebruikt bij de terugwinning van weggelekte olie en de behandeling van afvalwater. Deze technologie maakt het namelijk mogelijk om geadsorbeerde koolwaterstoffen en adsorberende oliën te hergebruiken.
Wat kan de industrie verwachten van GEA op het gebied van homogenisatie, CNT’s en de productie van grafeen?
SG:Door het ontwerp en de duurzaamheid van onze homogenisatoren te verbeteren, heeft GEA bijgedragen aan een verlaging van de totale eigendomskosten voor de productie van CNT’s en grafeen. Dit was geen gemakkelijke opgave, omdat het materiaal bijna onmiddellijk - binnen 24 uur - erosie van de homogenisatiekleppen veroorzaakte. Nu zijn we in staat om met klanten uit verschillende industrieën samen te werken en ze te ondersteunen bij het efficiënter ontwikkelen en produceren van deze materialen.
Bij ons Procestechnologiecentrum voor Homogenisatie in Parma (Italië) kunnen klanten gebruikmaken van een laboratorium en testmogelijkheden, alsook expertise om productontwikkeling te ondersteunen, inclusief kostenanalyse en schaalbaarheid. Als we dit combineren met ondersteuning bij de klant zelf, dragen we bij aan minimalisatie van het investeringsrisico voor de klant en succesvolle lanceringen op de markt.
