Technologia nanorurek węglowych z myślą o inteligentniejszym, bezpieczniejszym świecie
29 Nov 2019
Potężne rozwiązania często przybierają niewielkie rozmiary, a nanocząstki są niewiarygodnie malutkie. Popyt na materiały z nanorurek węglowych oraz grafenu jest coraz większy z uwagi na wysoko specjalistyczne i wzmacniające zastosowanie, na przykład w segmencie elektroniki, eleganckiej odzieży oraz ochrony środowiska, zwłaszcza wodnego.
Dzięki właściwościom ściernym oraz tendencji do aglomeracji nanorurki węglowe i grafen ciężko rozbić na elementy pierwsze i wykorzystać w procesie wytwórczym. Ale kiedy już się to osiągnie, potrafią odwdzięczyć się wyjątkowymi właściwościami elektrycznymi, termicznymi oraz mechanicznymi. Rozmawialiśmy zDr Silvią Grasselli, dyrektorką ds. technologii homogenizacji w zakładzie GEA we Włoszech, aby dowiedzieć się, w jaki sposób technologia GEA pomaga wprowadzić te ekscytujące materiały na rynek i co napędza popyt na materiały, których sprzedaż według szacunków osiągnie poziom 2,86 miliarda w 2025 roku.
Czym są nanorurki węglowe i grafen oraz jak można ich użyć?
SG:Cofnijmy się odrobinę do podstaw: greckie słowo „nanos” oznacza „karła”. Nanometr to jedna miliardowa metra – odpowiada jednej tysięcznej szerokości ludzkiego włosa, co oznacza, że cząsteczki o takim rozmiarze nie są widoczne gołym okiem. Nanorurka węglowa jest arkuszem grafenu, sześciokątną siatką węglową, która przybiera kształt walca i ma pojedynczą lub podwójną ściankę. Grafen to dwuwymiarowa pojedyncza warstwa grafitu zbudowana z pojedynczej lub monoatomowej warstwy atomów węgla ułożonych w układzie heksagonalnym. Grafen to podstawowy budulec nanorurek węglowych, najtwardszy znany człowiekowi materiał, który jest jednocześnie niezwykle kowalny i elastyczny. A z uwagi na fakt, że ma grubość jednego atomu, jest niemal przezroczysty, ponadto doskonale przewodzi elektryczność i ciepło.
Nanorurki węglowe (CNT), o wytrzymałości na rozciąganie o wartości 50-krotnie wyższej niż stal, są niewiarygodnie wytrzymałe, a jednocześnie bardzo lekkie. Nanorurki CNT i grafen mają wiele takich samych właściwości (np. dobre przewodnictwo elektryczne i termiczne), w związku z czym stanowią dla siebie konkurencję w wielu zastosowaniach – na przykład w segmencie urządzeń elektrycznych, w tym komputerów i telefonów komórkowych – których komponenty mogą zawierać nanorurki CNT lub grafen albo być wykonane z obu tych materiałów. Nanomateriały tego typu wzmacniają również konstrukcję samochodów, samolotów, motorów a nawet rakiet tenisowych. Ich doskonałe właściwości absorpcyjne okazały się skuteczne w czyszczeniu pozostałości po wyciekach ropy. Dobrze rokują również w obszarze rozbijania mikrotworzyw na bezpieczniejsze dla środowiska elementy.
Jaką rolę w produkcji nanorurek CNT odgrywa GEA?
SG:Chociaż świat wie o istnieniu nanorurek węglowych i grafenu już od kilku lat, potencjał tych materiałów wciąż nie jest w pełni wykorzystany. Dzieje się tak po części dlatego, że mają właściwości ścierne oraz tendencję do aglomeracji i splątywania, w związku z czym ciężko je rozbić i zmienić ich strukturę. W tym celu GEA opatentowała proces oparty na wyjątkowej konfiguracji firmowych homogenizatorów, które wykorzystują wysokie ciśnienie do rozbicia nanocząstek bez niszczenia ich, a jednocześnie zapewniają brak przestojów w procesie produkcji.
Początkowa faza procesu zakłada rozpuszczenie proszku w mieszaninie, która zawiera głównie wodę. Później mieszanka ta trafia do homogenizatora, który rozbija aglomerat, oddziela cząstki, a następnie formuje nanorurki, jedna po drugiej, tak, aby utworzyć liniowy kształt. W efekcie rośnie cała powierzchnia, co zwiększa właściwości przewodnicze lub izolacyjne, na przykład w elektronice. Jest to najskuteczniejszy sposób rozpraszania i rozbijania klastrów na pojedyncze ścianki, co pozwala przeprowadzać pewną i regulowaną ilościowo produkcję wysokojakościowych i spójnych wykonawczo produktów, które na następnym etapie powinny zostać umieszczone w cieczach lub żywicach.
Seria homogenizatorów GEA Ariete dostarcza odpowiednio wysokie ciśnienie wymagane do skutecznego pozyskiwania nanorurek węglowych oraz grafenu wykorzystywanych w skali przemysłowej.
Czy te materiały są bezpieczne?
SG:Użytkownicy końcowi nie są narażeni na żadne niebezpieczeństwo ze strony nanorurek węglowych ani grafenu, ponieważ materiały są zintegrowane z produktami, na przykład urządzeniami elektronicznymi, albo są osadzone w odzieży. Ostrożność należy jednak zachować w wypadku cząstek węgla w proszku, których nie można wdychać. Dzięki zintegrowaniu większej liczby indywidualnych procesów zakres przetwarzania tych proszków można ograniczyć do minimum albo nawet wyeliminować. W ramach prac unijnego konsorcjum działającego w latach od 2006 do 2010 GEA i 22 partnerów spółki odkryli, jak bezpiecznie wytwarzać i udoskonalać nanocząstki. Przeprowadzone badania pozwoliły dojść do kluczowego wniosku, że technologia suszenia natryskowego GEA pomoże znacznie podnieść bezpieczeństwo przetwarzania tych proszków, gdyż suszenie pozwala zamienić nanocząstki w większe mikrocząstki, które, ze względu na swój rozmiar, nie ulatują w powietrze. A przy tym wciąż zachowują unikatowe właściwości.
Poza tym, że przez kilka lat badaliśmy proces we współpracy z klientami, nawiązaliśmy też relację z Włoskim Instytutem na rzecz Technologii, który prowadzi badania przy użyciu jednego z naszego modułów laboratoryjnych, opracowując metody jeszcze bezpieczniejszego wykorzystania nanorurek węglowych oraz grafenu do wielu różnych zastosowań. W efekcie zdobytą wiedzę możemy sprawdzić w praktyce, co jest bardzo wydajne i korzystne dla klientów.
Jakie czynniki najbardziej motywują nas do zwiększenia zakresu korzystania z nanorurek węglowych i grafenu?
SG:Oba te materiały są wysoko cenione, a wraz z upływem czasu trend ten będzie coraz widoczniejszy, szczególnie z uwagi na fakt, że produkcja na skalę masową wzrosła, przez co stały się bardziej dostępne na rynku. Innymi ważnymi czynnikami są ogromna troska o środowisko i bardzo wysoka skuteczność technologii przy oczyszczaniu wody z wycieków ropy oraz rozbijaniu tworzyw sztucznych, przy czym skala zastosowań w tych obszarach wciąż jest rozwijana.
Materiały są coraz częściej obecne w powłokach i kompozytach stosowanych w branży tworzyw sztucznych, budownictwa, motoryzacji, baterii, energii, przemyśle lotniczym i metalowym. Na przykład elektrody wykonane z nanorurek węglowych są dziesięć razy cieńsze i gwarantują niemal stokrotnie wyższe przewodnictwo niż elektrody z węgla amorficznego. Rosnące zapotrzebowanie na akumulatory litowo-jonowe o wyższym przewodnictwie otworzy nowe możliwości rozwoju na rynku nanorurek węglowych. Poza tymoczywiście rosnąca skala wykorzystania elektroniki i różnych urządzeń wciąż będzie generowała spory popyt na te materiały, gdyż ich struktura i właściwości doskonale nadają się do zastosowań takich jak wydajny transfer danych, a przecież biznes i konsumenci oczekują dostępu do informacji z prędkością błyskawicy.
Nanorurki węglowe oraz grafen, z uwagi na właściwości dotyczące przewodnictwa i izolacyjności, zmniejszają również rozmiar urządzeń i ośrodków technologicznych. Serwery na przykład nie wymagają już całych pomieszczeń z wentylatorami, ale można je łatwo zmieścić do małych pudełek” – mówi doktor Silvia Grasselli, dyrektorka ds. technologii homogenizacyjnych GEA we Włoszech.
– mówi doktor Silvia Grasselli, dyrektorka ds. technologii homogenizacyjnych GEA we Włoszech.
W jaki sposób klienci GEA używają tych materiałów i w jakich branżach znajdują one zastosowanie?
SG: Jak już wspomniałam, współpracujemy z Włoskim Instytutem na rzecz Technologii, gdzie do przeprowadzania badań wykorzystywana jest technologia homogenizacyjna GEA pozwalająca skutecznie i bezpiecznie opracowywać nanorurki w celu wykorzystania ich do różnych zastosowań. Niedawno opublikowaliśmy zbiorcze wnioski dotyczące budowy nanowęglowych podłoży papierowych, które są bardziej ekologiczne w porównaniu do swoich odpowiedników z tworzyw sztucznych i metali. Jest to ważny krok na drodze do uporania się z problemem odpadów elektronicznych lub e-odpadów poprzez uczynienie ich bardziej podatnymi na recykling oraz łatwiejszymi w utylizacji.
W całej Europie i Azji mamy klientów, którzy dostarczają produkty oparte na nanorurkach węglowych oraz grafenie do użytku w branży elektronicznej, w tym w segmencie baterii. Ze względu na swoje właściwości techniczne materiały te przyspieszają transfer danych, a jednocześnie zmniejszają powierzchnię serwerowni oraz urządzeń, mają bowiem niewiarygodny potencjał izolacyjny, który minimalizuje przewodnictwo ciepła, a co za tym idzie zniszczenia związane z akumulacją ciepła. Dzięki współpracy z różnymi podmiotami udoskonalamy i dopasowujemy nasze urządzenia i procesy homogenizacyjne. W wyniku jednego z takich działań GEA uzyskała patent, a klient otrzymał urządzenia o wyższej skuteczności i większym potencjale produkcyjnym – korzyści odniosły wszystkie zaangażowane strony.
Jeden z naszych klientów z branży inżynierii chemicznej opracował kilka produktów z wykorzystaniem grafenu; niektóre zapewniają przykładowo właściwości ochronne lakierom i farbom; działają jako dodatki wzmacniające smary albo poprawiają przewodnictwo cieplne kompozytów i tworzyw sztucznych. Oferuje również produkty używane w segmencie pakowania, formowania oraz druku 3D. Inny klient GEA opracował proces integrowania nanopłytek grafenowych z odzieżą, w tym z ubraniami sportowymi i obuwiem. Kiedy pewne obszary ciała wytwarzają nadmierne ciepło, jest ono rozprowadzane po całym ubraniu i ogrzewa inne części ciała, co podnosi funkcjonalność stroju i jednocześnie minimalizuje wyładowania statyczne i tarcie. Jak już wspomniano materiał grafenowy pomaga oczyszczać wodę z wycieków ropy oraz przetwarzać ścieki. I rzeczywiście, technologia pozwala powtórnie wykorzystywać zaadsorbowane węglowodory oraz adsorbujące oleje.
W jaki sposób GEA może wspomóc przemysł pod względem homogenizacji oraz produkcji nanorurek węglowych i grafenu?
SG:Dzięki udoskonaleniu konstrukcji i wytrzymałości homogenizatorów, GEA pomogła obniżyć całkowite koszty produkcji nanorurek węglowych oraz grafenu. Zdecydowanie nie było to łatwe zadanie, biorąc pod uwagę, że materiały te powodują niemal natychmiastową erozję zaworów homogenizacyjnych – w przeciągu 24 godzin. Dzisiaj możemy współpracować i wspierać klientów z bardzo różnych branż w wydajniejszym opracowywaniu i produkcji tych materiałów.
W naszym Ośrodku Technologicznym na rzecz Homogenizacji w Parmie we Włoszech przeprowadzamy dla klientów testy laboratoryjne i pilotażowe, a także świadczymy specjalistyczne usługi z zakresu opracowywania produktu, w tym przeprowadzamy analizę kosztów oraz dostosowujemy skalę produkcji. To, w połączeniu ze świadczonym przez nas wsparciem w zakładzie klienta, pomaga ograniczyć ryzyko inwestycyjne i zapewnia pomyślne wprowadzenie produktu na rynek.
