Tecnologia de nanotubos de carbono para um mundo mais inteligente e seguro
29 Nov 2019
Coisas poderosas vêm frequentemente em pequenas embalagens e as moléculas nanodimensionadas são algumas das mais pequenas. A demanda por nanotubos de carbono e materiais à base de grafeno está em ascensão devido ao papel altamente especializado e de valor agregado que eles desempenham em diversas aplicações, incluindo em eletrônica, roupas inteligentes e na proteção do meio ambiente, particularmente das nossas águas.
Dada a sua abrasividade e tendência a aglomerar, os nanotubos de carbono e o grafeno são difíceis de decompor e de reorganizar em cadeias úteis. No entanto, uma vez que isso é conseguido, eles oferecem propriedades elétricas, térmicas e mecânicas excepcionais. Nós nos reunimos com aDra. Silvia Grasselli, Chefe de Homogeneização na Tecnologia de Processos na GEA Itália para descobrir como a tecnologia GEA está ajudando colocar esses materiais empolgantes no mercado e o que está impulsionando a demanda, que está previsto chegar a USD 2,86 bilhões em vendas até 2025.
O que são nanotubos de carbono e grafeno e como eles são usados?
SG:Se voltarmos no tempo, veremos que 'nano' é uma palavra grega que significa 'anão'. Um "nanômetro" é um bilionésimo de um metro - equivalente a um milésimo da largura de um cabelo humano, o que significa que estas partículas não são visíveis a olho nu. Um nanotubo de carbono é uma lâmina de grafeno, basicamente uma malha hexagonal de carbono, que se desenvolve em forma de cilindro e possui uma parede simples ou dupla. Um grafeno é uma camada bidimensional única de grafite que consiste em uma camada atômica única ou mono de átomos de carbono dispostos em um padrão hexagonal. O grafeno é o elemento estrutural fundamental dos nanotubos de carbono e é o material mais durável conhecido pelo homem; é também extremamente maleável e elástico. Uma vez que tem somente a espessura de um átomo, é quase transparente e é um excelente condutor eléctrico e térmico.
Com uma resistência à tração 50 vezes superior à do aço, os nanotubos de carbono (NTC) são extremamente fortes, mas também muito leves. NTC e grafeno compartilham muitas das mesmas propriedades (por exemplo, boa condutividade elétrica e térmica) e, portanto, competem entre si para uso em muitas aplicações semelhantes - como em aparelhos eletrônicos, como computadores e celulares - que podem incluir NTC ou grafeno, ou uma combinação de ambos, em seus componentes. Estes nanomateriais também permitem o reforço estrutural em carros, aviões, bicicletas e até em raquetes de tênis. E suas excelentes qualidades de absorção provaram ser eficazes na limpeza de derrames de óleo. Da mesma forma, parecem ser promissores na quebra de microplásticos em componentes que são mais seguros para o meio ambiente.
Qual é o papel da GEA na produção de NTC?
SG:Embora o mundo conheça os NTC e o grafeno há vários anos, eles não têm sido aproveitados em todo seu potencial. Em parte porque são abrasivos, têm a tendência de se aglomerar e emaranhar, e como resultado são difíceis de quebrar e reestruturar. Para isso, a GEA patenteou um processo combinado com uma configuração única dos seus homogeneizadores, que usam a alta pressão para quebrar as nanomoléculas sem danificá-las e, em paralelo, assegurar que não haja interrupção da produção.
O início do processo envolve a dispersão do pó em uma mistura contendo principalmente água. A partir daí ele entra no homogeneizador que quebra os aglomerados, separa-os e depois coloca os nanotubos, um após o outro, para criar uma estrutura linear. Como resultado, a superfície é aumentada, o que promove maior transmissão ou isolamento, por exemplo, nos componentes eletrônicos. Esta é a forma mais eficiente de dispersar e desagregar os aglomerados em paredes únicas, permitindo um processo de fabricação robusto e escalável que ofereça produtos de alta qualidade e consistência, os quais, numa etapa seguinte, geralmente são incorporados em líquidos ou resinas.
A série de homogeneizadores Ariete da GEA oferece a alta pressão necessária para obter efetivamente tanto NTC quanto grafeno para uso em escala industrial.
Estes materiais são seguros?
SG:Integrados em produtos, tais como componentes eletrônicos ou incorporados em roupas, os usuários finais não correm qualquer risco com os NTC ou grafenos. Na forma de pó, no entanto, as partículas de carbono devem ser manipuladas com cuidado e não inaladas. A manipulação desses pós pode ser minimizada ou mesmo eliminada se forem conectados vários processos individuais. Em um consórcio da UE que decorreu de 2006 a 2010, o GEA e 22 parceiros exploraram a forma de fabricar e desenvolver nanopartículas com maior segurança. Uma descoberta chave em seu trabalho mostrou que, usando a tecnologia de secagem por spray da GEA, eles poderiam melhorar muito a manipulação segura desses pós, porque essa etapa de processamento transforma nanopartículas em micropartículas maiores, que, dado o seu tamanho, não podem ser transportadas pelo ar. E mesmo assim, elas mantiveram suas propriedades únicas.
Além de investigar o processo por vários anos com os clientes, também fizemos parceria com o Instituto Italiano de Tecnologia, que está realizando testes usando uma de nossas unidades de laboratório, para desenvolver ainda mais o uso seguro de NTC e grafeno em diversas aplicações. Como resultado, nossos conhecimentos podem ser aplicados diretamente, o que é muito eficiente e um grande benefício para nossos clientes.
Quais são os principais fatores por trás do aumento do uso de NTC e grafeno?
SG:Ambos já são altamente valorizados e se tornarão ainda mais com o passar do tempo, particularmente dado que a produção em escala industrial aumentou, tornando-os mais comercialmente viáveis. Da mesma forma, o foco maciço no meio ambiente e os resultados muito positivos alcançados na utilização desta tecnologia para limpar o óleo da água e quebrar os plásticos serão importantes impulsionadores, embora estas aplicações ainda estejam em etapa formativa.
Eles estão sendo cada vez mais usados em revestimentos e compósitos dentro das indústrias de plásticos, construção, automotiva, de baterias, de energia, aeroespacial e metalúrgica. Por exemplo, os eletrodos feitos com nanotubos de carbono são dez vezes mais finos e oferecem uma condutividade quase 100 vezes maior em comparação com os eletrodos de carbono amorfo. A crescente demanda por baterias de iões de lítio com maior condutividade em veículos elétricos também deverá abrir novos caminhos para o crescimento do mercado de nanotubos de carbono. E, claro, ouso crescente da eletrônica e de vários dispositivos continuará a impulsionar muita da procura por estes materiais, uma vez que sua estrutura e propriedades são ideais para aplicações que envolvam a transferência eficiente de dados, que as empresas e os consumidores esperam agora que aconteça na velocidade da luz.
Devido às suas qualidades especiais como não condutores e isolantes, também os NTC e o grafeno reduziram a pegada dos nossos dispositivos e centros tecnológicos. Os servidores, por exemplo, já não necessitam de salas inteiras com ventiladores, mas podem agora caber essencialmente dentro de uma pequena caixa".– Dra. Silvia Grasselli, Chefe de Homogenização na Tecnologia de Processos, GEA Itália
– Dra. Silvia Grasselli, Chefe de Homogenização na Tecnologia de Processos, GEA Itália
Como os clientes da GEA estão usando esses materiais e que indústrias e aplicações estão envolvidas?
SG: Como já mencionei, estamos cooperando com o Instituto Italiano de Tecnologia, que está usando a tecnologia de homogeneização da GEA em testes para desenvolver nanotubos mais eficazes e seguros para uso em diversas aplicações. Mais recentemente, publicamos nossas descobertas combinadas sobre a construção de substratos funcionais de papel em nanocarbono como uma alternativa mais sustentável do que aqueles feitos de plásticos e metais. Este é um passo importante para possivelmente combater o lixo eletrônico, ou e-lixo, tornando-o mais reciclável e mais fácil de administrar.
Temos clientes em toda a Europa e Ásia que estão fornecendo produtos baseados em NTC e grafeno para uso na indústria eletrônica, o que inclui baterias. E devido às suas propriedades técnicas, estes materiais estão acelerando a transferência de dados ao mesmo tempo em que reduzem o tamanho das salas e dispositivos do servidor, por causa da sua enorme capacidade isolante, o que minimiza a transferência de calor e, portanto, os danos causados pela acumulação de calor. Através das nossas parcerias, somos capazes de melhorar e adaptar nossos equipamentos e processos de homogeneização; um dos resultados foi a concessão de uma importante patente para a GEA e um melhor rendimento da máquina e produto para o cliente - um win-win.
Um de nossos clientes de engenharia química desenvolveu vários produtos à base de grafeno; por exemplo, alguns têm propriedades de barreira para revestimentos e tintas; atuam como aditivos de desempenho em lubrificantes ou melhoram a condutividade térmica em compósitos e plásticos. Eles também têm produtos que são usados em embalagens, em moldagem e impressão em 3D. Outro cliente da GEA desenvolveu um processo de integração de nanoplaquetas de grafeno no vestuário, incluindo roupas e calçados esportivos; como o corpo produz excesso de calor em certas áreas, este calor é distribuído ao redor do vestuário, fazendo um uso mais eficiente do mesmo para manter outras partes do corpo aquecidas, enquanto minimiza a estática e o atrito. E como já citei, o material à base de grafeno está sendo usado para apoiar a recuperação em derrames de óleo/petróleo, bem como no tratamento de esgotos. Na verdade, esta tecnologia permite a reutilização de hidrocarbonetos adsorvidos e óleos adsorventes.
O que a indústria pode esperar da GEA quando se trata de homogeneização, e produção de NTC e grafeno?
SG:Ao melhorar o design e a durabilidade dos nossos homogeneizadores, a GEA tem ajudado a reduzir o custo total de propriedade quando se trata de produzir NTC e grafenos. Este não foi um feito fácil, dado que o material causa uma erosão quase imediata das válvulas homogeneizadoras - em 24 horas. Hoje, somos capazes de estabelecer parcerias e apoiar clientes de diversas indústrias no desenvolvimento e produção destes materiais de forma mais eficiente.
Em nosso Centro de Tecnologia de Processos para Homogeneização em Parma, Itália, estamos aptos a oferecer aos clientes testes laboratoriais e piloto, bem como conhecimentos para apoiar o desenvolvimento de produtos, o que inclui análise de custos e escalabilidade. Isso, combinado com o suporte ao cliente no local, ajuda a minimizar o risco de investimento do cliente, ao mesmo tempo em que garante o sucesso dos novos produtos.
