Технология углеродных нанотрубок для более «умного» и безопасного мира
29 Nov 2019
Часто в самых маленьких формах скрывается огромная мощь, при этом наноразмерные молекулы являются одними из самых маленьких. Спрос на углеродные нанотрубки и материалы на основе графена растет, учитывая их узкоспециализированное назначение и важнейшую роль, которую они играют в различных областях применения, включая электронику, «умную ткань», а также в защите окружающей среды, в частности, водных ресурсов.
Учитывая их абразивность и склонность к агломерации, углеродные нанотрубки и графен трудно разрушить и реорганизовать в пригодные для использования цепочки. Тем не менее, если этого добиться, они обеспечивают исключительные электрические, термические и механические свойства. Мы побеседовали сдоктором Сильвией Грасселли, специалистом по технологиям производственных процессов, руководителем отдела гомогенизации GEA в Италии, чтобы узнать, каким образом технология компании GEA помогает выводить эти интересные материалы на рынок и что стимулирует спрос, который, как ожидается, к 2025 году достигнет объема продаж в 2,86 миллиарда долларов США.
Что представляют собой углеродные нанотрубки и графен и как они применяются?
Сильвия Грасселли:Для начала следует уточнить, что слово «нано» имеет греческое происхождение и буквально означает «карлик». «Нанометр» — это одна миллиардная часть метра, что эквивалентно одной тысячной толщины человеческого волоса, а это означает, что эти частицы нельзя увидеть невооруженным глазом. Углеродную нанотрубку получают из листа графена, по сути гексагональной кристаллической решетки углерода, которой придается цилиндрическая форма, при этом она имеет либо одну, либо две стенки. Графен — это двухмерный однослойный графит, состоящий из одинарного (моноатомного) слоя атомов углерода в форме гексагональной решетки. Графен является базовым структурным элементом углеродных нанотрубок и является самым долговечным материалом из известных на сегодняшний день человеку, при этом он также чрезвычайно податлив и эластичен. Учитывая, что он обладает толщиной всего в один атом, он практически прозрачен и является отличным проводником электричества и тепла.
Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают прочностью на разрыв, в 50 раз превышающей прочность стали. Они чрезвычайно прочные, но при этом очень легкие. УНТ и графен имеют много одинаковых свойств (например, они обладают высокой электро- и теплопроводностью) и поэтому конкурируют друг с другом за использование во многих одинаковых областях применения, например в таких электронных устройствах, как компьютеры и мобильные телефоны, в деталях которых могут использоваться как УНТ, так и графен или их сочетания. Эти наноматериалы также применяются для придания высокой прочности в конструкциях автомобилей, самолетов, велосипедов и даже теннисных ракеток. Кроме того, их отличные поглощающие свойства оказались эффективными при очистке разливов нефти. Аналогичным образом, они демонстрируют многообещающие результаты по разделению микропластиков на компоненты, более безопасные для окружающей среды.
Какова роль GEA в производстве УНТ?
Сильвия Грасселли:Несмотря на то, что широкой общественности было известно об УНТ и графене уже на протяжении нескольких лет, никто не использовал их потенциал. Отчасти это связано стем, что они обладают высокими абразивными свойствами, имеют тенденцию к агломерации и переплетению, в результате чего их трудно разделить и реструктурировать. Чтобы добиться этого, компания GEA запатентовала технологический процесс в сочетании с уникальной конфигурацией своихгомогенизаторов, в которых используется высокое давление для разделения наномолекул без их повреждения, при этом параллельно обеспечивается отсутствие перебоев в производстве.
В начале технологического процесса порошок диспергируется в смесь, содержащую в основном воду. После этого она поступает в гомогенизатор, который разбивает агломераты, разделяет их и затем производит нанотрубки, одну за другой, для создания линейной структуры. В результате этого увеличивается площадь поверхности, что способствует большей передаче или изолированию, например, в электронике. Это наиболее эффективный способ разъединения и рассредоточения скоплений в одну стенку, позволяющий обеспечивать надежный и масштабируемый производственный процесс, который позволяет добиваться высокого качества и однородности продукции, что на следующем этапе обычно включает в себя их внедрение в жидкости или смолы.
Гомогенизаторы серии GEA Ariete обеспечивают высокое давление, необходимое для эффективного производства как УНТ, так и графена для использования в промышленных масштабах.
Безопасны ли эти материалы?
Сильвия Грасселли:После интегрирования и внедрения их в изделия, например, в электронику или в одежду, УНТ или графены не представляют никакого риска для конечных пользователей. Однако с углеродными частицами в форме порошка следует обращаться с осторожностью и избегать попадания их в организм через органы дыхания. Путем объединения большего количества отдельных технологических процессов обработка этих порошков может быть сведена к минимуму или даже исключена. В составе консорциума ЕС, действующего с 2006 по 2010 год, GEA и еще 22 партнерские организации исследовали способы более безопасного изготовления и дальнейшей разработки наночастиц. В ходе своей работы они пришли к ключевому выводу о том, что с помощьютехнологии распылительной сушки GEAони могут значительно улучшить методы безопасного обращения с этими порошками, поскольку на этом этапе обработки наночастицы превращаются в более крупные микрочастицы, которые, учитывая их размер, не рассеиваются в воздухе. И при этом, тем не менее, они сохраняют свои уникальные свойства.
Помимо исследований технологического процесса, которые мы уже в течение нескольких лет совместно осуществляем с нашими клиентами, мы также сотрудничаем с Итальянским технологическим институтом, специалисты которого проводят испытания с использованием одной из наших лабораторных установок в целях дальнейшей разработки способов безопасного использования УНТ и графена в различных областях применения. В результате этого, наши знания могут быть чрезвычайно эффективно применены непосредственно на практике, что приносит большую пользу нашим клиентам.
Каковы основные факторы увеличения использования УНТ и графена?
Сильвия Грасселли:И то, и другое уже высоко ценится и со временем приобретет еще большую значимость, особенно с учетом увеличения объемов промышленного производства, что делает их более экономически перспективными. Аналогичным образом, экологическая безвредность и исключительно положительные результаты, достигнутые при использовании этой технологии для удаления нефти из воды и разложения пластмассы, будут наиболее важными факторами, хотя эти сферы применения все еще находятся в стадии становления.
Они все чаще используются в покрытиях и композитах в производстве пластмасс, аккумуляторных батарей, в строительной, автомобильной, энергетической, аэрокосмической и металлургической промышленности. Например, электроды из углеродных нанотрубок в десять раз тоньше и обладают почти в 100 раз большей проводимостью по сравнению с угольными электродами из аморфного углерода. Ожидается, что увеличивающийся спрос на литий-ионные аккумуляторные батареи с более высокой электропроводностью для использования в электромобилях откроет новые возможности для роста рынка углеродных нанотрубок. И, конечно же,широкое применение электроники и различных устройств будет и впредь стимулировать огромный спрос на эти материалы, поскольку их структура и свойства идеально подходят для сфер применения, связанных с эффективной передачей данных, которая, по ожиданиям компаний и потребителей, теперь должна осуществляться с молниеносной скоростью.
Учитывая их особые свойства в качестве диэлектриков и изоляторов, УНТ и графен позволили сократить размеры устройств и площади технологических центров. Например, серверам больше не нужны целые помещения с вентиляторами, ведь теперь они могут размещаться практически в коробке небольшого размера.»– доктор Сильвия Грасселли, специалист по технологиям производственных процессов, руководителем отдела гомогенизации GEA в Италии
– доктор Сильвия Грасселли, специалист по технологиям производственных процессов, руководителем отдела гомогенизации GEA в Италии
Каким образом клиенты GEA используют эти материалы и в каких отраслях и сферах применения?
Сильвия Грасселли: Как уже упоминалось, мы сотрудничаем с Итальянским технологическим институтом, который использует технологию гомогенизации GEA в испытаниях для дальнейшей более эффективной и безопасной разработки нанотрубок для использования в различных областях применения. Не так давно мы опубликовали наши общие экспериментальные данные о создании функциональных основ из наноуглеродной бумаги в качестве более рациональной альтернативы основам из пластмасс и металлов. Это важный шаг к решению проблемы утилизации отходов электрического и электронного оборудования, так как такие материалы более пригодны для повторного использования и более просты в обращении.
У нас есть клиенты по всей Европе и Азии, которые поставляют УНТ и продукты на основе графена для использования в электронной промышленности, в том числе батареи. Благодаря своим техническим свойствам эти материалы позволяют повысить скорость передачи данных, а также уменьшить размеры серверных комнат и устройств, учитывая их потрясающую изолирующую способность, что сводит к минимуму теплопередачу и, следовательно, риски, связанные с тепловыделением. Благодаря нашим партнерским отношениям мы смогли улучшить и адаптировать наше оборудование и процессы гомогенизации, в частности, мы получили весьма важный для компании GEA патент и добились лучших результатов в сфере разработки оборудования и изделий по заказам клиентов — это беспроигрышный вариант.
Один из наших клиентов в химико-технологической сфере разработал несколько продуктов на основе графена; например, некоторые имеют барьерные свойства для покрытий и красок; действуют в качестве присадок к смазочным материалам или улучшают теплопроводность композитов и пластмасс. Они также разработали продукты, которые используются в упаковке, в литье и 3D-печати. Другой клиент GEA разработал процесс внедрения графеновых нанопластинок в одежду, в том числе в одежду и обувь для активного образа жизни; так как тело производит избыточное тепло в определенных местах, это тепло распределяется по одежде, что позволяет более эффективно использовать его, сохраняя тепло для других частей тела, одновременно сводя к минимуму статическое электричество и трение. И, как уже упоминалось, материал на основе графена используется для ликвидации разливов нефти, а также для очистки сточных вод. Фактически эта технология позволяет повторно использовать адсорбированные углеводороды и адсорбирующие масла.
Что компания GEA может предложить промышленным предприятиям в том, что касается гомогенизации, производства УНТ и графена?
Сильвия Грасселли:Улучшив конструкцию и повысив долговечность наших гомогенизаторов, компании GEA удалось снизить общую стоимость владения в том, что касается производства УНТ и графена. Это было нелегко, учитывая, что материал вызывал почти немедленную эрозию клапанов гомогенизатора — в течение 24 часов. Сегодня мы можем сотрудничать с клиентами из различных отраслей для более эффективной разработки и производства этих материалов.
В нашем Центре технологий производственных процессов гомогенизации в Парме, Италия, мы можем предоставить клиентам лабораторное и пилотное оборудование для испытаний. Высококвалифицированные специалисты центра также окажут помощь в разработке продукции, в том числе помогут провести анализ затрат и возможностей масштабирования. Это, в сочетании с поддержкой клиентов на месте, позволит свести к минимуму инвестиционный риск для клиента, обеспечивая при этом успешные запуски продукции.
