Daha akıllı, güvenli bir dünya için karbon nanotüp teknolojisi
29 Nov 2019
Güçlü şeyler genellikle küçük pakette gelir ve nano-ölçekli moleküller de en küçüklerden biridir. Elektronik, akıllı giysi ve çevrenin, özellikle de sularımızın korunması dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda oynadıkları oldukça özel, katma-değer rolü düşünüldüğünde karbon nano-tüpler ve grafen-bazlı malzemelere olan talep artmaktadır.
Aşındırıcılıkları ve aglomerasyona yatkınlıklarından dolayı karbon nano-tüpler ve grafenin kırılması ve kullanılabilir zincirler haline getirilmesi zordur. Ancak bunu bir kez sağladıktan sonra mükemmel elektriksel, termal ve mekanik özellikler sunarlar. GEA teknolojisinin bu heyecan verici malzemelerin pazara sürülmesine nasıl yardımcı olduğunu ve 2025 yılına kadar talebin yaklaşık US$2.86 milyara ulaşmasının beklenmesindeki etkenin ne olduğunu öğrenmek için GEA İtalya'daki Proses Teknolojisi Homojenizasyon BaşkanıDr. Silvia Grasselli ile görüştük.
Karbon nano-tüpler ve grafen nedir ve nasıl kullanılır?
SG:Eğer bir adım geri gidersek, ‘nano’ Yunanca ‘cüce’ kelimesinden gelmektedir. Bir 'nanometre' metrenin milyarda biridir - insan saç teli kalınlığının binde birine eşdeğerdir, bu da bu partiküllerin çıplak gözle görülemediği anlamına gelmektedir. Bir karbon nano-tüpü bir grafen plakasıdır, temelde silindir formunda tek veya çift duvarlı olarak gelişen altıgen karbon örgüsüdür. Grafen, altıgen şekilde dizilmiş tek veya mono atomik karbon atomları katmanı içeren 2-boyutlu tek kat grafittir. Grafen, karbon nanotüplerinin temel yapısal ögesidir ve insanlığın bildiği en sert malzemedir; ayrıca oldukça kolay işlenebilir ve esnektir. Tek-atom-kalınlığında olduğu düşünüldüğünde neredeyse şeffaftır ve mükemmel bir elektriksel ve termal iletkendir.
Çelikten 50 kat fazla gerilme kuvveti ile karbon nano-tüpleri (CNT) hem çok güçlü hem de çok hafiftir. CNT'ler ve grafen bir çok ortak özelliğe (örn. iyi bir elektriksel ve termal iletkenlik) sahip olduğundan, bileşenlerinde CNT veya grafen ya da bunların birleşimini içeren bir çok uygulamada - örneğin bilgisayarlar ve mobil telefonlar gibi elektronik cihazlar - birbirleriyle rekabet halindedir. Bu nano-materyaller ayrıca arabalarda, uçaklarda, motorlarda ve hatta tenis raketlerinde yapısal takviye görevi yapmaktadır. Mükemmel absorpsiyon özellikleri de yağ döküntülerinin temizlenmesindeki etkilerini kanıtlamıştır. Benzer şekilde mikro-plastiklerin çevre için daha güvenli bileşenlere ayrılmasında da umut vaat etmektedirler.
GEA'nın CNT üretimindeki rolü nedir?
SG:CNT'ler ve grafen dünyada uzun yıllardır bilinmesine rağmen potansiyelleri tam olarak kullanılamamaktaydı. Bunun bir nedeni aşındırıcı olmaları, aglomerasyon ve dolaşma eğilimi göstermeleri ve sonuç olarak kırılıp yeniden yapılandırılmalarının zor olmasıydı. Bunun için GEA, nano-molekülleri zarar vermeden kırmak için yüksek basınç kullanan ancak aynı zamanda üretimin durmamasını sağlayan eşsiz bir homojenizatör konfigürasyonu ile birleştirilmiş patentli bir prosese sahiptir.
Prosesin başlangıcında çoğunlukla su içeren bir karışımda tozun dağıtılması yer alır. Bundan sonra aglomeraları kıran, ayıran ve nano-tüpleri doğrusal bir yapı elde etmek için birbirleri arkasına dizen bir homojenizatöre girer. Sonuç olarak yüzey alanı artar, bu da örneğin elektronikte daha fazla iletim veya yalıtımı destekler. Bu, kümelerin tekli duvarlar halinde dağıtılması ve ayrılması için en etkili yöntem olup, genellikle bir sonraki adımda bunların sıvı veya reçine içine gömüldüğü yüksek kaliteli ve istikrarlı ürünler sağlayan sağlam ve ölçeklendirilebilir üretim proseslerine imkan sağlar.
GEA Ariete serisi homojenizatörler, endüstriyel ölçekte kullanmak üzere hem CNT hem de grafeni elde etmek için gereken yüksek basıncı sağlamaktadır.
Bu malzemeler güvenli mi?
SG:Elektronik gibi ürünlerin içine entegre edildiğinde veya kıyafetlerin içine gömüldüğünde son kullanıcılar CNT veya grafenlerle risk altında değildir. Ancak toz formundayken karbon parçacıklarının dikkatle kullanılması ve solunmaması gerekir. Bağımsız proseslerin bir araya getirilmesi ile bu tozların elleçlenme oranı azaltılabilmekte ve hatta ortadan kaldırılabilmektedir. 2006 ila 2010 arasında yürütülen bir AB konsorsiyumunda GEA ve 22 ortak, nano parçacıkların nasıl daha güvenli fabrikasyonunun yapılabileceği ve daha fazla geliştirilebileceğini incelediler. Çalışmalarındaki anahtar bir bulgu, GEA’nın sprey kurutma teknolojisini kullanarak bu tozların güvenli şekilde elleçlemesinin büyük oranda arttırılabileceğini göstermiştir, çünkü bu proses adımı nano parçacıkları daha büyük, boyutları düşünüldüğünde havada asılı kalmayan mikro parçacıklara döndürmektedir. Buna rağmen eşsiz özelliklerini korumaya devam etmektedir.
Ayrıca prosesi uzun yıllardır müşterilerle birlikte araştırarak, CNT'lerin ve grafenin çok çeşitli uygulamalarda güvenli kullanımını daha da geliştirmek için denemeleri laboratuvar ünitelerimizden birinde gerçekleştiren İtalyan Teknoloji Enstitüsü ile de ortaklık yapmaktayız. Sonuç olarak öğrendiklerimiz doğrudan uygulanabilmekte, bu da müşterilerimiz için etkili ve önemli bir avantaj sağlamaktadır.
Artan CNT ve grafen kullanımının arkasındaki anahtar etkenler nelerdir?
SG:Her ikisi de oldukça değerli olup, endüstriyel ölçekli üretimin artarak bunları ticari olarak daha uygulanabilir yaptığı göz önünde bulundurulduğunda bu değerleri artmaya devam edecektir. Aynı şekilde, çevreye giderek daha fazla odaklanılması ve bu teknolojinin sulardan yağın temizlenmesinde ve plastiklerin ayrıştırılmasında sağladığı pozitif sonuçlar önemli etkenler olacaktır, ancak bu uygulamalar henüz oluşum aşamasındadır.
Plastiklerde, konstrüksiyonda, otomotivde, akülerde, enerjide, hava-uzayda ve metal endüstrilerinde kapama ve kompozit olarak giderek daha fazla kullanılmaktadır. Örneğin karbon nano-tüplerinden yapılmış elektrotlar, amorf karbon elektrotlarla kıyaslandığında on kat daha ince ve neredeyse 100 kat daha fazla iletkenlik sağlamaktadır. Elektrikli araçlarda daha yüksek iletkenliğe sahip lityum-iyon bataryalar için artan talebin ayrıca karbon nano-tüp pazarının büyümesinde yeni ufuklar açacaktır. Ve elbette,elektroniğin ve çeşitli cihazların artan kullanımı da bu malzemelere olan talebi, yapılarının ve özelliklerinin bugünün işletmeleri ve insanlarının ışık hızında olmasını beklediği etkili veri transferini içeren uygulamalarda ideal olması nedeniyle büyük oranda etkileyecektir.
Yalıtkan ve izolatör olarak özellikleri düşünüldüğünde de CNT ve grafen, cihazlarımızın ve teknoloji merkezlerimizin ayak izini azaltmaktadır. Örneğin sunucular, artık fanlarla dolu koca bir oda gerektirmiyor, sadece küçük bir kutu içinde muhafaza edilebiliyor.“– Dr. Silvia Grasselli, Homojenizasyon Proses Teknolojisi Başkanı, GEA İtalya
– Dr. Silvia Grasselli, Homojenizasyon Proses Teknolojisi Başkanı, GEA İtalya
GEA müşterileri bu malzemeleri nasıl kullanıyor ve hangi endüstriler ve uygulamalar bunun bir parçası?
SG: Daha önce de belirttiğim gibi, çok çeşitli uygulamalarda kullanılmak üzere nano-tüplerin etkin ve güvenli şekilde geliştirilmesi için yapılan denemelerde GEA homojenizasyon teknolojisini kullanan İtalyan Teknoloji Enstitüsü ile işbirliği yapıyoruz. Oldukça yakın bir tarihte plastikten ve metalden yapılanlara daha sürdürülebilir bir alternatif olarak işlevsel nano-karbon kağıt substratlarının oluşturulmasındaki ortak bulgularımızı yayınladık. Bu, malzemenin daha geri dönüştürülebilir ve yönetiminin daha kolay hale getirilmesi ile elektronik veya e-atıklarla olası mücadelede önemli bir adımdır.
Bataryalar da dahil olmak üzere elektronik endüstrisinde kullanım için CNT ve grafen-bazlı ürünler sağlayan Avrupa ve Asya genelinde müşterilerimiz bulunmaktadır. Teknik özellikleri ve ısı iletimini, dolayısı ile ısı birikiminin neden olduğu zararları minimuma indiren olağanüstü yalıtım kabiliyetleri nedeniyle bu malzemeler veri aktarımını hızlandırırken aynı zamanda sunucu odalarının ve cihazların boyutlarını küçültmektedir. Kurduğumuz ortaklıklar sayesinde homojenizasyon ekipman ve proseslerimizi geliştirip özelleştirebiliyoruz; bu sayede GEA'ya önemli bir patent, müşteriler için de daha iyi makine ve ürün sonuçları kazandırdık - böylece herkes kazandı.
Kimyasal mühendislik müşterilerimizden bir tanesi çok sayıda grafen-bazlı ürün geliştirdi; örneğin bazıları kaplama ve boyalara bariyer özelliği sağladı; yağlayıcılarda performans katkısı görevi yaptı veya kompozitlerin ve plastiklerin termal iletkenliğini arttırdı. Ayrıca paketlemede, kalıplamada ve 3D yazıcılarda kullanılan ürünleri de mevcut. Bir başka GEA müşterisi, grafen nano-plakalarının aktif giyim ve ayakkabı dahil olmak üzere giyime entegrasyonu için bir proses geliştirdi; vücudumuz belirli alanlarda aşırı ısı ürettikçe bu ısı kıyafetin geneline yayılmakta, bu ısı vücudun diğer bölümlerinin sıcak tutulmasında kullanılmakta, aynı zamanda statik ve sürtünme azaltılmaktadır. Yine daha önce de belirttiğimiz üzere, grafen-bazlı malzeme yağ döküntülerinin temizlenmesinde ve atık su arıtmasında kullanılmaktadır. Aslında bu teknoloji yüzeye tutunan hidrokabonların ve yağların yeniden kullanılmasına imkan vermektedir.
SÖz konusu homojenizasyon, CNT'ler ve grafen üretimi olduğunda endüstrinin GEA'dan beklentisi ne olabilir?
SG:Homojenizatörlerimizin tasarım ve sağlamlığını iyileştirerek GEA, söz konusu CNT ve grafen üretimi olduğunda toplam sahip olma maliyetinin azaltılmasına yardımcı olmuştur. Malzemenin homojenizatör valflarının 24 saat gibi kısa bir sürede aşınmasına neden olduğu düşünüldüğünde bu pek te kolay bir özellik olmadı. Bugün bu malzemelerin daha etkili şekilde geliştirilmesi ve üretimi için farklı endüstrilerdeki müşterilerimizle ortaklık yapabiliyor ve onları destekleyebiliyoruz.
Parma, İtalya'daki Homojenizasyon Proses Teknolojisi Merkezimizde müşterilerimize laboratuvar ve pilot test olanaklarının yanı sıra maliyet analizini ve ölçeklendirmeyi de içeren ürün geliştirmenin desteklenmesi için uzmanlığımızı da sunmaktayız. Bununla birlikte müşteri-tesisinde sunduğumuz destek, müşterinin yatırım risklerini minimuma indirirken aynı zamanda başarılı kurulumlar sağlamaktadır.
