功能强大的产品通常以小包装提供,而纳米分子则是最小的。由于碳纳米管和石墨烯基材料在电子、智能服装以及保护环境(尤其是我们的水域)等各种应用中发挥高度专业化、增值的作用,因此对碳纳米管和石墨烯基材料的需求正在上升。

考虑到它们的磨蚀性和聚集趋势,碳纳米管和石墨烯很难分解并重组为可用的链。但是,一旦做到这一点,它们便会提供卓越的电、热和机械性能。我们与意大利 GEA 均质化工艺技术主管 Silvia Grasselli 详谈,了解 GEA 技术如何帮助将这些令人兴奋的材料推向市场以及推动需求的增长,预计到 2025 年该市场的销售额将达到 28.6 亿美元。

什么是碳纳米管和石墨烯?如何使用?

SG:如果我们退一步想,“nano”是希腊语,意思是“矮人”。 “纳米”是十亿分之一米,相当于人发宽度的千分之一,这意味着这些颗粒是肉眼看不到的。碳纳米管是一片石墨烯,基本上是碳的六边形晶格,呈圆柱状并形成单壁或双壁。石墨烯是二维的石墨单层,由以六边形图案排列的碳原子的单原子层或单原子层组成。石墨烯是碳纳米管的基本结构元素,是人类已知的最耐用的材料;它也具有极好的延展性和弹性。由于只有一个原子厚,它几乎是透明的,并且是杰出的电和热导体。

碳纳米管 (CNT) 的拉伸强度是钢的 50 倍,因此非常坚固,而且重量也很轻。CNT 和石墨烯具有许多相同的特性(例如,良好的导电性和导热性),因此彼此竞争,可用于许多相同的应用,例如在电子设备中,例如计算机和手机,其中可能包含 CNT 或石墨烯或两者的组合。这些纳米材料还可在汽车、飞机、自行车甚至网球拍中提供结构增强作用。事实证明,它们出色的吸收性能可以有效清除漏油。同样,它们也展现出将微塑料分解成对环境更安全的组件的潜力。

GEA 在生产 CNT 中的作用是什么?

GEA Ariete 系列均质机
GEA Ariete 系列均质机提供有效获得工业规模使用的 CNT 和石墨烯所需的高压。

SG:尽管全世界已经知道碳纳米管和石墨烯已有好几年了,但它们尚未得到充分利用。部分原因是它们是磨石,具有结块和缠结的趋势,因此难以分解和重组。为了实现这一目标,GEA 已为其工艺申请专利并结合了其均质机的独特配置,该均质机使用高压分解纳米分子而不会损坏纳米分子,同时确保了生产过程中不会停机。

该流程的开始涉及将粉末分散在主要含水的混合物中。它从那里进入均质机,均质机将凝聚物破碎、分离,然后将纳米管一个接一个地放置以形成线性结构。结果,增加了表面积,这促进了例如电子设备中的更大透射或绝缘。这是将簇分散和分解成单壁的最有效方法,从而允许进行稳健且可扩展的制造过程,以提供高质量和一致的产品,下一步通常涉及将它们嵌入液体或树脂中。

这些材料安全吗?

Sg:集成在电子产品等产品中或嵌入在服装中,不会导致最终用户受到集成在电子产品等产品中或嵌入在服装中,不会导致最终用户受到 CNT 或石墨烯的威胁。但是,粉末形式的碳颗粒必须小心处理,不要吸入。通过连接更多的单个工艺,可以最大程度地减少甚至消除这些粉末的处理。在 2006 年至 2010 年运营的一个欧盟财团中,GEA 和 22 个合作伙伴探索了如何更安全地制造和进一步开发纳米粒子。他们工作中的一项关键发现表明,通过使用 GEA 的喷雾干燥技术,他们可以极大地改善这些粉末的安全处理,因为该处理步骤将纳米颗粒转变为较大的微粒,即使粒径不大,它们也不会在空气中传播。但是,它们仍然保留了其独特的属性。

除了与客户一起研究该工艺数年之外,我们还与意大利技术研究所合作,该研究所正在使用我们的一个实验室部门进行试验,以进一步开发在各种应用中安全使用 CNT 和石墨烯的方法。结果,我们的学习可以直接应用,这非常有效,并且对我们的客户而言是一项重大利益。

增加碳纳米管和石墨烯使用量背后的主要推动因素是什么?

漏油

SG:两者都已受到高度重视,随着时间的推移,两者将变得越来越高,特别是考虑到工业规模生产的增加,使其在商业上更具可行性。同样,尽管这些应用仍处于起步阶段,但对环境的高度关注以及使用该技术从水中清除油并分解塑料所取得的非常积极的结果将是重要的推动力。

它们越来越多广泛用于塑料、建筑、汽车、电池、能源、航空航天和金属行业的涂料和复合材料中。例如,与无定形碳电极相比,用碳纳米管制成的电极要薄十倍,并且导电率高出近 100 倍。电动汽车对更高电导率的锂离子电池的需求不断增长,也有望为碳纳米管市场增长开辟新的途径。而且,当然,电子产品和各种设备使用量的增加将继续推动这些材料的大量需求,因为它们的结构和特性非常适合涉及有效数据传输的应用,企业和消费者现在希望闪电般地发生这种情况。

由于具有非导体和绝缘体的特殊质量,CNT 和石墨烯也减少了我们设备和技术中心的占地面积。例如,服务器不再需要带有风扇的整个机房,而是基本上现在已可以装在一个小盒子里。”– 意大利 GEA 均质化工艺技术主管 Sila Grasselli 博士

GEA 客户如何使用这些材料?涉及哪些行业和应用?

SG:如上所述,我们正在与意大利技术研究所合作,该研究所正在使用 GEA 均质化技术进行试验,以进一步有效、安全地开发可在多种应用中使用的纳米管。最近,我们发表了有关功能性纳米碳纸基材构建的综合研究结果,以作为由塑料和金属制成的基材的更可持续发展的替代品。这是重要的一步,它可能通过提高可回收性和更易于管理来应对电子或电子垃圾。

我们在欧洲和亚洲都有客户,他们提供用于电子工业的 CNT 和石墨烯基产品,其中包括电池。由于它们的技术特性,这些材料不仅具有极大的隔热能力,还可以加快数据传输的速度,同时,也可以减小服务器机房和设备的尺寸,从而最大程度地减少热传递,并减少了因热量积聚造成的损坏。通过我们的合作伙伴关系,我们可以改善和定制均质设备和流程;这些结果促成了 GEA 的一项重要专利,并为客户带来了更好的机器和产品结果 – 双赢。

碳纳米管技术

我们的化学工程客户之一已经开发了几种基于石墨烯的产品;例如,有些对涂料和油漆具有阻隔性能、用作润滑剂中的性能添加剂或改善复合材料和塑料中的导热性。他们还提供用于包装、成型和 3D 打印的产品。GEA 的另一位客户也已经开发出一种将石墨烯纳米片集成到服装中的方法,包括活动服装和鞋类。当身体在某些部位产生多余的热量时,这些热量会散布在衣服周围,通过使身体的其他部位保持温暖,同时最大程度地减少静电和摩擦,从而更有效地利用衣服。正如上文所述,基于石墨烯的材料被用于支持漏油回收以及废水处理。实际上,该技术允许再利用吸附的碳氢化合物和吸附油。

在均质化、CNT 和石墨烯生产方面,行业可以对 GEA 有何期待?

SG:GEA 通过改善均质机的设计和耐用性,帮助降低生产 CNT 和石墨烯的总拥有成本。考虑到这种材料会在 24 小时内将均质机阀立即腐蚀,因此这并非易事。如今,我们能够与各行各业的客户合作并提供支持,以更有效地开发和生产这些材料。

在我们位于意大利帕尔马的均质化工艺技术中心,我们能够为客户提供实验室和中试测试,以及支持产品开发的专业知识,其中包括成本分析和可扩展性。这与客户现场支持相结合,有助于在确保成功启动的同时将客户的投资风险降至最低。
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