Grafeen/polymeer-composieten

Een Europees project waaraan Sirris heeft meegewerkt, leidt tot de conclusie dat door de slechte verspreiding van grafeen in een kunststof matrix, de eigenschappen ervan niet beduidend kunnen worden verbeterd.

De kunststofindustrie gebruikt al jaren vulstoffen om de kenmerken van producten te wijzigen. Doel hiervan is meestal de mechanische, thermische of elektrische eigenschappen te verbeteren.

Uit diverse laboratoriumstudies die reeds rond grafeen werden uitgevoerd, blijkt dat dit materiaal, in de vorm van een nanometrisch net van monolaag koolstof, wel eens de nanovulstof van de toekomst zou kunnen zijn; dankzij zijn 2D-structuur zouden een aantal eigenschappen immers fors kunnen worden verbeterd.

Graphpol, het Europese project dat gezamenlijk door TU Chemnitz, IKV, TU Hasselt, Fraunhofer IWU en Sirris werd gevoerd en in mei 2017 werd beëindigd, strekte tot doel de volledige productieketen van grafeen/polymeer-nanocomposieten op pre-industriële schaal te evalueren.

De eerste stap van het project bestond erin de leveranciers te zoeken die in staat zijn grafeen in Europa te distribueren. Al gauw bleek dat de verkoopprijzen van grafeen zeer variabel waren. De partners spraken vijf leveranciers aan: bij vier van hen konden lowcostproducten (tussen 100 en 2000 EUR/kg) worden aangekocht; de laatste vroeg een veel hogere prijs (100 EUR/g).

Diverse analyses toonden aan dat de goedkope materialen, ondanks hun benaming ‘grafeen’, meer weg hadden van grafiet en niet in de vorm van monolaag koolstof waren. Ondanks deze vaststelling werden de onderzoekingen verdergezet omdat het uiteraard uitgesloten was om de research uitsluitend op basis van het dure (én monolaag koolstof) grafeen uit te diepen.

Er werd gebruik gemaakt van een extruder met dubbele schroef, die in verschillende configuraties werd ingericht, om composieten voor te bereiden op basis van PA6, ABS, PP en PE met het oog op de simulatie van een reëel industrieel proces. Vervolgens werden de verkregen granulaten geïnjecteerd om de mechanische, elektrische en thermische eigenschappen van de verkregen materialen te evalueren. Dezelfde stukken werden met nieuw materiaal, maar ook met polymeercomposieten/koolstofnanobuizen geïnjecteerd om de resultaten te vergelijken.

De verschillende tests hebben tot meerdere conclusies geleid. Eerst en vooral is het bijzonder moeilijk om op een homogene manier grafeen in een polymeer te integreren zonder agglomeraten te creëren, die een negatieve impact hebben op de beoogde verbetering van de eigenschappen. Bijgevolg werden de mechanische eigenschappen door de toevoeging van grafeen niet echt gewijzigd. Hetzelfde geldt voor de thermische en elektrische eigenschappen. De verspreiding van grafeen in de composietmaterialen is ontoereikend om een geleidend netwerk op te bouwen. Bovendien kunnen de resultaten die werden verkregen op met grafeen gevulde stukken, niet tippen aan die welke op met koolstofnanobuizen gevulde stalen werden verkregen.

Om het probleem van agglomeratie van het grafeen in de composietmaterialen te verhelpen, werd parallel een studie uitgevoerd met als doel het grafeen te functionaliseren om de verspreiding ervan in het polymeer te verbeteren. Die functionalisering heeft interessante resultaten opgeleverd, zonder evenwel de gemeten mechanische eigenschappen te verbeteren.

Dankzij het Graphpol-project kunnen we stellen dat het commerciële grafeen, ondanks zijn, in theorie, grote potentieel, het momenteel niet mogelijk maakt een beduidende verbetering van de mechanische, elektrische en thermische eigenschappen in polymeren tot stand te brengen. Om de problemen waarop in deze studie werd gestuit, te verhelpen, zou diepgaander onderzoek moeten worden gevoerd naar een betere verspreiding van de nanovulstof in de matrix.  

Tags: