Wzmacniane grafenem polimery gotowe do komercjalizacji
Ceny grafenu są nadal na tyle wysokie, aby zniechęcić do wprowadzania go na dużą skalę w produktach komercyjnych. Nie przeszkadza to jednak naukowcom z całej Europy w opracowywaniu materiałów i technik produkcji, które mogą wzbudzić zainteresowanie przemysłu, ponieważ większe partie grafenu stają się dostępne po niższych kosztach. Jednym z takich pionierskich przedsięwzięć jest projekt POLYGRAPH (Up-Scaled Production of Graphene Reinforced Thermosetting Polymers for Composite, Coating and Adhesive Applications). Celem zespołu projektu, złożonego z przedstawicieli 14 partnerów, w tym małych i średnich przedsiębiorstw (MŚP), firm, uniwersytetów i ośrodka badawczego, było wytwarzanie termoutwardzalnych polimerów wzmocnionych grafenem na skalę przemysłową. „Badaliśmy różne możliwości poprawy właściwości termomechanicznych i elektrycznych powłok, dodatków i materiałów kompozytowych”, wyjaśnia Maria Konstantakopoulou, inżynier ds. rozwoju w spółce koordynującej projekt, Coventive Composites. Po określeniu docelowych wartości zespół wybrał odpowiednie polimery, opracował zakres klas grafitów i grafenów oraz zidentyfikował odpowiednie techniki eksfoliacji i dyspersji, które ostatecznie umożliwiłyby zwiększenie skali produkcji przy jednoczesnym zagwarantowaniu, że grafen będzie dobrze rozprowadzony w produkcie końcowym. Jak wyjaśnia Ben Hargreaves, koordynator projektu POLYGRAPH, chodziło o wytwarzanie „na skalę, która byłaby osiągalna dla innych firm, co pozwoliłoby im na rozważenie integracji naszego rozwiązania w ich obecnych lub przyszłych produktach”. Przeszkodą we wprowadzeniu tej koncepcji na rynek są trudności w przetwarzaniu materiałów kompozytowych na dużą skalę. Partnerzy projektu zdołali wytworzyć aż 100 kg grafitu i 25 kg grafenu na partię, otwierając w ten sposób nowe horyzonty. Konsorcjum projektu wyprodukowało wiele różnych materiałów kompozytowych, które następnie zostały poddane ocenie pod kątem przewodności elektrycznej i właściwości mechanicznych. Najbardziej obiecujące powłoki, kleje i kompozyty wykorzystano do produkcji części demonstracyjnych: odpowiednio, elementu konstrukcyjnego statku powietrznego, powlekanego elementu radialu/owiewki dla branży lotniczej oraz tylnego panelu tylnego siedzenia samochodu. Uzyskane korzyści obejmują poprawę właściwości strukturalnych, redukcję wagi, zwiększenie estetyki oraz poprawę właściwości elektrycznych i ognioodporności. „Jedną z głównych zalet materiałów kompozytowych wzmocnionych grafenem, które wytworzono w ramach prowadzonych prac badawczo-rozwojowych, są ich właściwości elektryczne umożliwiające ich zastosowanie do ekranowania zakłóceń elektromagnetycznych (ang. electromagnetic interference, EMI) lub odladzania turbin wiatrowych”, podkreśla Konstantakopoulou. Oczekiwanie na odpowiednią okazję Gary Foster, który pełnił funkcję kierownika projektu POLYGRAPH, dodaje, że perspektywy komercjalizacji są bardzo różne w przypadku każdego z tych trzech materiałów. „Jeżeli chodzi o powłoki, partner projektu firma HMG Paints może praktycznie od razu rozpocząć produkcję, ponieważ to, co opracowaliśmy, nie jest zbyt odległe od produktów, które sprzedaje obecnie. Rynek klejów jest natomiast bardziej wrażliwy na ceny. Nie oznacza to, że nasi partnerzy nie będą używać tych materiałów. Czekają na odpowiedni moment, w którym konsumenci będą chcieli zakupić ten produkt”. Trzeci produkt, wstępnie impregnowane włókno kompozytowe, nazywane pre-preg, był szczególnie ważny dla firmy Coventive Composites. Jak podkreśla Hargreaves: „Wytwarzanie włókna pre-preg pierwotnie nie stanowiło tak istotnego punktu planu projektu. Testowaliśmy także inne techniki produkcji, takie jak infuzja, jednak pierwsze wyniki prac jasno pokazały, że pre-preg będzie optymalną techniką”. Obaj z Fosterem zgadzają się, że firma powinna teraz skoncentrować się na szukaniu odpowiedniego niszowego rynku dla tego kompozytu, a przyszłe działania powinny skupiać się na określeniu potrzeb potencjalnych klientów oraz zidentyfikowaniu możliwości udoskonalenia produktu, tak aby spełniał ich oczekiwania. Do tego czasu zespół będzie zajmował się ewolucją grafenu. „Konieczny jest pewien stopień uogólnienia”, wyjaśnia Foster. „Przykładowo, aby nasz produkt mógł zostać zastosowany w sektorze lotniczym, klienci będą potrzebować pewnych podstawowych danych od producentów grafenu, których obecnie nie są oni w stanie dostarczyć. Są to przeszkody, których nie jesteśmy w stanie pokonać po naszej stronie”. Mając to na uwadze, konsorcjum POLYGRAPH ściśle współpracowało z zespołem projektu Graphene Flagship, tworząc powiązanie między światem nauki a przemysłem, aby badania tego pierwszego lepiej odpowiadały potrzebom tego drugiego. Ostatecznie pozwoliłoby to firmie Coventive Composites wprowadzić na rynek innowacyjne rozwiązania do ekranowania EMI lub odladzania łopat turbin wiatrowych.
Słowa kluczowe
POLYGRAPH, grafen, powłoki, kleje, pre-preg, kompozyty, polimery termoutwardzalne
