Graphene 101:Formularios, propiedades y aplicaciones

El grafeno, aislado y caracterizado por primera vez en 2004 por investigadores de la Universidad de Manchester (Manchester, Reino Unido) que utilizaron cinta adhesiva para separar el grafito en capas individuales de carbono, le valió a sus fundadores Andre Geim y Kostya Novoselov el Premio Nobel de Física en 2010. A Una década más tarde, las aplicaciones compuestas mejoradas con grafeno (desde supercondensadores reforzados con nanofibras de aramida para baterías de vehículos eléctricos hasta herramientas compuestas aeroespaciales y recipientes a presión criogénicos) continúan ganando titulares. El material en sí ha estado disponible comercialmente durante unos 10 años, pero, según Terrance Barkan, director ejecutivo del Graphene Council (New Bern, N.C., EE. UU.), El camino del grafeno hacia la comercialización se ha acelerado significativamente en los últimos dos años. De hecho, más de 2.300 patentes relacionadas con el grafeno han sido aprobadas solo en los últimos 12 meses, informa el Graphene Council.

Aclamado como un "material maravilloso", el grafeno se ha hecho conocido por su impresionante variedad de cualidades mecánicas, altos costos e inmadurez de la cadena de suministro. Como resultado, el Graphene Council y otros en la industria del grafeno están ayudando a los profesionales de la industria de los compuestos a dar una nueva mirada a lo que es el grafeno y su potencial dentro de las aplicaciones de compuestos.

Formularios y propiedades

El grafeno es una hoja plana bidimensional de átomos de carbono enlazados en una densa red cristalina en forma de panal. Aunque la forma más pura de grafeno tiene solo un átomo de espesor, el grafeno también se puede fabricar en láminas que comprenden hasta 10 o más capas de carbono.

Los productores de grafeno producen grafeno de dos formas diferentes. Una forma es exfoliar capas individuales de carbono de una materia prima como el mineral grafito. Alternativamente, las capas de carbono se pueden depositar sobre un sustrato a partir de una materia prima gaseosa como el metano (esto se denomina deposición química de vapor o CVD). CVD produce las versiones de grafeno de capa única más delgadas; la mayoría de los productos de grafeno a granel o multicapa que se utilizan en aplicaciones compuestas se exfolian del grafito.

Después de que se otorgara el Premio Nobel a Geim y Novoselov en 2010, siguió un aumento en las empresas y laboratorios que clamaban por desarrollar aplicaciones que utilicen grafeno, según Barkan, porque el material ha demostrado ser el más resistente, rígido y delgado hasta ahora disponible.

En los compuestos, el grafeno se usa típicamente como un aditivo dentro de las matrices de resina y otros materiales para mejorar una variedad de propiedades mecánicas, que incluyen conductividad eléctrica y térmica, durabilidad, flexibilidad, rigidez, resistencia a los rayos UV, reducción de peso y resistencia al fuego. Barkan observa que el grafeno también puede reducir la falla por cizallamiento interlaminar, eliminar los problemas de microfisuras dentro de un laminado compuesto y mejorar la resistencia / tenacidad al impacto para su uso en aplicaciones compuestas, señala Barkan. "Es básicamente mágico", concluye.

También hay un factor de sostenibilidad inherente al uso de grafeno, señala Barkan. El grafeno en sí puede reciclarse a partir de productos de desecho, como el biodiésel, y su durabilidad puede aumentar la vida útil de un material o producto, haciéndolos más sostenibles. Además, el grafeno es carbono puro, lo que evita la toxicidad potencial de algunos otros productos químicos o aditivos utilizados en las matrices de resina.

Formas de grafeno

La forma final del producto de grafeno depende, en primer lugar, del número de capas de carbono que componen el material. Según Barkan, aunque el grafeno "prístino" tiene solo una capa atómica de espesor, un material que tiene 10 capas atómicas de carbono o menos todavía se conoce en el mercado como grafeno. El grafeno generalmente se clasifica como muy pocas capas de grafeno (vFLG, 1-3 capas de carbono), pocas capas de grafeno (FLG, 2-5 capas), grafeno multicapa (MLG, 2-10 capas) o nanoplaquetas de grafeno (GNP , pilas de hojas de grafeno que pueden constar de varias capas).

Además de las capas de carbono, el grafeno se presenta en varias formas comerciales, incluido el óxido de grafeno (GO, que es un compuesto de carbono, oxígeno e hidrógeno); óxido de grafeno reducido (rGO, que tiene menos oxígeno y más carbono); polvo, solución o pasta de grafeno; nanoplaquetas de grafeno (con un espesor entre 1-3 nanómetros y dimensiones laterales que van desde 100 nanómetros a 100 micrones); y grafeno funcionalizado, que agrega elementos a la superficie o bordes del grafeno para algunas aplicaciones. Un ejemplo de grafeno funcionalizado es el grafeno tratado con plasma producido por Haydale (Ammanford, Reino Unido), que se dice que ayuda a prevenir la aglomeración durante la dispersión en una resina, según Gemma Smith, directora global de marketing de Haydale.

En general, cuanto menor sea el número de capas, mayor será el precio. Según el Graphene Council, el grafeno con 1-2 capas puede costar hasta $ 100,000 por metro cuadrado (aunque las formas comerciales son mucho menos costosas), mientras que el grafeno multicapa cuesta entre $ 50-1,500 por kilogramo. Para muchas aplicaciones de compuestos, dice Barkan, el grafeno multicapa o las nanoplaquetas de grafeno exhiben propiedades más que suficientes para ser utilizadas. Barkan también señala que las moléculas de grafeno son tan pequeñas que están completamente encapsuladas en la resina; no hay posibilidad de que se "caigan" o se "liberen" durante la fabricación.

Hay varias formas en que el grafeno en cualquiera de sus formas se puede dispersar para una aplicación, utilizando funcionalización, compuestos o una variedad de disolventes y tensioactivos. Barkan señala que un obstáculo para la comercialización del grafeno es que los métodos de dispersión siguen siendo un desafío para comprender y ejecutar para muchas aplicaciones.

Según Barkan, para las aplicaciones de compuestos, las nanoplaquetas multicapa (de 1 a 5 nanómetros de espesor) en forma de polvo negro se mezclan típicamente con la resina líquida o el endurecedor. A diferencia de muchos otros tipos de aditivos, el grafeno solo debe incorporarse en cantidades muy pequeñas para lograr las propiedades deseadas, con frecuencia menos del 1% en peso y, a menudo, hasta una décima de un por ciento o menos en peso, dice Barkan. Algunas empresas también están agregando grafeno al apresto de fibra para ciertas aplicaciones, o incluso se puede tejer en las fibras; algunos proveedores de fibra de nailon lo han hecho, señala Barkan.

"El grafeno se puede utilizar en casi cualquier plástico, resina o disolvente que se pueda imaginar", dice Barkan. Esto incluye termoplásticos, en los que el grafeno se incorpora típicamente a las perlas o gránulos termoplásticos durante la etapa de mezcla en estado fundido. La combinación de grafeno con termoplástico, dice Barkan, aumenta la temperatura de servicio de la resina y extiende su vida útil.

Proveedores y aplicaciones

Según Barkan, actualmente hay más de 200 empresas que afirman suministrar grafeno. De estos, sin embargo, dice que alrededor del 80% son operaciones pequeñas a escala de laboratorio. Él estima que hay alrededor de 30 productores de grafeno a escala industrial operando en la actualidad, con nuevas empresas que ingresan al mercado con frecuencia. La siguiente es una lista de proveedores comerciales de grafeno que son miembros de The Graphene Council:

Proveedor de grafeno	Ubicación
Abalonyx	Oslo, Noruega
Materiales de grafeno aplicado	Redcar Cleveland, Reino Unido
Avanzare	Navarette, España
Primer grafeno	Henderson, Australia
General Graphene Corp.	Knoxville, Tenn., EE. UU.
Glären	Ciudad de México, México
Grupo global de grafeno	Dayton, Ohio, EE. UU.
Graphenea	San Sebastián, España
Grolltex	San Diego, California, EE. UU.
Nanotecnología	Los Ángeles, California, EE. UU.
Ntherma	Milpitas, California, EE. UU.
Grafeno estándar	Ulsan, República de Corea
Thomas Swan	Consett, Reino Unido
Materia universal	Houston, Texas, Estados Unidos
Versarian PLC	Cheltenham, Reino Unido
William Blythe	Accrington, Reino Unido
Ciencias XG	Lansing, Michigan, EE. UU.
Soluciones de grafeno Zen	Thunder Bay, Canadá

Mercados y aplicaciones:desde artículos deportivos hasta el espacio

El Graphene Council ha identificado 45 áreas de aplicación principales para el grafeno, que van desde semiconductores hasta revestimientos, caucho y compuestos, que según el Graphene Council es actualmente el mayor usuario actual de grafeno.

Dentro de la industria de los compuestos, los mercados finales que utilizan grafeno van desde artículos deportivos hasta la industria aeroespacial y la impresión 3D, en diversos grados de comercialización. Según Philip Rose, director ejecutivo del fabricante de nanoplaquetas de grafeno XG Sciences (Lansing, Michigan, EE. UU.), El mercado del grafeno aún está madurando, especialmente dentro de la industria de los compuestos.

“Los mercados surgen y crecen con el tiempo”, explica. La comercialización de un nuevo material “comienza con unas pocas aplicaciones a bajo volumen, luego muchas aplicaciones a bajo volumen. Y luego se obtiene un número de aquellos que crecen a un volumen intermedio, y luego un número menor que crece a un volumen muy alto. [Con el grafeno], todavía estamos en la etapa de "pocas aplicaciones a bajo volumen" en el espacio compuesto. Y eso podría deberse a varias razones:argumentos de la cadena de suministro, eficacia u otras razones. Creo que es solo una cuestión de madurez ... y eso solo requiere tiempo y educación ".

Rose señala a la industria de artículos deportivos como el primer adoptante importante de compuestos mejorados con grafeno. “[El] [mercado] de artículos deportivos podría beneficiarse no solo de los atributos de rendimiento [del grafeno], sino también de los atributos de marketing”, dice. "En el mundo de los artículos deportivos, todo el mundo quiere lo último y lo mejor". Entonces, cuando el grafeno se convirtió en el nuevo "último y mejor material", los fabricantes de artículos deportivos rápidamente comenzaron a probar su valor en equipos de artículos deportivos compuestos de alta gama, como palos de hockey sobre césped, pelotas de golf, esquís y raquetas de tenis. Según Barkan, algunas aplicaciones del grafeno en compuestos deportivos buenos productos se han elevado a la producción en serie.

"Normalmente, lo que sucede después de que los artículos deportivos [adoptan un material]", continúa Rose, "es que el mercado industrial comienza a adoptarlo, y eso puede volverse bastante amplio". El alcance del grafeno en el mercado industrial, señala, no se limita a los compuestos:muchos de los clientes actuales de XG Sciences utilizan el grafeno para mejorar el rendimiento de los envases o la reciclabilidad de las botellas de plástico.

Los compuestos mejorados con grafeno también han tenido varios éxitos en la industria automotriz, donde el grafeno presenta una oportunidad para agregar fuerza y ​​resistencia al impacto con menos material, reduciendo así el peso total de la pieza. Por ejemplo, XG Sciences trabajó con Ford Motor Co. (Dearborn, Michigan, EE. UU.) En una espuma de poliuretano mejorada con grafeno que mejoró la durabilidad, el ruido, la vibración y la dureza (NVH) y el peso de los componentes producidos para Ford F-150 y Mustang. vehículos. Además, la empresa de automóviles deportivos de lujo Briggs Automotive Co. (BAC, Liverpool, Reino Unido) anunció en agosto de 2019 que todos los paneles de la carrocería de su Mono R Los superdeportivos monoplaza se producen con compuestos de fibra de carbono 100% mejorados con grafeno utilizando grafeno funcionalizado de Haydale, lo que indica, dice Barkan, potencial para más oportunidades dentro de la industria automotriz.

En la industria aeroespacial, la resistencia al impacto y el aligeramiento son clave. El mercado aeroespacial "parece que tendría un gran potencial", dice Rose, "pero las aplicaciones todavía no han alcanzado un volumen apreciable". Si bien aún no se ha logrado la calificación completa para los componentes de aviones compuestos mejorados con grafeno, sin embargo, se han presentado o están en desarrollo varias piezas de demostración en la industria aeroespacial comercial. Por ejemplo, un consorcio financiado por la Unión Europea llamado Graphene Flagship, que consta de más de 150 organizaciones asociadas en 23 países, anunció en 2018 el desarrollo de un borde de ataque horizontal compuesto mejorado con grafeno para un Airbus A350. Los socios del consorcio Airbus, Aernnova y Grupo Antolin-Ingenieria informaron que el demostrador mostró mayores propiedades mecánicas y térmicas, lo que les permitió hacer el borde de ataque más delgado y liviano manteniendo las propiedades requeridas. Graphene Flagship también encabeza un proyecto que analiza el uso del grafeno en la descongelación de superficies de aviones, así como aplicaciones en automoción, baterías y más.

La conductividad eléctrica es otro beneficio potencial del grafeno en aplicaciones aeroespaciales. En noviembre de 2019, Haydale lanzó una gama de preimpregnados mejorados con grafeno para la protección contra rayos. La compañía informó que el material mejorado con grafeno funcionalizado es adecuado para mejorar la conductividad eléctrica en componentes estructurales y para gabinetes en sistemas de aviónica electrónica.

En el mercado espacial, la tendencia del grafeno a mitigar los problemas de microfisuración dentro de los laminados compuestos se presta a recipientes a presión compuestos para el almacenamiento de combustibles y oxidantes de vehículos de lanzamiento espacial, como Infinite Composites Technology's (ICT, Tulsa, Oklahoma, EE. UU.). , criotanque totalmente compuesto anunciado a principios de este año.

Una aplicación que Barkan dice que se pasa por alto es el uso de grafeno en herramientas compuestas. Los beneficios de las herramientas compuestas mejoradas con grafeno incluyen herramientas más duraderas y una mejor distribución del calor, dice. Un ejemplo reciente de esto es un prototipo de material de herramientas desarrollado por SHD Composites Ltd. (SHD, Sleaford, Reino Unido) en colaboración con Composite Tooling and Engineering Solutions Ltd. (CTES, Matlock, Reino Unido) y Applied Graphene Materials (AGM, Redcar &Cleveland). , REINO UNIDO). Mejorada por nanoplaquetas de grafeno de AGM, una herramienta de mandril de colocación automatizada de fibra (AFP) de demostración CFRP mostró potencial para herramientas de piezas aeroespaciales de alto rendimiento y menor costo. El equipo está trabajando en desarrollos como el procesamiento del material fuera de autoclave (OOA) y prototipos de herramientas para aplicaciones de compuestos termoplásticos.

De manera experimental, Barkan dice que el grafeno también se está probando como una mejora para las palas de turbinas eólicas compuestas, cuyas superficies de alto impacto y la necesidad de estructuras livianas se beneficiarían con la inclusión de grafeno en la matriz. Smith agrega que Haydale también ve potencial para el grafeno en las palas de las turbinas eólicas para mejorar la conductividad eléctrica para proteger contra los rayos.

En camino hacia la comercialización completa

¿Qué sigue para este "material maravilloso"? Barkan predice la comercialización total del grafeno en la próxima década. "Tenemos mucho impulso positivo", dice Rose, y agrega, "todavía estamos en una fase de descubrimiento, pero comenzará con un diseño y una actividad deliberados, que en el mundo automotriz lleva mucho tiempo y más rápido en mercados como los artículos deportivos ... Pero eso proporciona más solidez a la cadena de suministro y más conocimiento sobre la eficacia, y luego se propaga a sí mismo ”.

“Creo que ahora todos los sectores están compitiendo por el uso del grafeno”, agrega Smith, “porque hemos aprendido cómo usar el grafeno, y cómo y dónde ofrece mejoras, gracias a una gran cantidad de investigación en empresas e instituciones como la Universidad. de Manchester específicamente en diferentes aplicaciones. ... Como industria, estamos teniendo conversaciones sensatas con grandes empresas espaciales, grandes empresas aeroespaciales, grandes empresas automotrices, y debido a esto, creo que el uso de grafeno en compuestos va a crecer. No hay ninguna razón por la que no lo haría ".

Mientras tanto, continúan surgiendo estudios para llenar las lagunas de conocimiento. Por ejemplo, The Graphene Council está trabajando con Composites One (Arlington Heights, Ill., EE. UU.), La Universidad de Manchester, Huntsman (The Woodlands, Texas, EE. UU.) Y Chromaflo (Ashtabula, Ohio, EE. UU.) Para coordinar un proyecto que prueba diferentes formas de grafeno dentro de un sistema de resina común. Para el proyecto, nanoplaquetas de grafeno, óxido de grafeno, óxido de grafeno reducido y grafeno funcionalizado se agregarán cada uno a un sistema de resina común (resina epoxi Araldite GY 282 de Huntsman, elegida porque es un sistema de resina común y ampliamente utilizado), cada uno al 1% en peso, 0,5% en peso y 0,1% en peso. Con no menos de 14 materiales de muestra diferentes de ocho empresas obtenidas, cada sistema de material se convertirá en una pieza que tendrá una resina pero sin grafeno, grafeno pero sin fibra, resina con grafeno y fibra de vidrio y resina con grafeno y fibra de carbono. . Las pruebas incluirán pruebas de resistencia al impacto, resistencia a la tracción, módulo de flexión y cizallamiento interlaminar, dice Barkan.

"Será la primera vez que haya una comparación directa e independiente de terceros de diferentes tipos de grafeno de diferentes compañías utilizando exactamente el mismo sistema de resina y exactamente las mismas pruebas", dice Barkan. El Graphene Council planea publicar los resultados públicamente.

“Realmente invito a la gente a ver [el grafeno] con un par de ojos nuevos”, concluye Barkan, “porque la calidad es diferente [ahora, en comparación con hace una década]. El precio es diferente. Las técnicas de manipulación son avanzadas. Tenemos estudios de casos probados, tenemos ejemplos. Se comercializa. Y vale la pena echarle un vistazo ".