Kompozyt poliuretanu i grafenu barierą dla gazów

cng

Naukowcy z Rice University w Stanach Zjednoczonych opracowali kompozytowy materiał składający się z polimerowej osnowy i grafenowego zbrojenia. Celem inżynierów było stworzenie materiału na zbiorniki magazynujące sprężony gaz. Udane połączenie poliuretanu i grafenu może okazać się korzystne dla branży motoryzacyjnej – samochodów napędzanych gazem ziemnym (CNG) oraz dla rynku żywności i napojów w zakresie opakowań.

Badacze utworzyli nowy materiał poprzez umieszczenie zmodyfikowanych grafenowych nanotaśm GNR (z ang. graphene nanoribbons) o grubości jednego atomu w termoplastycznym poliuretanie (TPU). Tworzywa termoplastyczne jak poliuretan można łatwo kształtować przez tłoczenie i wtryskiwanie w podwyższonej temperaturze a następnie szybkie schłodzenie. Natomiast równomierne rozłożenie nanotaśm z grafenu w całej objętości materiału, znacznie utrudnia ulatnianie się uwięzionych wewnątrz takiego pojemnika cząsteczek gazu. Cząsteczki były blokowane przez grafenowe wtrącenia, co skutecznie wydłużało ich drogę całkowitego przenikania przez materiał. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w internetowym wydaniu czasopisma ACS Nano, 8 października 2013 roku.

Naukowcy przyznali, że zwarte, dwuwymiarowe arkusze z grafenu mogłyby być idealną barierą dla gazów, lecz produkcja wielkogabarytowego grafenu w masowych ilościach nie jest obecnie możliwa. Dlatego najlepszą alternatywą jest użycie wąskich pasm grafenu w postaci nanotaśm. GNR wytwarzane są w procesie przekształcenia wielościennych nanorurek węglowych MWCNT (z ang. multiwalled carbon nanotubes), które jak wiadomo zbudowane są ze zwiniętego grafenu. Technika znana od 2009 roku jest wykorzystywana w produkcji przemysłowej.

Fabrykacja cienkiego kompozytu polegała na trwałym połączeniu roztworu zawierającego grafenowe nanotaśmy z termoplastycznym poliuretanem. Nanotaśmy stanowiły nie więcej niż 0,5% wagowego całego materiału. Dobrze rozprowadzone, zachodzące na siebie pasma o szerokości 200-300 nanometrów blokowały cząsteczki gazów tak skutecznie jak wielowarstwowe arkusze grafenu.

Badania kompozytu GNR/TPU bazowały na poddaniu stworzonej warstwy działaniu różnicy ciśnień (sprężonego azotu z jednej, a próżni z drugiej strony). Ciśnienie sprężonego azotu pozostało niezmienione przez około 1000 sekund (ponad 16 minut), a nieznacznie spadło po upływie 18 godzin. Dla porównania, w przypadku warstwy bez 0,5% dodatku GNR, ciśnienie spadło do zera już po 100 sekundach, gdyż azot przedostał się do komory próżniowej. Wykonano także testy właściwości mechanicznych, które wykazały, że 0,5% dodatek był najbardziej odpowiedni dla zwiększenia wytrzymałości tworzywa.

Producenci samochodów na gaz ziemny mogą czuć się docenieni. Nowy materiał potencjalnie umożliwia zastąpienie konwencjonalnych, metalowych, ciężkich zbiorników CNG lekkim kompozytem, który dobrze radzi sobie z gazami pod ciśnieniem. Proste metody produkcji oraz cena to dodatkowe zalety. Naukowcy sugerują również, że materiał może zostać wykorzystany do produkcji folii i opakowań. Pozwoli to wydłużyć czas przydatności do spożycia żywności, piwa i napojów gazowanych.

Źródło:
[1] Functionalized Low Defect Graphene Nanoribbons and Polyurethane Composite Film for Improved Gas Barrier and Mechanical Performances. ACS Nano, Article ASAP. DOI: 10.1021/nn404843n. Publication Date (Web): October 8, 2013
[2] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nn404843n/suppl_file/nn404843n_si_001.pdf | 11.11.2013
[3] http://news.rice.edu/2013/10/10/tanks-graphene-rice-advances-compressed-gas-storage-2/ | 11.11.2013
[4] Honda Civic GX CNG by mariordo59, flickr.com, CC BY-SA 2.0

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *