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Materie plastiche potenziate con grafene

Le straordinarie caratteristiche del grafene hanno suscitato l’interesse di numerosi settori industriali. Un esempio viene dalla società The Sixth Element che negli ultimi anni si è concentrata sul miglioramento delle materie termoplastiche, in particolare HDPE e PA6, mediante l’impiego di questo materiale.

La The Sixth Element (Changzhou) Materials Technology è un leader nella produzione di grafene e prodotti annessi, con una produzione attuale di 400 tonnellate all’anno e una capacità disponibile di 1000 tonnellate all’anno da aprile 2020. Sia i differenti tipi di grafene sia l’ossido di grafene prodotti dalla The Sixth Element sono registrati al REACH. La The Sixth Element è certificata ISO 9001-2015 e ISO 14001-2015. La The Sixth Element ha iniziato a lavorare su rivestimenti protettivi ecologici per la corrosione industriale utilizzando grafene sin dall’inizio del 2012. In Italia i prodotti della The Sixth Element sono distribuiti da Sarco Chemicals S.r.l.

Grafene: un’introduzione

La grafite è nota per le sue strutture a strati e molti scienziati hanno condotto ricerche su tali strutture da decenni. All’inizio del 2000, alcuni scienziati americani hanno inventato un processo volto a isolare lamine di grafene su scala nanometrica. Nel 2004 Novoselov e Geim pubblicano un articolo che descrive e caratterizza in dettaglio il grafene, usando un nastro adesivo per esfoliare i singoli strati dalla grafite. Oggi, questi singoli strati sono chiamati grafene. Novoselov e Geim erano affascinati dalle proprietà elettriche e termiche di questo prodotto, mentre altri ricercatori, in seguito, ne determinarono le proprietà meccaniche molto elevate. Per la loro ricerca e scoperta, Novoselov e Geim hanno ricevuto il premio Nobel nel 2010.

Qualsiasi prodotto costituito da più di uno strato di grafene, è chiamato grafene a pochi strati. Secondo lo standard ISO, tutti i materiali con più di 10 strati sono detti nano-grafite. Le proprietà, principalmente le proprietà elettriche e meccaniche, che vanno dal grafene a pochi strati sino alla nano grafite, cambiano molto gradualmente.

Oggi esistono due principali modi per produrre grafene ed affini. Un metodo utilizza la deposizione di vapore chimico su substrati diversi partendo da un’atmosfera ricca di carbonio per ottenere prodotti monostrato di grandi dimensioni. I primi prodotti industriali basati su questa tecnica di produzione sono stati dei prototipi o delle piccole serie di sensori.

Con l’altro metodo parte dalla grafite e vengono utilizzate tecniche di esfoliazione liquida. Il più popolare è un metodo Hummers modificato, che inizia con l’ossidazione di tutti gli strati di grafite, separandoli e infine riducendo l’ossido di grafene in atmosfera inerte per ottenere diverse tipologie di grafene. Il metodo Hummers modificato viene eseguito sia in solventi sia in acqua. Alcuni usano anche tecniche di esfoliazione indotta elettricamente con acqua come mezzo di sospensione e altri usano speciali tecnologie di macinazione meccanica. Questi metodi forniscono grafene a pochi strati e in parte nano-grafite e sono adatti per volumi di produzione molto grandi a costi ragionevoli.

Inoltre, esistono combinazioni tra metodo di deposizione dei vapori chimici e riduzione, a seconda del precursore del carbonio utilizzato.

Utilizzo del grafene

Sulla base delle proprietà straordinarie del grafene, molte industrie stanno cominciando a prendere in esame questo materiale. Nel coating, il grafene viene utilizzato per migliorare la conduttività elettrica e termica o le proprietà di protezione dalla corrosione dei sistemi di rivestimento.

Per ciò che riguarda invece l’industria della gomma, è stato dimostrato che l’abrasione può essere ridotta, pur mantenendo altre proprietà. Nei prodotti schiumati, aumentano sia la resistenza alla fiamma sia le proprietà di isolamento.

Grazie alla sua elevata conduttività termica, i prodotti a base di grafene vengono utilizzati per ridurre significativamente la temperatura della batteria degli smartphone quando si lavora a piena potenza. Ancora, nelle batterie il grafene svolge un ruolo importante come additivo.

Nella maggior parte dei casi è necessaria solo una piccola quantità di grafene per ottenere le proprietà desiderate.

Miglioramento delle proprietà nei materiali plastici

Negli ultimi anni, The Sixth Element si è concentrata sul miglioramento delle materie termoplastiche con il grafene, in particolare su HDPE e PA6.

Insieme a un partner cinese, The Sixth Element ha sviluppato un processo per integrare il grafene nella polimerizzazione in situ dei polimeri PA6. A partire da una sospensione di ossido di grafene appositamente progettata, l’ossido di grafene reagirà prima con una parte del caprolattame, prima che questo venga polimerizzato al peso molecolare progettato. Quando la temperatura di polimerizzazione è superiore a 200°C, l’ossido di grafene si riduce e si forma il grafene. La filatura di tale polimero in fibre, porta ad un incremento delle proprietà meccaniche fino al 60% senza avere un significativo impatto sull’allungamento. Altri effetti secondari ma non meno interessanti, sono, l’aumento del ritardo di fiamma del sistema dovuto all’effetto barriera del grafene, una maggiore viscosità della massa fusa del composito di grafene PA6 e la migliore protezione termica della fibra.

The Sixth Element è stata contattata per un nuovo sviluppo da un produttore di tubi in HDPE utilizzati nell’industria petrolifera e del gas. Per questa applicazione è richiesta un’elevata conduttività elettrica. Tradizionalmente viene impiegato del carbon black per ottenere le proprietà elettriche richieste a discapito delle proprietà meccaniche, principalmente resistenza alla trazione ed allungamento.

Utilizzando tecniche di lavorazione tradizionali adattate alle caratteristiche del grafene, una quantità appropriata di grafene, conferirà al manufatto la alla conduttività elettrica richiesta. Inoltre, la resistenza alla trazione aumenta, ma a causa dell’effetto rinforzante del grafene, si ottiene un irrigidimento del polimero ed un allungamento ridotto.

Attualmente non esiste un metodo industriale disponibile per polimerizzare in situ il grafene con etilene per formare un composito HDPE di grafene, paragonabile al composito di grafene PA6 come citato sopra.

In un programma di screening, The Sixth Element, ha combinato diversi prodotti di grafene con diverse percentuali di Carbon Black. Così come alla sola aggiunta di grafene, maggiore è la quantità di grafene e con un’appropriata aggiunta di Carbon Black, la resistenza alla trazione viene migliorata, mentre l’allungamento si riduce in modo significativo. In nessuna delle combinazioni è stato possibile raggiungere le proprietà di allungamento dell’HDPE puro.

L’ossido di grafene ridotto, che mostra una conduttività piuttosto bassa, è un prodotto di grafene, appositamente progettato per incrementare le proprietà meccaniche dei polimeri. Una combinazione di ossido di grafene ridotto SE1430 con Carbon Black può portare alle proprietà complessive desiderate. Il Carbon Black è principalmente responsabile della conduttività elettrica, mentre SE1430 supporta le proprietà elettriche e conferisce le proprietà meccaniche desiderate.

In uno studio specifico per tubazioni in HDPE, una combinazione di 0,3% di SE1430 con l’8% di Carbon Black, ha ottenuto una conduttività elettrica leggermente migliore rispetto al solo Carbon Black, mantenendo l’allungamento dell’HDPE puro (500%) e ottenendo una maggiore resistenza alla trazione di 21 Mpa, superiore rispetto allo standard (18 MPa). In altri progetti è stato persino possibile ridurre lo spessore delle pareti di questi tubi. Ciò riduce non solo il peso degli stessi ma porta anche ad una soluzione più ecosostenibile, poiché è necessario meno materiale per ottenere le stesse prestazioni.

a cura di di Bernhard Münzing (Sales Director, The Sixth Element (Changzhou) Materials Technology Co. Ltd) e Bruno Tosi (Managing Director di Sarco Chemicals S.r.l)

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