Grafen kompositmaterial, steg 2

Syfte och mål

Projektet syftar till att ta fram skottsäkra produkter, främst till personlig skyddsutrustning. Detta genom att införa grafen i polykarbonater (PC) och sedan tillverka ett antal olika sandwichkonstruktioner ihop med andra material.

Skottsäkerhet är en av de mest krävande applikationer som behöver spjutspetsegenskaper hos ingående material. Saintpro och 2D fab har gjort en genomförbarhetsstudie som visade att vi kan producera kompositer av PC med grafen och att grafen påverkar de mekaniska egenskaperna mycket positivt. Vid preliminära tester av sandwichkonstruktioner under förstudien kunde skottsäkerhet (dock inte enligt standard) konstateras. Flera hårdvaruleverantörer har visat intresse efter vår förstudie, och vill vara med i processen.

Målet är att tillverka vår unika och patenterat sköld med grafen innehållande material som klarar global ballistisk skyddsstandard NIJ Standard III och europeisk skyddsstandard WPAM 6.

Om projektet lyckas kommer grafen att kunna användas i många andra olika produkter som har krav på skottsäkerhet, men också i en myriad andra produkter, t.ex. inom fordonsindustrin. Projektet kommer att genomföras av ett konsortium bestående av Saintpro, 2D fab samt Chalmers industriteknik (CIT).

Den globala marknaden för kroppspansar och personskydd uppskattas till 2 miljarder dollar med en ökning på ca 10 % per år.

Resultat

Framställning av grafen har utförts i 2D fab grafen process med expanderad grafit i vattensuspension. Viktiga komponenter i processen är antal skjuvningscykler, tillsatsmedel och grafitkoncentration. Försök med optimering av antal cykler och grafitkoncentrationer har utförts för att uppnå lämplig produkt för kompositer till ballistiska applikationer. Olika tillsatsmedel är också nödvändiga för att stabilisera den färdiga grafenprodukten och förhindra agglomerering i vattensuspension. Flera tensider (dispergeringsmedel) och processhjälpmedel har utvärderats för att uppnå hög stabilitet av grafen. 

Saintpro har formsprutat plattor och provstavar av polykarbonat-grafenkompositer ( PC-Gr ). Framställning för ballistiska undersökningar har i ett första steg komponderats till en masterbatch (MB) av PC-Gr med förhållandevis hög grafenhalt. Tillsammans med Polykemi AB (Ystad) framställdes ca 20 kg MB. Vid senare tillfälle blandades MB med vald baspolymer och formsprutades av Saintpro vid olika koncentrationer och anpassad detalj storlek (Bobe Plast AB). Framställda detaljer har grafenhalter av 0 %, 0.5% 0.75%, 1.0 och 2.0%.  

Utförd provning
Specifika ytan (BET) av exfoilierad grafen (2Dx standard, pulver) har analyserats och uppvisar värden mellan 25-35 m2/g. Provstavar av PC/Gr formsprutades och testades med dragprovning i enlighet med ISO-527 (AD-manus Materialteknik AB). E-modulen ökade med ungefär 40 % vid 2.0 wt% tillsatt grafen (2D fab, 2Dx Standard) i PC, (Sabic, Lexan EXL 1434). Provkroppar av PC-Gr finns för framtida analyser Split-Hopkinson instrument. 

Uppfyllde ni de uppsatta målen och förväntningarna?
– Tester hos CIT och 2D fab visar positiva förbättringar av provbitar med grafentillsats. Vi har testskjutit skarpt på materialet med positivt resultat. Vi även testskjutit på materialet i form av sandwichkonstruktionen (PC-Gr och kolfiber) och här kunde vi se en klar förbättring. Vi ser behovet av fler tester för att säkerställa exakt vilket material som tillförde dessa extra egenskaper som ökade ballistiska egenskaperna i materialet.  De mekaniska egenskaperna hos provplattorna undersöktes på Chalmers med kryptester, dragprovning, DMTA och slagprovning. Dessa jämfördes även med provstavar tillverkade med samma masterbatchar på Chalmers.

Vad var den viktigaste grafenrelaterade insikten i projektet?
– Att vi fick fram all nödvändig information som behövdes för att kunna formspruta materialet, samt att de involverade företagen blev uppdaterade om grafen och dess egenskaper. Företaget Bobe Plast AB hade inte hört talas om grafen tidigare och visste inte om deras nuvarande maskinpark klarade av att formspruta materialet. Tillsammans med FOI (Totalförsvarets forskningsinstitut) genomfördes under två tillfälle mekaniska testskjutningar med 5 olika formsprutade plattor med olika blandning av grafen/PC och tjocklekar. Testerna visade en förbättring med grafen/pc än med enbart pc i plattorna.  

Hur ser ni på framtiden för grafen inom ert tillämpningsområde – hur lång tid är det kvar till första produkten?
– Saintpro har under ett flertal tillfälle introducerad grafen för flera företag. Vi är helt övertygade om att grafen inom 3-5 års tid kommer att finnas i många olika applikationer. Framöver hoppas vi formspruta i skalenliga prototyper av våra sköldar. Projektet har varit mycket lärorikt för alla partner där kunskapen om grafen har medfört en ökad kunskap om materialets egenskaper och framförallt användningsområde som vi ser är oändliga för detta material. 

 Finns det några partner eller expertis ni saknar för att gå vidare?
– Vi har byggt upp ett starkt nätverk av forskare, tillverkare och testcenter. För tillfället saknar vi inte något expertis från vår sida, men detta kan komma att ändras framöver. Vi ämnar att gå vidare med en ny ansöka för nästa steg för att kunna tillverka skalenliga produkter för verifiering i riktiga testmiljöer.