Grafen kompositmaterial, steg 2 (avslutat)

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. 

 

Abstract in English

The project aims to produce bullet proof products, primarily for personal protective equipment. This by introducing the graphene into polycarbonates (PC) and then making a variety of sandwich constructions together with other materials.

Shot safety is one of the most demanding applications that need the cutting edge properties of incoming materials. Saintpro and 2D fab have done a feasibility study that showed that we can produce composites of PC with the graphene and that the graphene affects the mechanical properties very positively. For preliminary tests of sandwich constructions during the preliminary study, bullet safety (though not by default) could be found.

Several hardware suppliers have shown interest after our preliminary study, and want to be part of the process.

The goal is to manufacture our unique and patented shield with the graphene containing materials that comply with global ballistic protection standards NIJ Standard III and European WPAM 6. If the project succeeds, the graphene will be able to be used in many other different products that require bullet protection, but also in a myriad other products, such as in the automotive industry.

The project will be carried out by a consortium consisting of Saintpro AB, 2D fab AB and Chalmers Industrial Engineering.

The global market for body tension and personal protection is estimated at $ 2 billion with an increase of about 10 % per annum.

Results
Production of graphene has been carried out in 2D fab's graphene process with expanded graphite in aqueous suspension. Important components of the process are number of shear cycles, additives and graphite concentration. Attempts to optimize the number of cycles and graphite concentrations have been carried out to obtain the appropriate product for composites for ballistic applications. Various additives are also necessary to stabilize the finished graphene product and prevent agglomeration in aqueous suspension. Several surfactants (dispersants) and process aids have been evaluated to achieve high stability of the graphene.

Saintpro has injection molded plates and test poles of polycarbonate-graphene composites (PC-Gr). Preparation for ballistic examinations has in a first step been compounded to a masterbatch (MB) of PC-Gr with relatively high graphene content. Together with Polykemi AB (Ystad), approximately 20 kg MB were produced. On a later occasion, MB was mixed with the selected base polymer and injection molded by Saintpro at various concentrations and adapted detail size (Bobe Plast AB). The details obtained have graphene levels of 0%, 0.5% 0.75%, 1.0 and 2.0%.

Utlysning:
FoI-projekt och Genomförbarhetstudier (2) 2017

Projektpartners: Saintpro, 2D fab och Chalmers Industriteknik

Projektledare: Roro Yakoub, Saintpro

E-mail: roro@saintpro.com

Bidrag: 2 945 000 kr

Projektets löptid: nov 2017 - okt 2019

Relaterade projekt:
Saintshield DX3-Bulletproof (avslutat)

Relaterade styrkeområden: