Mikrografen (avslutat)

Syfte och mål

Projektidén är att expandera grafit med hjälp av mikrovågor (MiW). Expanderad grafit har egenskaper som möjliggör storskalig produktion av grafen. Vår idé är att ta fram en kontinuerlig MiW-baserad process för expansionen av grafit och sedan tillverka grafen, som kommer att utvärderas i värmeledningsapplikationer.

Både expanderad grafit och grafen är produkter med låg densitet (10-20 kg/m3). Den låga densiteten innebär höga transportkostnader. Potentialen i projektet är att det gör det möjligt att tillverka grafen i Sverige och på så sätt kan kostnaderna sänkas för svenska företag som vill använda grafen i sina produkter. Processen kommer också att kunna modifiera grafen och därmed bättre anpassa grafen till olika tillämpningar.

Projektparters är 2D fab AB, som tillverkar grafen och utvecklar grafeninnehållande produkter, Pegil AB som konstruerar och tillverkar MiW-anläggningar och SaltX AB som säljer värmelagringsteknologi och som har behov av icke metalliskt värmeledande material.

I projektet kommer en MiW-processutrustning att konstrueras och tillverkas. Grafit kommer att expanderas i utrustningen med hjälp av MiW. Den tillverkade expanderade grafiten kommer att användas för att tillverka grafen, vars värmeledande egenskaper kommer att utvärderas.

 

Resultat

Vi har idag en process för expandering av interkalerad grafit. Expansionsprocessen fungerar kontinuerligt och är testad om dock inte slutligt optimerad. Processen består av tre huvudsakliga steg: 1) transport/matning av interkalerad grafit kontrollerat och kontinuerligt in i mikrovågsreaktorn; 2) kontinuerlig expansion av interkalerade grafiten i mikrovågsreaktorn; 3) insamling av expanderat material och bortförsel av reaktionsgaser 

Den expanderade grafiten går att använda för exfoliering till grafen i 2D fabs exfolieringsprocess. Vi har utfört exfoliering på tre olika batcher av expanderad grafit. Det vi funnit är att flera olika parametrar är betydelsefulla i processen. Uppehållstiden i mikrovågsreaktorn för den interkalerade grafiten är en mycket viktig parameter. Den måste optimeras för att ge ett bra förhållande mellan tillräcklig expansion och hög processhastighet. För att detta ska kunna åstadkommas måste det till bra styrning och reglering av inmatnings- och bortförsel-system. 

I stort sett har vi uppfyllt målen. Dock måste ytterligare optimering utföras för att nå den kvalitet och hastighet i processen som är önskvärd. Vi har testat expansion av interkalerad grafit från två leverantörer och till dags dato visar våra tester inte någon avsevärd skillnad mellan materialen.  

En insikt från projektet var att grafen inte automatiskt passar in i de tillämpningar man på förhand kunnat förutse och hoppas på. Det visade det sig att SaltX som slutlig användare av grafen i sina tillämpningar fann att grafen som tillsats i sina kompositer inte innebär en väsentlig förbättring i ledningsförmåga gentemot andra prövade tillsatser med hänsyn taget till cost/performance. Därmed är det inte sagt att grafen som tagits fram enligt vår nya process är av sämre kvalitet än grafen från andra källor. 

Vi tror att framtiden är positiv för den typ av grafen vi tillverkar (icke-oxiderad grafen från en miljövänlig exfolieringsprocess). Vi har intressenter som nu börjar genomföra mycket storskaliga projekt där grafen sannolikt passar väl in som komponent. Vi uppskattar att den första produkten för kontinuerlig expansion av grafit med mikrovågor kommer kunna vara färdigställd i slutet av 2020. 

När det gäller behov av partner eller expertis anser vi att vi idag har det kunnande och upparbetade underleverantörer som krävs. Vi ser naturligtvis över möjligheterna till ytterligare kompetensförstärkning om så skulle krävas. 

Abstract in English

Micrographene
The project idea is to expand graphite using microwaves (MiW). Expanded graphite has properties that enable large-scale production of graphene. Our idea is to develop a continuous MiW-based process for the expansion of graphite and then to produce graphene, which will be evaluated in thermal conductivity applications.

Both expanded graphite and graphene are low density products (10-20 kg / m3). The low density means high transport costs. The potential of the project is that it makes it possible to manufacture graphene in Sweden, thus reducing costs for Swedish companies wishing to use graphene in their products. The process will also be able to modify graphene and thus better adapt graphene to different applications. Project partners are 2D fab AB, a manufacturer of graphene and developer of graphene-containing products, Pegil AB, which designs and manufactures MiW plants and SaltX AB, which sells heat storage technology and which need non-metallic heat-conducting materials. In the project, a MiW process equipment will be designed and manufactured. Graphite will be expanded in the equipment using MiW. The manufactured expanded graphite will be used to produce the graph whose heat conducting properties will be evaluated.

Results
After completing the project, we have a process for expanding intercalated graphite. The expansion process works continuously and is tested however not finally optimized. The process consists of three main steps: 1) transport / feed of intercalated graphite controlled and continuously into the microwave reactor; 2) continuous expansion of intercalated graphite in the microwave reactor; 3) collection of expanded material and removal of reaction gases.

The expanded graphite can be used for exfoliation of graphene in the 2D fab exfoliation process. We have performed exfoliation on three different batches of expanded graphite. What we have found is that several different parameters are important in the process. The residence time in the microwave reactor for the intercalated graphite is a very important parameter. It must be optimized to provide a good relationship between sufficient expansion and high process speed. In order to achieve this, it must have good control and regulation of input and removal systems.

By and large, we have met our goals. However, further optimization must be performed to achieve the quality and speed of the process that is desirable. We have tested the expansion of intercalated graphite from two suppliers and to date our tests do not show any significant difference between the materials.

An insight from the project was that graphene does not automatically fit into the applications that could be predicted and hoped for in advance. It turned out that SaltX, as a final user of graphene in its applications, found that the graphene as an additive in its composites does not represent a significant improvement in conductivity compared to other tested additives with regard to cost / performance. Thus, it is not said that graphene developed according to our new process is of inferior quality than the graphene from other sources.

We believe that the future is positive for the type of graphene we produce (non-oxidized graphene from an environmentally friendly exfoliation process). We have stakeholders who are now starting to implement very large-scale projects where graphene probably fits well as a component. We estimate that the first product for continuous microwave graphite expansion will be completed by the end of 2020.

When it comes to the need for partners or expertise, we believe that today we have the know-how and that we have developed the subcontractors required. We, of course, overlook the possibilities for further skills enhancement if required.

Utlysning:
Samverkansprojekt för kommersiella tillämpningar med grafen – våren 2018

Projektpartners: 2D fab, Pegil och SaltX Technology

Projektledare: Sven Forsberg, 2D fab AB

Projektform: Forsknings- och innovationsprojekt

Bidrag: 1 000 000 kr

Projektets löptid: 15 maj 2018 - 14 nov. 2019

Relaterade styrkeområden: