Stabila dispersioner av grafen och nanocellulosa för framtida kompositmaterial
Syfte och mål
Denna studie undersökte genomförbarheten för stabila dispersioner av grafen i vatten, där grafen stabiliserades med hjälp av nanocellulosa. Målet var att ta fram dispersioner med maximerad relativ andel grafen mot nanocellulosa samt maximerad torrhalt av stabiliserad grafen. Nanocellulosa har visats kunna dispergera/stabilisera material i vatten som annars inte är vattendispergerbara. I tidigare studier har flerlagersgrafen dispergerats med nanocellulosa och genererat material med mycket intressanta egenskaper, bland annat med hög termisk/elektrisk ledningsförmåga och låg hygroskopicitet. Fålagersgrafen har ännu inte studerats i kombination med nanocellulosa. Vår hypotes var att de materialegenskaper som har uppnåtts med flerlagersgrafen kunde förbättras ytterligare med fålagersgrafen samt med optimering av dispersionerna. Nanocellulosa är förnyelsebart, bionedbrytbart och relativt billigt.
Det förmodades att kombinationen grafen-nanocellulosa skulle kunna generera biobaserade och möjligen även bionedbrytbara elektriskt/termiskt ledande filmer med goda barriäregenskaper. Dessa filmer skulle vara högintressanta som barriärfilmer, aktiva filmer i smarta förpackningar, elektriskt ledande filmer i tunnfilmstransistorer och i solceller samt som komponenter i energilagringssystem (batterier och kondensatorer). De många möjliga tillämpningarna visade på den stora potentialen hos kompositmaterial av grafen-nanocellulosa, och då materialet förmodas kunna ersätta många av dagens metall- eller fossila polymerbaserade material, minskas dessutom miljö/klimatpåverkan av dessa material avsevärt.
Effekter och resultat
Målsättning
- Maximerad relativ mängd stabiliserad grafen (mot nanocellulosa)
- Maximerad stabiliserad mängd (torrhalt) grafen
- Gynnsamma reologiska egenskaper
- Ökad förståelse hur grafen och nanocellulosa (NC) interagerar
Måluppfyllnad och resultat på de aktiviteter som ingick i projektet (mål 1 och 2) reviderades under den initiala litteraturstudien, eftersom det blev tydligt att ökad förståelse för hur grafen och nanocellulosa interagerar (mål 4) är kritiskt för att åstadkomma stabila dispersioner och i förlängningen uppnå mål 1 och 2.
Nanocellulosa bildar intrasslade nätverk när de dispergeras redan vid låga koncentrationer. I litteraturen har stabilisering hittills utvärderats vid nätverksbildande koncentrationer, varvid grafen skulle kunna stabiliseras genom att fastna i nanocellulosa-nätverket. Därav studerade vi stabilisering vid mycket låg nanocellulosa-koncentration (0,01 wt %). Vi ser att grafen fortfarande dispergeras/stabiliseras vilket tyder på en interaktion mellan nanocellulosa och grafen. Detta stöds av AFM (atomkraftsmikroskopi) där en tydlig adsorption av nanocellulosa på grafenytan syns. Interaktionen påverkas av nanocellulosa-ytmodifiering; tätare adsorption syns för karboxymetylerad-nanocellulosa (NC(C)) jämfört med sulfonerad-nanocellulosa (NC(S)), och även mer hybridlika egenskaper för NC(C)-grafen (kolloidal stabilitet samt termisk nedbrytning), det vill säga beteende skiljt från/påverkat av de båda ingående komponenterna (grafen och nanocellulosa).
- Teknisk och kommersiell potential
Studien visar en tydlig interaktion mellan nanocellulosa och grafen. Detta är en stor fördel för att kunna generera dispersioner med god stabilitet – därmed intressanta att vidareutveckla. Den viktigaste insikten var att det finns en interaktion mellan nanocellulosa och grafen. - Karakterisering
Rent grafen: RAMAN och TGA. Dispersioner: UV-Vis, AFM, DLS (storlek), Z-potential samt turbiditet. - Framtidsutsikter
Det är intressant med grafentillsats för barriärmaterial, elektriskt-/värme-ledande material. Grafen är nytt för branschen (riskabelt), och konkurrensen från andra billigare alternativ är hård. Första produkten kan vara på marknaden inom 5–10 år. - Utmaningar
Utmaningarna var att rena dispersionerna, efter dispergering, utan att ta bort de mest intressanta komponeterna, såsom stora grafen-flak, samt att ta bort överskott av nanocellulosa, att kvantitativt mäta andelen grafen mot nanocellulosa efter dispergering och upprening. De tydliga hybridegenskaperna gjorde det svårt att studera/mäta de enskilda komponenterna. Enligt rådande plan saknar vi inga partners eller andra resurser för att gå vidare.