Stabila dispersioner av grafen och nanocellulosa för framtida kompositmaterial (avslutat)

AFM-bild som visar ren grafen och grafen med absorberad nanocellulosa.

AFM-bild som visar ren grafen och grafen med absorberad nanocellulosa.

  • 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

  1. Maximerad relativ mängd stabiliserad grafen (mot nanocellulosa)
  2. Maximerad stabiliserad mängd (torrhalt) grafen
  3. Gynnsamma reologiska egenskaper
  4. 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.
Abstract in English

Stable dispersions of graphene and nanocellulose for future composite materials
In this study, the feasibility of stable dispersions of graphene in water were investigated, where graphene is stabilized by using nanocellulose. The goal was to produce dispersions with the maximum relative proportion of graphene against nanocellulose as well as the maximum dry matter content of stabilized graphene. Nanocellulose has been shown to disperse/stabilize material in water that is otherwise not water-dispersible. In previous studies, multilayers of graphene have been dispersed with nanocellulose and generated materials with very interesting properties, for example high thermal/electrical conductivity and low hygroscopicity. Few-layer graphene had not yet been studied in combination with nanocellulose.

Effects and results

Aims
1. Maximized relative amount of stabilized graphene (against nanocellulose)
2. Maximized stabilized amount (dry content) graphene
3. Favorable rheological properties
4. Increased understanding of how graphene and nanocellulose (NC) interact

Goal fulfillment and results of the activities included in the project (goals 1 and 2) were revised during the initial literature study, as it became clear that increased understanding of how graphene and nanocellulose interact (goal 4) is critical for achieving stable dispersions and ultimately achieving objectives 1 and 2.
Nanocellulose forms entangled networks when dispersed at low concentrations. In the literature, stabilization has so far been evaluated at network-forming concentrations, where graphene being able to stabilize by sticking to the nanocellulose network. Hence, we studied stabilization at very low nanocellulose concentration (0.01 wt %). We see that graphene is still dispersed / stabilized, indicating an interaction between nanocellulose and graphene. This is supported by AFM (atomic force microscopy) where a clear adsorption of nanocellulose on the graphene surface is visible.
The interaction is affected by nanocellulose surface modification; denser adsorption is seen for carboxymethylated nanocellulose (NC (C)) compared to sulfonate nanocellulose (NC (S)), and also more hybrid-like properties of the NC (C) graphene (colloidal stability and thermal degradation), i.e. behavior differentiated from / influenced by the two constituent components (graphene and nanocellulose).

Technical and commercial potential
• The study shows a clear interaction between nanocellulose and graphene. This is a great advantage to be able to generate dispersions with good stability - hence interesting to further develop. The most important insight was that there is an interaction between nanocellulose and graphene.
Characterisation
• Clean graphene: RAMAN and TGA. Dispersions: UV Vision, AFM, DLS (Size), Z Potential and Turbidity.
Outlook
• It is interesting with graphene additives for barrier materials, electrical / heat conducting materials. Graphene is new to the industry (risky), and the competition from other cheaper alternatives is tough. The first product could be on the market within 5-10 years.
Challenges
• The challenges were to purify the dispersions, after dispersion, without removing the most interesting components, such as large graphene flakes, and removing excess nanocellulose, to quantitatively measure the proportion of graphene against nanocellulose after dispersion and purification.
The clear hybrid properties made it difficult to study / measure the individual components. According to the current plan, we lack no partners or other resources to move on.

Utlysning:
Samverkansprojekt för kommersiella tillämpningar med grafen – våren 2018

Projektpartners: RISE Innventia, RISE och BillerudKorsnäs

Projektledare: RISE Innventia

Projektform: Genomförbarhetsstudie

E-mail: andreas.fall@ri.se

Bidrag: 300 000 kr

Projektets löptid: 15 maj - 31 mars 2019

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: