Nanorurki węglowe są odmianą węgla zbudowane ze zwiniętego grafenu – płaskiej struktury złożonej z pojedynczych atomów węgla połączonych w sześciokąty, przypominającej plaster miodu. Najcieńsze mogą mieć średnicę jednego nanometra i długość nawet miliony razy większa. To nadaje im niezwykłe właściwości – wytrzymałość na rozciąganie, możliwość przewodzenia prądu i ciepła. Dzięki temu znajdują zastosowanie w szeregu branż – elektronice, lotnictwie, kosmonautyce, medycynie (systemy dostarczania leków) czy energetyce, np. do produkcji paneli słonecznych, turbin (w systemach antyoblodzeniowych) ogniw paliwowych czy magazynów energii. Teraz naukowcy z University of Science and Technology of China opracowali nową metodę łączenia nanorurek węglowych z tworzywami sztucznymi, co rozszerza możliwości ich stosowania w przemyśle. Dzięki temu ich „superplastiki” zaczęły przewodzić prąd i ciepło, a z wynikami można zapoznać się w National Science Review.

Opracowanie metody

Tworzywa sztuczne są szeroko stosowane ze względu na ich doskonałą przetwarzalność, lekkość i niski koszt. Ich właściwości mogą być modyfikowane przez dodawanie do nich dodatków i tworzenie kompozytów, przez co tworzone są całkowicie nowe materiały. Istnieją już polimery wykazujące przewodność elektryczną – takie jak polianilina czy polipirol – ale brakuje im z kolei przewodności cieplnej. Połączenie polimerów z nanorurkami węglowymi pozwala na uzyskanie obu tych właściwości a jednocześnie poprawę wytrzymałości mechanicznej tworzyw sztucznych, przy zachowaniu łatwości ich obróbki. To właśnie udało się naukowcom z University of Science and Technology of China.

Naukowcy wskazali, że inne, dotychczas stosowane metody – choć tanie i wydajne – pozwalają na uzyskanie produktów o niskiej zawartości nanorurek, z nanorurkami o małej długości, z nierównomiernym lub losowym ich rozłożeniu w tworzywie sztucznym. Ich metoda pozwala wyeliminować te wady i wyprodukować materiały o wysokiej zawartości długich nanorurek (o ich oryginalnej długości, która nie zostaje skrócona w procesie), równomiernie rozproszonych w tworzywie i zachowanej orientacji.

Badacze najpierw wytworzyli więc sieci nanorurek węglowych (CNT) na kształt sieci rybackich metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej z użyciem katalizatora pływającego, unoszonego w strumieniu gazu (ang. Floating catalyst chemical vapour deposition, (FCCVD). Następnie umieścili te sieci w roztworach różnych polimerów w kwasie, w tym poliamidu 6 (PA6), poliwinylopirolidonu (PVP), poliakrylonitrylu (PAN), poliwęglanu (PC) i polietero-ketono-ketonu (PEKK). Następnie rozpuszczalniki odparowano, uzyskując zagęszczoną suchą sieć nanorurek równomiernie rozproszoną w polimerze. Dla uzyskania jeszcze lepszych właściwości, badacze przeprowadzili wielostopniowe ciągnienie na gorąco i walcowanie mechaniczne uzyskanych materiałów.

Z laboratorium do rzeczywistości

Naukowcy wykazali także, że ich materiał może być formowany w różne kształty za pomocą druku 3D lub prasowania na gorąco – wygląda więc na to, udało się więc połączyć właściwości nanorurek węglowych z łatwością obróbki tworzyw sztucznych. Naukowcy twierdzą, że ich metoda jest skalowalna i może być stosowana do masowej produkcji materiałów. Swój produkt nazwali carbon nanotube superplastics (CNTSPs). Ich metodą da się uzyskać tworzywa o zawartości do 59 proc. wagowych nanorurek węglowych, ponieważ powyżej tej wartości przetwarzalność materiału spada. Produkcja tworzyw o wyższych zawartościach CNT będzie przedmiotem dalszych badań.

Ponadto właściwości struktury CNTSP pozwalają na ich wielokrotne przetwarzanie – za pomocą druku 3D lub prasowania na gorąco – bez niszczenia sieci nanorurek węglowych, dzięki czemu są łatwe w recyklingu. Badacze mają w planach ocenę zagrożeń związanych z uwalnianiem mikroplastiku lub CNT z ich materiałów podczas recyklingu na skalę przemysłową.

Nanorurki węglowe to wciąż dość drogie materiały, jednak fakt, że znajdują zastosowanie w technologiach, na które jest duży popyt – elektronika, panele słoneczne, turbiny wiatrowe, magazynowanie energii, elektromobilność, może przyczyniać się do spadku ich kosztów.