Grafena 101:Formulir, properti, dan aplikasi

Grafena, pertama kali diisolasi dan dikarakterisasi pada tahun 2004 oleh para peneliti di Universitas Manchester (Manchester, Inggris) yang menggunakan pita perekat untuk memisahkan grafit menjadi lapisan-lapisan karbon individu, memenangkan Penghargaan Nobel Fisika pada pendirinya Andre Geim dan Kostya Novoselov pada tahun 2010. A dekade kemudian, aplikasi komposit yang disempurnakan dengan graphene (dari superkapasitor yang diperkuat nanofiber aramid untuk baterai kendaraan listrik hingga perkakas komposit aerospace dan bejana tekan kriogenik) terus menjadi berita utama. Materi itu sendiri telah tersedia secara komersial selama sekitar 10 tahun sekarang, tetapi, menurut Terrance Barkan, direktur eksekutif Dewan Graphene (New Bern, N.C., AS), jalur graphene menuju komersialisasi telah dipercepat secara signifikan selama beberapa tahun terakhir. Faktanya, lebih dari 2.300 paten terkait graphene telah disetujui dalam 12 bulan terakhir saja, Graphene Council melaporkan.

Dipuji sebagai “bahan ajaib”, graphene telah dikenal karena rangkaian kualitas mekanisnya yang mengesankan, biaya tinggi, dan ketidakdewasaan rantai pasokan. Oleh karena itu, Dewan Grafena dan pihak lain di industri grafena membantu para profesional industri komposit melihat lebih segar tentang apa itu grafena dan potensinya dalam aplikasi komposit.

Bentuk dan properti

Grafena adalah dua dimensi, lembaran planar atom karbon terikat dalam kisi kristal padat berbentuk sarang lebah. Meskipun bentuk grafena paling murni hanya setebal satu atom, grafena juga dapat dibuat dalam lembaran yang terdiri hingga 10 atau lebih lapisan karbon.

Produsen graphene membuat graphene dalam beberapa cara berbeda. Salah satu caranya adalah dengan mengelupas lapisan individu karbon dari bahan baku seperti mineral grafit. Atau, lapisan karbon dapat disimpan ke substrat dari bahan baku gas seperti metana (ini disebut deposisi uap kimia, atau CVD). CVD menghasilkan graphene versi satu lapis tertipis; sebagian besar produk graphene massal atau multi-lapisan yang digunakan dalam aplikasi komposit dikelupas dari grafit.

Setelah Hadiah Nobel diberikan kepada Geim dan Novoselov pada tahun 2010, terjadi lonjakan perusahaan dan laboratorium yang menuntut untuk mengembangkan aplikasi yang menggunakan graphene, menurut Barkan, karena material tersebut telah terbukti sebagai material yang paling kuat, paling kaku, dan paling tipis yang pernah ada.

Dalam komposit, graphene biasanya digunakan sebagai aditif dalam matriks resin dan bahan lainnya untuk meningkatkan berbagai sifat mekanik, termasuk konduktivitas listrik dan termal, daya tahan, fleksibilitas, kekakuan, ketahanan UV, pengurangan berat badan dan tahan api. Yang sangat penting untuk digunakan dalam aplikasi komposit, catat Barkan, adalah bahwa graphene juga dapat mengurangi kegagalan geser interlaminar, menghilangkan masalah retak mikro dalam laminasi komposit dan meningkatkan ketahanan/ketangguhan benturan. “Ini pada dasarnya ajaib,” dia menyimpulkan.

Ada juga faktor keberlanjutan yang melekat pada penggunaan graphene, kata Barkan. Graphene sendiri dapat didaur ulang dari produk limbah seperti bahan bakar biodiesel, dan daya tahannya dapat menambah umur material atau produk, membuatnya lebih berkelanjutan. Selain itu, graphene adalah karbon murni, yang menghindari potensi toksisitas beberapa bahan kimia atau aditif lain yang digunakan dalam matriks resin.

Bentuk grafena

Bentuk akhir dari produk graphene tergantung, pertama, pada jumlah lapisan karbon yang menyusun material. Menurut Barkan, meskipun graphene "murni" hanya setebal satu lapisan atom, bahan yang memiliki 10 lapisan atom karbon atau lebih sedikit masih disebut di pasaran sebagai graphene. Graphene biasanya dikategorikan sebagai sangat sedikit graphene lapisan (vFLG, 1-3 lapisan karbon), beberapa lapisan graphene (FLG, 2-5 lapisan), graphene multi-lapisan (MLG, 2-10 lapisan), atau graphene nanoplatelets (GNP , tumpukan lembaran graphene yang dapat terdiri dari beberapa lapisan).

Selain lapisan karbon, graphene hadir dalam beberapa bentuk komersial, termasuk graphene oxide (GO, yang merupakan senyawa karbon, oksigen dan hidrogen); oksida graphene tereduksi (rGO, yang memiliki lebih sedikit oksigen dan lebih banyak karbon); bubuk graphene, larutan atau pasta; nanoplatelet graphene (dengan ketebalan antara 1-3 nanometer dan dimensi lateral mulai dari 100 nanometer hingga 100 mikron); dan graphene yang difungsikan, yang menambahkan elemen ke permukaan atau tepi graphene untuk beberapa aplikasi. Salah satu contoh graphene yang difungsikan adalah graphene yang diolah dengan plasma yang diproduksi oleh Haydale (Ammanford, Inggris), yang dikatakan membantu mencegah aglomerasi selama dispersi menjadi resin, menurut Gemma Smith, kepala pemasaran global Haydale.

Secara umum, semakin sedikit jumlah lapisan, semakin tinggi harganya. Menurut Dewan Grafena, graphene dengan 1-2 lapisan dapat berharga hingga $ 100.000 per meter persegi (walaupun bentuk komersial jauh lebih murah), sedangkan graphene multi-lapisan berharga antara $ 50-1.500 per kilogram. Untuk banyak aplikasi komposit, Barkan mengatakan, graphene multi-layer atau nanoplatelets graphene menunjukkan lebih dari cukup properti untuk digunakan. Barkan juga mencatat bahwa molekul graphene sangat kecil sehingga sepenuhnya terbungkus dalam resin — tidak ada kemungkinan mereka “jatuh” atau “terbebas” selama pembuatan.

Ada beberapa cara agar graphene dalam bentuk apa pun dapat didispersikan untuk suatu aplikasi, menggunakan fungsionalisasi, peracikan, atau berbagai pelarut dan surfaktan. Barkan mencatat bahwa salah satu kendala komersialisasi graphene adalah metode dispersi masih menjadi tantangan untuk dipahami dan dijalankan untuk banyak aplikasi.

Menurut Barkan, untuk aplikasi komposit, nanoplatelet multi-layer (tebal 1-5 nanometer) dalam bentuk bubuk hitam biasanya dicampur ke dalam resin cair atau pengeras. Tidak seperti banyak jenis aditif lainnya, graphene hanya perlu dimasukkan dalam jumlah yang sangat kecil untuk mencapai sifat yang diinginkan - seringkali kurang dari 1% berat dan sering turun hingga sepersepuluh persen atau kurang berat, kata Barkan. Beberapa perusahaan juga menambahkan graphene ke ukuran serat untuk aplikasi tertentu, atau bahkan dapat ditenun menjadi serat — beberapa pemasok serat nilon telah melakukannya, catat Barkan.

“Grafena dapat digunakan di hampir semua plastik, resin, atau pelarut yang dapat Anda pikirkan,” kata Barkan. Ini termasuk termoplastik, di mana graphene biasanya dimasukkan ke dalam manik-manik atau pelet termoplastik selama tahap campuran leleh. Kombinasi graphene dengan termoplastik, kata Barkan, meningkatkan suhu layanan resin dan memperpanjang umurnya.

Pemasok dan aplikasi

Menurut Barkan, saat ini ada lebih dari 200 perusahaan yang mengaku memasok graphene. Namun, dari jumlah tersebut, katanya, sekitar 80% adalah operasi skala laboratorium kecil. Dia memperkirakan ada sekitar 30 produsen graphene skala industri yang beroperasi saat ini — dengan perusahaan baru yang sering memasuki pasar. Berikut adalah daftar pemasok graphene komersial yang tergabung dalam The Graphene Council:

Pemasok Grafena	Lokasi
Abalonyx	Oslo, Norwegia
Materi Grafena Terapan	Redcar Cleveland, Inggris
Avanzare	Navarette, Spanyol
Grafena Pertama	Henderson, Australia
Jenderal Graphene Corp.	Knoxville, Tenn., AS
Glären	Kota Meksiko, Meksiko
Grup Grafena Global	Dayton, Ohio, AS
Grafena	San Sebastián, Spanyol
Grolltex	San Diego, California, AS
Energi Nanotek	Los Angeles, California, AS
Ntherma	Milpitas, California, AS
Grafena Standar	Ulsan, Republik Korea
Thomas Swan	Consett, Inggris Raya
Materi Universal	Houston, Texas, AS
Versarian PLC	Cheltenham, Inggris
William Blythe	Accrington, Inggris
Ilmu XG	Lansing, Mich., AS
Solusi Grafena Zen	Thunder Bay, Kanada

Pasar dan aplikasi:Dari barang olahraga hingga luar angkasa

Dewan Grafena telah mengidentifikasi 45 area aplikasi utama untuk grafena, mulai dari semikonduktor hingga pelapis hingga karet — dan komposit, yang menurut Dewan Grafena saat ini merupakan pengguna grafena terbesar saat ini.

Dalam industri komposit, pasar akhir yang menggunakan graphene berkisar dari barang olahraga hingga kedirgantaraan hingga pencetakan 3D, pada berbagai tingkat komersialisasi. Menurut Philip Rose, CEO produsen graphene nanoplatelets XG Sciences (Lansing, Mich., A.S.), pasar graphene masih terus berkembang, terutama dalam industri komposit.

“Pasar muncul dan tumbuh seiring waktu,” jelasnya. Komersialisasi bahan baru “dimulai dengan beberapa aplikasi pada volume rendah, kemudian banyak aplikasi pada volume rendah. Dan kemudian Anda mendapatkan sejumlah yang tumbuh ke volume menengah, dan kemudian jumlah yang lebih sedikit tumbuh ke volume yang sangat tinggi. [Dengan graphene], kami masih dalam tahap 'sedikit aplikasi dengan volume rendah' ​​di ruang komposit. Dan itu bisa karena sejumlah alasan:argumen rantai pasokan, kemanjuran, atau alasan lainnya. Saya percaya ini hanya masalah kedewasaan … dan itu hanya membutuhkan waktu, dan pendidikan.”

Rose menunjuk ke industri barang olahraga sebagai pengadopsi besar pertama komposit yang disempurnakan dengan graphene. “[Pasar] barang olahraga dapat memperoleh manfaat tidak hanya dari atribut kinerja [grafena], tetapi juga atribut pemasaran,” katanya. “Di dunia barang olahraga, semua orang menginginkan yang terbaru dan terbaik.” Jadi, ketika graphene menjadi bahan "terbaru dan terhebat" baru, produsen barang olahraga dengan cepat mulai menguji nilainya dalam peralatan barang olahraga komposit kelas atas, seperti tongkat hoki lapangan, bola golf, ski, dan raket tenis. Menurut Barkan, beberapa aplikasi graphene dalam produk barang olahraga komposit telah ditingkatkan ke produksi serial.

“Biasanya apa yang terjadi setelah barang olahraga [mengadopsi bahan],” lanjut Rose, “adalah pasar industri mulai mengadopsinya, dan itu bisa menjadi sangat luas.” Jangkauan graphene dalam pasar industri, ia mencatat tidak terbatas pada komposit:banyak pelanggan XG Sciences saat ini menggunakan graphene untuk meningkatkan kinerja pengemasan, atau daur ulang botol plastik.

Komposit yang disempurnakan dengan graphene juga telah melihat beberapa keberhasilan dalam industri otomotif, di mana graphene menghadirkan peluang untuk menambah kekuatan dan ketahanan benturan dengan material yang lebih sedikit, sehingga mengurangi berat keseluruhan bagian. Misalnya, XG Sciences bekerja dengan Ford Motor Co. (Dearborn, Mich., US) pada busa poliuretan yang disempurnakan dengan graphene yang meningkatkan daya tahan, kebisingan, getaran dan kekerasan (NVH) dan bobot pada komponen yang diproduksi untuk Ford F-150 dan Mustang kendaraan. Selain itu, perusahaan mobil sport mewah Briggs Automotive Co. (BAC, Liverpool, Inggris) mengumumkan pada Agustus 2019 bahwa semua panel bodi untuk Mono R-nya supercar satu tempat duduk diproduksi dengan 100% komposit serat karbon yang disempurnakan graphene menggunakan graphene yang difungsikan dari Haydale, menandakan, kata Barkan, potensi lebih banyak peluang dalam industri otomotif.

Di kedirgantaraan, ketahanan benturan dan bobot ringan adalah kuncinya. Pasar kedirgantaraan "sepertinya memiliki potensi besar," kata Rose, "tetapi aplikasi belum benar-benar menggenjot volume yang cukup besar." Sementara kualifikasi penuh belum dicapai untuk komponen pesawat komposit yang disempurnakan dengan graphene, sejumlah bagian demonstran di kedirgantaraan komersial telah diresmikan atau sedang dalam pengembangan. Misalnya, sebuah konsorsium yang didanai Uni Eropa bernama Graphene Flagship, yang terdiri dari lebih dari 150 organisasi mitra di 23 negara, mengumumkan pada 2018 pengembangan ujung depan ekor horizontal komposit yang disempurnakan graphene untuk Airbus A350. Mitra konsorsium Airbus, Aernnova dan Grupo Antolin-Ingenieria melaporkan bahwa demonstran menunjukkan peningkatan sifat mekanik dan termal, yang memungkinkan mereka untuk membuat ujung depan lebih tipis dan lebih ringan sambil mempertahankan sifat yang diperlukan. Graphene Flagship juga mempelopori proyek yang melihat penggunaan graphene pada permukaan pesawat terbang, serta aplikasi di otomotif, baterai, dan lainnya.

Konduktivitas listrik adalah manfaat potensial lain dari graphene dalam aplikasi luar angkasa. Pada November 2019, Haydale meluncurkan serangkaian prepreg yang disempurnakan dengan graphene untuk perlindungan sambaran petir. Perusahaan melaporkan bahwa material yang disempurnakan dengan graphene yang difungsikan cocok untuk meningkatkan konduktivitas listrik pada komponen struktural dan untuk penutup pada sistem avionik elektronik.

Di pasar luar angkasa, kecenderungan graphene untuk mengurangi masalah microcracking dalam laminasi komposit cocok untuk bejana tekan komposit untuk penyimpanan bahan bakar dan oksidator kendaraan peluncuran luar angkasa, seperti filamen-wound dari Infinite Composites Technology (ICT, Tulsa, Okla., AS), spherical , cryotank semua komposit diumumkan awal tahun ini.

Salah satu aplikasi yang menurut Barkan diabaikan adalah penggunaan graphene dalam perkakas komposit. Manfaat perkakas komposit yang disempurnakan dengan graphene termasuk perkakas yang lebih tahan lama dan distribusi panas yang lebih baik, katanya. Contoh terbaru dari ini adalah bahan perkakas prototipe yang dikembangkan oleh SHD Composites Ltd. (SHD, Sleaford, UK) bekerja sama dengan Composite Tooling and Engineering Solutions Ltd. (CTES, Matlock, UK) dan Applied Graphene Materials (AGM, Redcar &Cleveland , Inggris). Disempurnakan oleh graphene nanoplatelets dari AGM, alat mandrel penempatan serat otomatis (AFP) demonstran CFRP menunjukkan potensi untuk perkakas suku cadang kedirgantaraan berbiaya rendah dan berkinerja tinggi. Tim sedang mengerjakan pengembangan seperti pemrosesan material out-of-autoclave (OOA) dan perkakas prototipe untuk aplikasi komposit termoplastik.

Secara eksperimental, Barkan mengatakan bahwa graphene juga sedang diuji sebagai peningkatan untuk bilah turbin angin komposit, yang permukaannya berdampak tinggi dan kebutuhan akan struktur ringan akan dilayani dengan baik dengan memasukkan graphene ke dalam matriks. Smith menambahkan bahwa Haydale juga melihat potensi graphene pada bilah turbin angin untuk meningkatkan konduktivitas listrik guna melindungi dari sambaran petir.

Dalam perjalanan menuju komersialisasi penuh

Apa selanjutnya untuk "bahan ajaib" ini? Barkan memprediksi komersialisasi penuh graphene dalam dekade berikutnya. “Kami memiliki banyak momentum positif,” kata Rose, menambahkan, “kami masih dalam tahap penemuan, tetapi itu akan dimulai dengan desain dan aktivitas yang disengaja, yang di dunia otomotif membutuhkan waktu lama, dan lebih cepat dalam pasar seperti barang olah raga … Tapi itu kemudian memberikan lebih banyak ketahanan rantai pasokan dan lebih banyak pengetahuan tentang kemanjuran, dan kemudian menjadi berkembang biak sendiri.”

“Saya pikir semua sektor sekarang berlomba-lomba untuk menggunakan graphene,” tambah Smith, “karena kami telah belajar bagaimana menggunakan graphene, dan bagaimana dan di mana ia menawarkan peningkatan, berkat sejumlah besar penelitian di perusahaan dan institusi seperti Universitas dari Manchester secara khusus melihat aplikasi yang berbeda. … Sebagai sebuah industri, kami melakukan percakapan yang masuk akal dengan perusahaan luar angkasa besar, perusahaan luar angkasa besar, perusahaan otomotif besar, dan karena itu, saya pikir penggunaan graphene dalam komposit akan tumbuh. Tidak ada alasan mengapa tidak.”

Sementara itu, penelitian terus bermunculan untuk mengisi kesenjangan pengetahuan. Misalnya, The Graphene Council bekerja sama dengan Composites One (Arlington Heights, Illinois, AS), University of Manchester, Huntsman (The Woodlands, Texas, AS) dan Chromaflo (Ashtabula, Ohio, AS) untuk mengoordinasikan pengujian proyek yang berbeda bentuk graphene dalam sistem resin umum. Untuk proyek tersebut, nanoplatelet graphene, graphene oxide, graphene oxide tereduksi dan graphene yang difungsikan masing-masing akan ditambahkan ke sistem resin umum (resin epoksi Araldite GY 282 Huntsman, dipilih karena merupakan sistem resin umum yang digunakan secara luas), masing-masing pada 1% berat, 0,5% berat, dan 0,1% berat. Dengan tidak kurang dari 14 sampel bahan yang berbeda dari delapan perusahaan yang diperoleh, masing-masing sistem bahan akan dibuat menjadi bagian yang memiliki resin tetapi tidak ada grafena, grafena tetapi tidak ada serat, resin dengan grafena dan serat kaca, dan resin dengan grafena dan serat karbon. . Pengujian akan mencakup ketahanan benturan, kekuatan tarik, modulus lentur dan uji geser interlaminar, kata Barkan.

“Ini akan menjadi pertama kalinya ada pihak ketiga, perbandingan head-to-head independen dari berbagai jenis graphene dari perusahaan yang berbeda menggunakan sistem resin yang sama persis dan pengujian yang sama persis,” kata Barkan. Dewan Graphene berencana untuk mempublikasikan hasilnya secara publik.

“Saya benar-benar mengundang orang untuk melihat [graphene] dengan pandangan baru,” Barkan menyimpulkan, “karena kualitasnya berbeda [sekarang, dibandingkan satu dekade lalu]. Harganya berbeda. Teknik penanganannya canggih. Kami telah membuktikan studi kasus, kami memiliki contoh. Ini sedang dikomersialkan. Dan itu layak untuk dilihat.”