Teksti: Topi Niskala
Grafeeni ja grafeeniin pohjautuvat materiaalit ovat viime vuosien aikana herättäneet eri alojen tutkijoiden kiinnostuksen niiden lukuisten hyödyllisten ominaisuuksien, kuten erinomaisen sähkönjohtavuuden ja erittäin hyvien lujuusominaisuuksien vuoksi. Grafeenia onkin pyritty viime vuosina hyödyntämään muun muassa elektronisissa komponenteissa sekä akkuteknologiassa. Yhtenä suurena haasteena grafeenin käytössä on kuitenkin hyvälaatuisen grafeenin valmistus. Grafeenioksidia, eli hapetettua grafeenia, voidaan puolestaan valmistaa helpommin, mutta myös sen ominaisuudet ovat luonnollisesti erilaiset. Esimerkiksi toisin kuin grafeeni, grafeenioksidi on eriste.
Polymeeriseokset tarjoavat mahdollisuuksia optimoida materiaalien ominaisuuksia erilaisiin sovelluksiin. Varsinkin teknisen muovin seostaminen halvempaan valtamuoviin mahdollistaisi uusien materiaalien valmistamisen siten, että hyvät ominaisuudet saavutetaan edullisin kustannuksin. Polymeeriseosten kierrättämisessä on myös omat etunsa etenkin verrattuna perinteisiin monikerrosratkaisuihin, koska eri muovilaatujen erotteluprosessi on tarpeetonta. Seoksissa voidaan myös helpommin hyödyntää jo kierrätettyä materiaalia neitseellisen materiaalin kanssa.
Polymeeriseosten valmistaminen on usein hankalaa muovilaatujen erilaisten ominaisuuksien takia, jonka vuoksi monet eri polymeerilaadut ovat keskenään sekoittumattomia. Tästä aiheutuva karkea faasierottuminen pilaa seosten ominaisuudet. Perinteinen tapa parantaa polymeerien sekoittuvuutta toisiinsa on käyttää kompatibilisaattoreita, mutta niiden käytössä ja valmistuksessa on omat haasteensa. Ne ovat esimerkiksi hyvin spesifejä tietyille polymeerityypeille ja niiden valmistaminen on usein kallista. Näin ollen uudet ratkaisut sekoittuvuuden parantamiseksi olisivat tervetulleita.
Tampereen yliopiston Muovi- ja elastomeeritekniikan tutkimusryhmän julkaisemassa diplomityössä (Niskala, 2018) tutkittiin grafeenioksidin potentiaalia parantaa polymeeriseosten sekoittuvuutta. Polymeereinä tutkimuksessa käytettiin pienitiheyksistä polyeteeniä sekä polyamidi 66:sta, jotka ovat normaalisti erittäin huonosti keskenään sekoittuvia. Grafeenioksidi puolestaan valmistettiin grafiitista. Aineiden seostamisessa käytettiin kaksoisruuviekstruuderia, jonka käytöllä saatiin aikaan sopivat leikkausjännitykset ja lämpötilaolosuhteet. Prosessissa ei tarvinnut käyttää myrkyllisiä kemikaaleja.
Työn tulokset vaikuttavat erittäin lupaavilta, sillä sekoittumisen parantumisesta havaittiin selkeitä indikaatioita. Näitä olivat dispersion parantuminen, joka havaittiin elektronimikroskopiakuvantamisella (SEM), sekä muutokset seoksen termisissä ominaisuuksissa, joita tutkittiin lukuisin menetelmin. Työssä havaittiin, että ekstruuderin korkea lämpötila on riittävä pelkistämään grafeenioksidia muuttaen sen rakennetta ja ominaisuuksia lähemmäksi grafeenia. Kuumennuksen vaikutuksesta funktionaalisia ryhmiä katoaa, mutta grafeenioksidin ja polymeerin välisten sidosten muodostumisen kannalta tärkeät -OHryhmät säilyvät osittain pelkistetyn grafeenioksidin rakenteessa. Myös ekstruuderin tuottamat korkeat leikkausjännitykset edesauttavat kemiallisten sidosten muodostumisessa grafeenioksidin ja polymeerien välille. Tulosten ja kirjallisuusselvityksen perusteella päätellyt syntyneet kemialliset sidokset ovat riittävän vahvoja parantaakseen LDPE:n ja PA:n sekoittuvuutta, jonka vuoksi myös seoksen ominaisuudet parantuvat. Grafeenioksidi vaikuttaakin lupaavalta keinolta parantaa sekoittumista, ainakin LDPE-PA -seoksissa. Samalla grafeenioksidin pelkistyminen ekstruusiossa vaikuttaa positiivisesti myös seoksen muihin ominaisuuksiin, kuten sähkön- ja lämmönjohtavuuteen. Grafeenioksidin tutkimista tullaankin mahdollisesti jatkamaan Tampereen yliopistolla laajemmassa mittakaavassa eri projektien parissa.