Die meisten Artikel über Graphenbeton gehen direkt auf die Festigkeitswerte ein und lassen das Material selbst außer Acht. Woher stammt das Graphen eigentlich, und wie sieht es aus, bevor es überhaupt mit einem Sack Zement in Berührung kommt? Das Graphen von Argo wird mithilfe von STREAM hergestellt, einer firmeneigenen Plattform, die exklusiv von Grapherry lizenziert wurde. Hier erfahren Sie, wie dieser Prozess abläuft, wie das fertige Material unter dem Mikroskop aussieht und wie es in eine konkrete Betonmischung gelangt.
Wichtigste Ergebnisse
1. Zwei Endprodukte
STREAM produziert sowohl Graphen (STREAM-G) als auch Graphenoxid (STREAM-O).
2. Mehrschichtige Struktur
Die von Grapherry veröffentlichten Daten beschreiben Graphen mit einer Dicke von etwa 1 bis 5 Schichten.
3. Hohe Kohlenstoffreinheit
Das Material weist eine Kohlenstoffreinheit von über 95 % und einen Sauerstoffgehalt von unter 5 % auf.
4. Anwendung in geringer Dosierung
Bei den Zementversuchen von Argo wurde Graphenoxid in einer Menge von etwa 0,05 % des Zementgewichts verwendet.
Die kurze Antwort
STREAM ist eine von Grapherry und seinem Gründer Dr. Vikas Berry entwickelte Produktionsplattform, die kohlenstoffreiche Ausgangsmaterialien in Graphen und Graphenoxid umwandelt.
Die von Grapherry veröffentlichten Materialdaten beschreiben das resultierende Graphen als ein aus wenigen Schichten bestehendes, hochreines Pulver mit großer Oberfläche, was durch Raman-Spektroskopie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Röntgenbeugung bestätigt wurde.
Nach der Herstellung wird die Graphenoxid-Variante in Wasser dispergiert und einer Zementcharge in sehr geringen Mengen beigemischt, typischerweise etwa 0,05 % des Zementgewichts.
Auf einen Blick
- STREAM unterstützt zwei Ausgangsmaterialien: STREAM-G-Graphen und STREAM-O-Graphenoxid.
- Die von Grapherry veröffentlichten Daten beschreiben das Graphen als etwa 1 bis 5 Schichten dick, mit einer Kohlenstoffreinheit von über 95 %.
- Das Material weist eine laterale Blattgröße von etwa 1 bis 5 Mikrometer und einen geringen Sauerstoffgehalt von unter 5 % auf.
- Raman-, XPS- und XRD-Untersuchungen kommen alle zu demselben Ergebnis: ein defektarmes, hochreines, wenige Schichten umfassendes Graphen.
- Die Graphenoxidform wird dem Zement als flüssige Dispersion in einer sehr geringen Dosierung beigemischt – in den Tests von Argo betrug diese etwa 0,05 % des Zementgewichts.
Was STREAM eigentlich ist
STREAM ist eine Plattform zur Herstellung von Graphen, die von Grapherry, Inc. und Dr. Vikas Berry, dem Gründer von Grapherry, entwickelt und exklusiv an Argo lizenziert wurde.
Die Plattform wurde entwickelt, um kohlenstoffreiche Ausgangsstoffe in Graphenmaterialien umzuwandeln und dabei die Probleme anzugehen, die die Etablierung von Graphen als gängiges Industriematerial bislang behindert haben: die Skalierung des Prozesses, die Gewährleistung einer gleichbleibenden Qualität von Charge zu Charge sowie die Steigerung der Produktionseffizienz auf ein Niveau, das die kommerzielle Rentabilität sicherstellt.
STREAM stellt zwei unterschiedliche Materialien her. STREAM-G ist Graphen in seiner gängigeren Form, und STREAM-O ist Graphenoxid, die Variante, die bei den Zementtests von Argo zum Einsatz kommt. Da Argo über beide Materialien verfügt, hat das Unternehmen die Flexibilität, verschiedene Anwendungsbereiche zu erschließen, anstatt sein gesamtes Geschäft auf ein einziges Produkt auszurichten.
Wie das fertige Material tatsächlich aussieht
Grapherry veröffentlicht ein technisches Datenblatt, in dem das durch dieses Verfahren hergestellte Graphen beschrieben wird. Es liegt als lockeres, schwarzes, trockenes Pulver vor.
Die Charakterisierung ergab, dass das Material eine Dicke von etwa 1 bis 5 Schichten aufweist, was deutlich innerhalb des Bereichs liegt, der als wenige Schichten Grapheneinzellagen gilt. Die Kohlenstoffreinheit liegt bei über 95 %; das Material besteht überwiegend aus sp²-Kohlenstoff, jener starken, stabilen Form der Kohlenstoffbindung, die dem Graphen seine Eigenschaften verleiht.
Der Sauerstoffgehalt liegt unter 5 %, was auf eine minimale Oberflächenfunktionalisierung des Graphen-Ausgangsmaterials hindeutet. Die Schichten selbst haben einen Durchmesser von etwa 1 bis 5 Mikrometer, und das Stapelmuster wird als „turbostratisch“ beschrieben, was bedeutet, dass die Schichten relativ zueinander gedreht sind und nicht perfekt ausgerichtet sind – was typisch für hochwertiges, auf diese Weise hergestelltes wenige Schichten umfassendes Graphen ist.
Wie Wissenschaftler überprüfen, was sie hergestellt haben
Die Qualität von Graphen lässt sich nicht durch bloßes Betrachten feststellen. Die Überprüfung der Schichtanzahl, der Reinheit und der Struktur erfordert spezielle Tests, und das Datenblatt von Grapherry enthält die Ergebnisse von drei der in der Graphenindustrie üblichen Standardverfahren.
Raman-Spektroskopie
Bei der Raman-Untersuchung wird das Material mit einem Laserstrahl bestrahlt und das zurückgeworfene Licht gemessen. Das Graphen zeigte einen starken G-Peak, der die sp²-Kohlenstoffstruktur bestätigt, sowie einen klar definierten 2D-Peak, der eine Schichtstruktur bestätigt.
Das Verhältnis zwischen diesen Peaks lag im für wenige Schichten aus Graphen erwarteten Bereich, und ein sehr niedriges Verhältnis bei einem separaten, defektbezogenen Peak deutete auf minimale strukturelle Defekte und insgesamt eine hohe Kristallinität hin.
Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)
Bei der XPS-Untersuchung werden die chemischen Bindungen an der Materialoberfläche erfasst. Die Ergebnisse zeigten ein dominantes Signal, das mit sp²-gebundenem Kohlenstoff übereinstimmt und eine graphitartige Struktur bestätigt, sowie nur schwache Signale von sauerstoffhaltigen Bindungen.
Diese Kombination deutet auf eine hochreine, weitgehend unveränderte Graphenoberfläche hin und nicht auf eine, die stark chemisch verändert wurde.
Röntgendiffraktometrie (XRD)
Bei der XRD-Untersuchung wird untersucht, wie die atomare Struktur des Materials Röntgenstrahlen streut. Ein dominanter Peak im Muster bestätigte eine geschichtete Kohlenstoffstruktur mit wenigen Schichten und wenigen kristallinen Verunreinigungen, was die bereits durch die Raman- und XPS-Ergebnisse belegten Befunde untermauerte.
Zusammengenommen beschreiben diese drei Tests dasselbe Material aus drei verschiedenen Blickwinkeln: ein defektarmes, hochreines, wenige Schichten umfassendes Graphen – genau das, was Sie für eine Zementmischung benötigen, bei der die Konsistenz ebenso wichtig ist wie das Material selbst.
Vom Rohstoff zum Zementzusatzstoff: Wie er in den Beton gelangt
Sobald STREAM das Graphenoxid hergestellt hat, wird es in Wasser dispergiert, um einen flüssigen Zusatzstoff herzustellen. Diese Flüssigkeit ist es, die tatsächlich in einem Zementwerk oder Labor zum Einsatz kommt.
In den Versuchen von Argo wurde das Graphenoxid in einer Menge von lediglich 0,05 % des Zementgewichts – das entspricht etwa fünf Teilen Graphenoxid pro zehntausend Teilen Zement – unter Verwendung von standardmäßigen ASTM-Prüfzylindern zugesetzt, die sieben Tage lang aushärteten.
Bei dieser Dosierung maß Argo einen Anstieg der Enddruckfestigkeit um 60 % im Vergleich zu einer Kontrollmischung ohne Graphenzusatz – ein Ergebnis, das das Unternehmen in mehreren unabhängigen Testchargen reproduzieren konnte.
Diese Zahl steht im Mittelpunkt der meisten Berichte über Argo, hängt jedoch vollständig von der oben beschriebenen Materialqualität ab. Eine Charge mit uneinheitlicher Schichtanzahl oder übermäßigen Fehlern würde nicht zweimal die gleiche Leistung erbringen – und genau diese Art von Schwankungen soll STREAM beseitigen.
Warum die Materialwissenschaft für die Leistungsfähigkeit von Bedeutung ist
Die Wirkung von Graphen auf Zement hängt letztlich von der Oberfläche und der Struktur ab.
Ein mehrschichtiges Blatt weist pro Gramm eine weitaus größere Oberfläche auf als ein dickerer, mehrschichtiger Flocken, wodurch sich den Zementhydratationsprodukten mehr Stellen bieten, an denen sie sich bilden und anlagern können. Hohe Reinheit und geringe Defektdichte bedeuten, dass sich das Material Charge für Charge vorhersehbar verhält – was entscheidend ist, wenn Sie eine Dosierung von 0,05 % vornehmen und diese geringe Menge jedes Mal die gleiche Wirkung erzielen muss.
Dies ist der Zusammenhang zwischen den Materialdaten in diesem Artikel und den an anderer Stelle angegebenen Festigkeitswerten: Die Leistungsergebnisse hängen davon ab, dass das Graphen tatsächlich den Charakterisierungsdaten entspricht.
Mehrschichtstruktur
Etwa 1 bis 5 Schichten dick.
Hohe Reinheit
Kohlenstoffreinheit über 95 %.
Zugabe in geringer Dosierung
Etwa 0,05 % des Zementgewichts in den Versuchen von Argo.
Antworten auf Ihre Fragen zu STREAM und der Graphen-Lieferung von Argo
STREAM-G produziert Graphen, während STREAM-O Graphenoxid herstellt. Bei den Zementtests von Argo wurde die Graphenoxid-Form verwendet, da sich deren Oberflächenchemie gut als Zementzusatz eignet.
Mithilfe einer Kombination verschiedener Prüfverfahren: Die Raman-Spektroskopie überprüft die Anzahl der Schichten und den Defektgehalt, die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie untersucht die Oberflächenchemie und die Reinheit, und die Röntgenbeugung überprüft die gesamte Schichtstruktur. Zusammen bestätigen diese Verfahren, um welches Material es sich tatsächlich handelt – und nicht nur, was angeblich angegeben wird.
Eine sehr geringe Menge. Bei den Tests von Argo wurden 0,05 % des Zementgewichts verwendet, und zwar in Form einer Graphenoxid-Dispersion in Wasser und nicht als Trockenpulver, das direkt der Mischung beigemischt wurde.
Das Graphen wird mithilfe von STREAM hergestellt, einer von Grapherry, Inc. entwickelten Plattform, für die Argo eine Exklusivlizenz besitzt. Argo setzt das Material in seinen eigenen Bauversuchsprogrammen ein.
Das Fazit
Hinter jedem von Argo angegebenen Festigkeitswert steht ein Material mit einer eigenen detaillierten Spezifikation: wenige Schichten dick, hohe Kohlenstoffreinheit, geringe Defektdichte und eine gleichbleibende Plattengröße – all dies wird durch Raman-, XPS- und XRD-Untersuchungen bestätigt.
Genau diese Konsistenz soll STREAM gewährleisten, und sie ermöglicht es, Zement bereits in einer Dosierung von nur 0,05 % mit Graphenoxid anzureichern und dennoch ein zuverlässiges, reproduzierbares Ergebnis zu erzielen.
Fazit
Jeder von Argo angegebene Festigkeitswert basiert auf Graphen, das tatsächlich aus wenigen Schichten besteht, hochrein ist und von Charge zu Charge eine gleichbleibende Qualität aufweist. Erfahren Sie, wie Argos neues Testprogramm darauf abzielt, die Funktionsweise von Graphen unter rauen Bedingungen bei den Kältetests in Saskatchewan zu erforschen und den vollständigen Wirkungsmechanismus von Graphenbeton aufzuklären.
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