Carbon nanotubes make plastic better at blocking water while letting oxygen through
Researchers used computer simulations to show that adding graphene or carbon nanotubes to polyethylene creates a selective barrier: graphene can reduce water absorption while maintaining oxygen flow, a property useful for food packaging and fuel cell membranes. The findings suggest manufacturers could improve product durability and performance without replacing existing materials.
Originaltitel: A molecular-level computational study of the diffusion and solubility of water and oxygen in carbonaceous polyethylene nanocomposites
Grafenmiciliering öppnar väg för selektiva barriärmaterial i polyetenlaminat. Simuleringar från Högskolan i Borås och Borealis visar att grafen kan reducera vattengenomträngningen samtidigt som syrepermeabiliteten bevaras — en egenskap som är avgörande för förpackningar som måste skydda livsmedel mot fukt utan att bli för täta för produkternas andning. Monte Carlo- och molekyldynamikstudien jämförde ren polyeten mot varianter tillsatta grafen eller kolnanotuber. Medan kolnanotuber sänkte permeabiliteten för både vatten och syre, inducerade grafen en kristallinordning vid ytan som selektivt blockerade vattenöverföring. Vid lägre temperaturer ökade även syreupplösligheten tack vare grafen-syreinteraktioner. Resultaten vägleder materialutvecklarna på Tetra Pak och andra förpackningsaktörer i valet mellan kolisotoper. För barriärapplikationer mot fukt där gasdiffusion är viktig — exempelvis flexibla laminat för kaffe eller mejeriprodukter — blir grafen attraktivare än kolnanotuber från kostnad-prestanda-synpunkt.
<p>Monte Carlo and molecular dynamics simulations were performed to investigate the effect on the solubility, diffusion, and permeability of water and oxygen when adding graphene or single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) to polyethylene (PE). When compared with pure PE, addition of graphene lowered the solubility of water, whereas at lower temperatures, the oxygen solubility increased because of the oxygen–graphene interaction. Addition of SWCNTs lowered the solubility of both water and oxygen when compared with pure PE. A detailed analysis showed that an ordered structure of PE is induced near the additive surface, which leads to a decrease in the diffusion coefficient of both penetrants in this region. The addition of graphene does not change the permeation coefficient of oxygen (in the direction parallel to the filler) and, in fact, may even increase this coefficient when compared with pure PE. In contrast, the water permeability is decreased when graphene is added to PE. The addition of SWCNTs decreases the permeability of both penetrants. Graphene can consequently be added to selectively increase the solubility and permeation of oxygen over water, at least at lower temperatures. © 2015 Wiley Periodicals, Inc. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2016, <em>54</em>, 589–602</p>