La technologie des nanotubes de carbone au service d’un monde plus intelligent et plus sûr
29 Nov 2019
Les éléments puissants prennent souvent la forme de petits amalgames et les nano-molécules figurent parmi les plus petits. La croissance de la demande de nanotubes de carbone et de matériaux à base de graphène s’explique par le rôle à forte valeur ajoutée, hautement spécialisé, qu’ils jouent dans diverses applications telles que l’électronique, les vêtements intelligents et la protection de l'environnement, et en particulier de nos eaux.
Compte-tenu de leur abrasivité et de leur tendance à s’agglomérer, les nanotubes de carbone et le graphène sont difficiles à casser et réorganiser en chaînes utilisables. Cependant, lorsqu’on y parvient, ils offrent des propriétés électriques, thermiques et mécaniques exceptionnelles. Nous nous sommes assis aux côtés de Mme Silvia Grasselli, Responsable Technologie de procédé Homogénéisation chez GEA Italie, pour en apprendre plus sur comment la technologie de GEA met ces nouveaux matériaux prometteurs à la disposition du marché et sur les facteurs à l’origine de la hausse de la demande, puisque les ventes devraient atteindre une valeur estimée de 2,86 milliards USD d’ici 2025.
Que sont les nanotubes de carbone et le graphène et comment sont-ils utilisés ?
S.G. :Si nous revenons un peu en arrière, « nano » est un mot grec qui signifie « nain ». Un « nanomètre » est un milliardième de mètre, l’équivalent d’un millième de l’épaisseur d’un cheveu humain, ce qui signifie que ces particules ne sont pas visibles à l’œil nu. Un nanotube de carbone est un feuillet de graphène, basiquement un latex hexagonal de carbone, qui se développe sous forme cylindrique et peut être à paroi simple ou double. Un graphène est un feuillet simple en 2 dimensions consistant en une couche simple ou monocouche d’atomes de carbone arrangés selon un motif hexagonal. Le graphène est l’élément structurel fondamental des nanotubes de carbone. C’est le matériau le plus durable que l’homme connaisse ; il est aussi extrêmement malléable et élastique. Compte-tenu qu’il n’a qu’un atome d’épaisseur, il est pratiquement transparent et c’est un excellent conducteur électrique et thermique.
Avec une résistance à la traction 50 fois plus élevée que celle de l'acier, les nanotubes de carbone (CNT) sont extrêmement résistants, mais aussi très légers. Les CNT et le graphène ont de nombreuses propriétés en commun (par exemple, une bonne conductivité électrique et thermique) et sont, par conséquent, en concurrence dans de nombreuses applications. C’est le cas, par exemple, pour les appareils électroniques, comme les ordinateurs et les téléphones portables, qui peuvent inclure des CNT ou du graphène, ou une combinaison de ces deux matériaux, dans leurs composants. Ces nanomatériaux sont utilisés pour le renforcement structurel des voitures, des avions, des vélos et, même, des raquettes de tennis. De plus, leurs excellentes qualités d’absorption se sont révélées efficaces pour nettoyer les déversements de pétrole. De manière similaire, ils semblent très prometteurs pour décomposer les microplastiques en composants plus sûrs pour l’environnement.
Quel est le rôle de GEA dans la production des CNT ?
S.G. :Si le monde connaît les CNT et le graphène depuis plusieurs années, tout leur potentiel n’est pas encore utilisé. Ceci, en partie parce qu’ils sont abrasifs, ont tendance à s’agglomérer et s’enchevêtrer, et sont par conséquent difficiles à rompre et restructurer. Pour y parvenir, GEA a breveté un procédé associé à une configuration unique de ses homogénéisateurs, qui utilise une haute pression pour rompre les nano-molécules sans les endommager et, en parallèle, assurer l’absence d’arrêt de production.
Le début du procédé consiste à dissiper la poudre dans un mélange constitué principalement d'eau. Le mélange entre ensuite dans l’homogénéisateur qui casse les agglomérats, les sépare, puis place les nanotubes, l’un derrière l’autre, pour créer une structure linéaire. Résultat, l’aire superficielle est plus importante ce qui favorise une meilleure transmission ou isolation pour, par exemple, l’électronique. C’est la manière la plus efficace de disperser et de désagréger les clusters en parois simples. Ce procédé de fabrication robuste et évolutif fournit des produits de qualité élevée et constante, qui lors d’une étape successive seront normalement intégrés dans des liquides ou des résines.
La série d’homogénéisateurs Ariete de GEA fournit la haute pression requise pour obtenir efficacement à la fois des CNT et du graphène en vue d’une utilisation à l’échelle industrielle.
Ces matériaux sont-ils sans danger ?
S.G. :Intégrés dans des produits, comme des appareils électroniques ou des vêtements, les CNT ou le graphène ne présentent pas de risque pour les utilisateurs finals. Sous forme de poudre, les particules de carbone doivent être manipulées avec soin et ne doivent pas être inhalées. Il est possible de minimiser, voire d’éliminer, la manipulation de ces poudres en raccordant davantage les différents procédés. Dans le cadre d’un consortium actif de 2006 à 2010, GEA et 22 partenaires ont exploré comment fabriquer de manière plus sûre et développer davantage les nanoparticules. Un des résultats-clés de leurs travaux a montré qu’en utilisant la technologie de séchage par atomisation de GEA, il était possible d’accroître considérablement la manipulation sans risque de ces poudres, car cette étape du procédé transforme les nanoparticules en microparticules plus grosses, qui, compte-tenu de leur taille, ne sont pas aéroportées. Et n’en conservent pas moins leurs propriétés uniques.
En plus de travailler sur le procédé pendant plusieurs années avec des clients, nous avons aussi conclu un partenariat avec l’Institut pour la technologie italien, qui effectue des essais en utilisant une de nos unités de laboratoire, pour développer encore l’utilisation sans risque des CNT et du graphène dans diverses applications. Résultat, il est possible de mettre directement en pratique ce que nous avons appris, ce qui est très efficace et constitue un gros avantage pour nos clients.
Quels sont les principaux facteurs à l’origine de l’utilisation accrue des CNT et du graphène ?
S.G. :Tous deux sont extrêmement précieux et le deviendront encore plus avec le temps qui passe, en particulier parce que la production à l’échelle industrielle a augmenté, ce qui les rend plus viables sur le plan commercial. De manière similaire, l’attention massive pour l’environnement et les résultats très positifs obtenus en utilisant cette technologie pour nettoyer le pétrole présent dans l’eau et décomposer les plastiques seront des facteurs importants, même si ces applications n'en sont encore qu’au stade embryonnaire.
Ces matériaux sont toujours plus utilisés dans des revêtements et des composites dans les industries du plastique, de la construction, automobile, des batteries, de l’énergie, aérospatiale et métallurgique. Par exemple, les électrodes fabriquées avec des nanotubes de carbone sont dix fois plus fines et offrent une conductivité près de 100 fois supérieure à celle des électrodes en carbone amorphe. La demande grandissante de batteries lithium-ion présentant une conductivité plus élevée pour les véhicules électriques devrait aussi ouvrir de nouveaux débouchés et booster la croissance du marché des nanotubes de carbone. Et, bien sûr, l’utilisation croissante d’appareils électroniques et autres continuera à accroître la demande de ces matériaux car leur structure et leurs propriétés sont idéales pour les applications requérant un transfert de données efficace, transfert que les entreprises et les consommateurs veulent désormais voir se produire à la vitesse de la lumière.
Compte-tenu également de leurs qualités spéciales en tant que non-conducteurs et isolants, les CNT et le graphène ont réduit les dimensions de nos appareils et des centres technologiques. Les serveurs, par exemple, n’ont plus besoin de salles entières remplies de ventilateurs, mais peuvent désormais tenir dans un petit boîtier ».– Silvia Grasselli, Responsable Technologie de procédé Homogénéisation, GEA Italie
– Silvia Grasselli, Responsable Technologie de procédé Homogénéisation, GEA Italie
Comment les clients de GEA utilisent-ils ces matériaux et quelles sont les industries et les applications impliquées ?
S.G. : Comme nous l’avons dit, nous coopérons avec l’Institut italien pour la technologie, qui utilise la technologie d’homogénéisation de GEA dans des essais afin de développer plus efficacement et sans risque les nanotubes en vue de les utiliser dans diverses applications. Tout récemment, nous avons publié nos conclusions communes sur la réalisation de substrats fonctionnels en papier de nanocarbone, qui sont plus durables et peuvent remplacer ceux fabriqués en plastique et métaux. C’est une étape importante pour s’attaquer aux déchets électroniques en les rendant plus recyclables et plus faciles à gérer.
Nous avons partout en Europe et en Asie des clients qui fournissent des produits basés sur les CNT et le graphène pour l’industrie électronique, y compris les batteries. Grâce à leurs propriétés techniques, ces matériaux accélèrent les transferts de données tout en réduisant la taille des salles de serveurs et des dispositifs grâce à leur capacité isolante impressionnante, qui minimise le transfert de chaleur et, par conséquent, les dégâts causés par l’accumulation de chaleur. Grâce à nos partenariats, nous sommes en mesure d’améliorer et d’adapter sur mesure notre équipement d’homogénéisation ; le résultat de l’un de ces processus a débouché sur un brevet important pour GEA et une meilleure machine et de meilleurs résultats pour le client : une solution gagnant-gagnant.
Un de nos clients du secteur de l’ingénierie chimique a développé plusieurs produits à base de graphène. Certains, par exemple, ont des propriétés barrières pour les revêtements et peintures ; d’autres servent d’additifs performants dans les lubrifiants ou améliorent la conductivité thermique des composites et des plastiques. Ce client a aussi des produits qui sont utilisés dans l’emballage, le moulage et l’impression en 3D. Un autre client de GEA a développé un processus pour intégrer des nanoplatelets dans les vêtements, y compris dans les vêtements de loisir et les chaussures. Lorsque le corps dégage trop de chaleur dans certaines zones, cette chaleur est distribuée sur tout le vêtement, ce qui en assure une utilisation plus efficace en maintenant au chaud d’autres parties du corps, tout en minimisant l’électricité statique et le frottement. Et, comme nous l’avons déjà dit, les matériaux à base de graphène sont utilisés pour la réduction des déversements de pétrole ainsi que pour le traitement des eaux usées. Cette technologie permet en effet la réutilisation des hydrocarbures adsorbés et des huiles adsorbantes.
Que peut attendre l’industrie de GEA dans le domaine de l’homogénéisation et de la production de CNT et de graphène ?
S.G. :En améliorant la conception et la durabilité de nos homogénéisateurs, GEA a aidé à abaisser coût total de propriété de la production des CNT et du graphène. Cela n’a pas été chose simple car le matériau causait l’érosion immédiate des vannes des homogénéisateurs, dans les 24 heures. Aujourd’hui, nous sommes en mesure de travailler en partenariat et d’aider nos clients de divers secteurs à développer et produire ces matériaux plus efficacement.
Dans notre Centre de technologie de procédé pour l’homogénéisation de Parme en Italie, nous sommes en mesure d’offrir à nos clients des tests de laboratoire et des essais pilotes, ainsi que l’expertise nécessaire pour soutenir le développement des produits, analyse des coûts et évolutivité comprises. Ces éléments, associés à l’assistance sur le site du client, aident à minimiser le risque d’investissement du client tout en assurant des lancements réussis.
