Résoudre les deux défis majeurs que sont l’agglomération et la contamination métallique ! ZYE met au point un procédé de dispersion à haute pureté pour des suspensions aqueuses de nanotubes de carbone.

Les nanotubes de carbone (NTC), caractérisés par leur rapport d’aspect extrêmement élevé, leur excellente conductivité électrique et thermique ainsi que leurs propriétés mécaniques remarquables, sont devenus des charges nanofonctionnelles essentielles dans les batteries au lithium de nouvelle génération, les pâtes conductrices électroniques, les revêtements fonctionnels à base d’eau et d’autres domaines. Dans le secteur des batteries pour l’énergie, à mesure que les feuilles de route technologiques visant une densité énergétique élevée et une charge rapide progressent, les agents conducteurs à base de NTC — qui requièrent des quantités d’addition plus faibles et forment des réseaux conducteurs plus continus — remplacent progressivement le noir de carbone conducteur traditionnel, s’imposant comme le choix dominant pour les batteries haut de gamme. Dans le domaine de l’électronique et de l’informatique, les circuits flexibles, le blindage électromagnétique et les matériaux d’interface thermique exigent des niveaux toujours plus élevés d’uniformité de dispersion et de pureté des NTC.

Parallèlement, le renforcement des réglementations environnementales accélère l’adoption de procédés à base d’eau. Les suspensions aqueuses de CNT, caractérisées par une faible teneur en COV et respectueuses de l’environnement, remplacent progressivement les systèmes à base de solvants, devenant ainsi la norme industrielle. Toutefois, les CNT présentent de grandes surfaces spécifiques et sont particulièrement susceptibles de s’entremêler et de s’agglomérer, ce qui rend leur dispersion encore plus difficile dans les milieux aqueux. Les procédés de broyage traditionnels ne permettent plus de satisfaire simultanément les exigences multiples d’une finesse ultra‑fine, d’une haute pureté et d’une stabilité inter‑lots. La dispersion est ainsi devenue le goulot d’étranglement central, limitant la réalisation des performances et l’efficacité de production des suspensions de CNT.

À l’heure actuelle, dans la préparation de bouillies aqueuses de nanotubes de carbone, l’industrie est généralement confrontée à quatre défis majeurs :

1. Agglomérats difficiles à briser et non-respect des objectifs de finesse
   La taille nanométrique et le rapport d’aspect élevé des NTC les rendent particulièrement susceptibles de former des agglomérats durs et enchevêtrés. Les dispositifs de dispersion à haute vitesse conventionnels ainsi que les broyeurs à billes ordinaires ne fournissent pas une intensité de cisaillement suffisante ; même après plusieurs passages, ils ne parviennent pas à décomposer entièrement la structure des agglomérats. La suspension obtenue présente des tailles de particules importantes et des distributions larges, ce qui entraîne directement l’existence de réseaux conducteurs discontinus, une augmentation de la résistance interne de la batterie et de fortes fluctuations de la résistance surfacique des revêtements conducteurs, empêchant ainsi la pleine exploitation des performances du matériau.
2. Les systèmes aqueux entraînent facilement une contamination métallique
   Les rouleaux et les médias de broyage en acier ordinaire sont susceptibles d’usure et de corrosion dans des milieux aqueux, ce qui entraîne la dissolution d’ions métalliques et le relargage de débris, contaminant ainsi la bouillie de nanotubes de carbone. Pour des applications à haute pureté, telles que les batteries au lithium et l’électronique, les impuretés métalliques peuvent provoquer une auto‑décharge des batteries et une fiabilité réduite des dispositifs électroniques, ne répondant pas aux normes de pureté strictes des utilisateurs en aval.
3. Faible efficacité du fraisage multi‑passes et de l’évaporation des solvants, impactant la qualité
   Pour atteindre la finesse cible, des passes de broyage répétées sont nécessaires, ce qui entraîne des cycles de production longs et une consommation énergétique élevée. En outre, un traitement prolongé en milieu aqueux peut provoquer l’évaporation de l’eau, entraînant des fluctuations de la teneur en solides et une augmentation de la viscosité, ce qui affecte la régularité des opérations ultérieures de revêtement et de formation de film, augmentant ainsi les coûts de contrôle qualité et le taux de rebut.
4. Faible stabilité du procédé et difficulté à l’extension de la production
   Les équipements traditionnels présentent une faible précision du réglage de l’entre‑deux et dépendent fortement de l’expérience de l’opérateur, ce qui entraîne d’importantes variations de finesse d’un lot à l’autre. En outre, la répartition du champ de cisaillement diffère considérablement entre les appareils de laboratoire et ceux de production, rendant difficile la reproduction linéaire des paramètres de procédé et allongeant ainsi le cycle de R&D et d’extension d’échelle pour de nouvelles formulations de matériaux.

Solution

Afin de répondre aux problématiques de dispersion des suspensions aqueuses de NTC, nous avons recours au broyeur à rouleaux triple de précision ZYTR‑50T, associé à l’homogénéisateur ZYMC‑4000VS pour l’étape préalable de pré‑mélange, afin d’obtenir une désagglomération efficace et une dispersion ultra‑fine des agrégats de NTC grâce à un procédé de broyage progressif en deux étapes.
Le cœur de la solution repose sur le principe de cisaillement à entre‑fer de haute précision du laminoir à trois rouleaux, associé à des rouleaux en céramique de zircone d’une pureté exceptionnelle et à une capacité d’ajustement de l’entre‑fer au micron près. Dans des conditions d’absence totale de contamination métallique, deux passes de broyage suffisent pour ramener la finesse de la suspension jusqu’au niveau submicronique, ce qui convient parfaitement aux activités de R&D en laboratoire ainsi qu’à la production en petites séries de suspensions aqueuses de nanotubes de carbone destinées aux applications dans les batteries au lithium et dans l’électronique, tout en assurant un équilibre optimal entre efficacité de la dispersion, pureté des matériaux et efficience du procédé.

Processus expérimental

Client : Une nouvelle entreprise de matériaux à Wuxi

Matériau : Suspension aqueuse contenant des CNT

Équipement : Moulin à triple rouleau de précision ZYTR‑50T, Jauge de finesse, Homogénéisateur ZYMC‑4000VS (pour le pré-mélange)

Moulin à rouleaux triple de précision ZYE ZYTR-50T

Objectif : Détruire les agglomérats de CNT par un broyage de précision au moyen du moulin à trois rouleaux, réduire la finesse des particules et améliorer l’homogénéité globale de la dispersion.

Procédure :

Pré-mélange initial
Tout d’abord, l’homogénéisateur ZYMC‑4000VS a été utilisé pour pré‑mélanger la poudre de CNT avec le solvant aqueux, permettant ainsi un mouillage et une dispersion initiaux des CNT et une désagglomération préliminaire. La finesse de base de la suspension initiale a été mesurée à environ 50 μm.
Fraisage progressif en deux étapes
Le broyeur à trois rouleaux ZYTR‑50T a été utilisé avec des réglages d’espacement progressifs pour deux étapes :

1. Phase pré‑fraisage grossier : L’écart est fixé à 50‑20 μm pour la première passe, afin de décomposer les gros agglomérats, d’assurer une alimentation uniforme et d’obtenir un affinage préliminaire.
2. Étape de broyage fin : L’écart a été réduit à 10‑5 μm pour la deuxième passe, au cours de laquelle les fortes forces de cisaillement linéaires entre les rouleaux ont entièrement désagrégé les structures de CNT, permettant d’obtenir une dispersion ultra‑fine et homogène. En fonctionnement, le broyeur assurait une décharge uniforme sans fuite, et la bouillie post‑broyage était fine et homogène.

Effet de broyage des NTC

Essai de décharge
La finesse de la bouillie finie a été mesurée à l’aide d’un appareil de mesure de la finesse, et la finesse finale a été constamment évaluée à 7,5 μm.

Indicateur de finesse (illustration d’essai)

Analyse des résultats et avantages du processus

En comparant les données de finesse mesurées avant et après le broyage, le broyeur à rouleaux triples ZYTR‑50T a démontré des performances de dispersion remarquables pour les suspensions aqueuses de CNT. Les principaux résultats et avantages sont les suivants :

1. Haute efficacité de broyage ultra‑fin avec une réduction significative de la finesse
   La finesse initiale d’environ 50 μm a été réduite à seulement 7,5 μm en deux passes seulement, soit une diminution de 85 %. Cela répond rapidement aux exigences essentielles en matière de finesse pour les pâtes destinées aux batteries au lithium et aux applications électroniques. Par rapport aux procédés traditionnels de recirculation en plusieurs passes, le temps de traitement est considérablement raccourci et l’efficacité de production s’en trouve nettement améliorée. Une optimisation supplémentaire de la finesse peut être obtenue par l’ajustement des paramètres.
2. Moins de passages réduisent l’évaporation des solvants aqueux
   Seules deux passes de broyage suffisent pour atteindre la finesse cible, ce qui réduit considérablement le temps d’exposition de la bouillie. Cela limite efficacement les pertes d’eau du système aqueux, prévient les fluctuations anormales de la teneur en solides et de la viscosité, assure la stabilité des opérations ultérieures de revêtement et de formation de film, et diminue les écarts de qualité ainsi que les gaspillages de matière.
3. Les rouleaux en zircone éliminent la contamination par les ions métalliques
   Les rouleaux sont fabriqués en céramique de zircone d’une grande pureté, résistante à l’usure et à la corrosion. Aucun contact direct avec le métal n’a lieu avec la bouillie tout au long du procédé, ce qui élimine de manière fondamentale la dissolution des ions métalliques et la contamination par les débris dans les systèmes aqueux. Cela répond parfaitement aux exigences strictes de pureté des batteries pour les nouvelles énergies et des pâtes électroniques haut de gamme, garantissant ainsi les performances électrochimiques et la fiabilité à long terme des produits.
4. Contrôle précis et reproductible de l’entrefer
   L’équipement permet un réglage de l’entre‑deux à l’échelle du micron, avec des paramètres quantifiables, mémorisables et reproductibles, garantissant une finesse constante d’un lot à l’autre. Les paramètres de procédé sont évolutifs de manière linéaire, ce qui facilite la transition sans heurts des essais en laboratoire vers la production à grande échelle, raccourcissant ainsi le cycle de développement‑production et réduisant les coûts liés aux essais‑et‑erreurs.

Perspectives d’application

Alors que les nouvelles industries de l’énergie et des technologies de l’information électronique poursuivent leur modernisation, la demande du marché et les normes de qualité concernant les matériaux fonctionnels à base d’CNT aqueux augmentent parallèlement. Le procédé de broyage à trois rouleaux de précision ZYTR‑50T présente un large potentiel d’application dans plusieurs domaines clés :

1. Batteries au lithium pour la puissance et le stockage d’énergie
   Convient à la préparation de pâtes conductrices aqueuses à base de nanotubes de carbone pour les systèmes de batteries LFP et ternaires. Des suspensions de haute pureté, bien dispersées, favorisent la formation de réseaux conducteurs plus continus, réduisent la résistance interne et améliorent les performances en charge rapide ainsi que la durée de vie cyclique, s’alignant sur les tendances vers une haute densité énergétique et une longue durée de vie des batteries au lithium‑ion, tout en s’intégrant dans une voie d’utilisation d’un liant aqueux respectueux de l’environnement.
2. Pâtes électroniques haut de gamme
   Applicable à la recherche‑développement et à la production de pâtes aqueuses de nanotubes de carbone destinées aux circuits flexibles, aux encres conductrices, aux pâtes de blindage électromagnétique, aux matériaux d’interface thermique, etc. La faible teneur en impuretés métalliques et l’homogénéité élevée de la dispersion répondent aux exigences de haute intégration et de haute fiabilité des composants électroniques, contribuant ainsi à la montée en gamme des matériaux fonctionnels électroniques nationaux.
3. Revêtements fonctionnels et composites à base d’eau
   Convient aux revêtements conducteurs à base d’eau, aux revêtements antistatiques, aux composites thermiquement conducteurs, etc. Le procédé de dispersion efficace libère pleinement les propriétés fonctionnelles des NTC, améliorant la conductivité et l’homogénéité thermique du revêtement, tout en s’inscrivant dans les tendances environnementales des formulations à base d’eau et à faible teneur en COV, contribuant ainsi à la transition écologique des industries des revêtements et des composites.
4. Recherche et développement de nouveaux matériaux et production personnalisée en petites séries
   L’équipement est facile à utiliser, rapide à nettoyer et à reconfigurer, et présente de faibles pertes de matière. Il est idéal pour les essais en laboratoire, les campagnes pilotes et la production sur petites séries personnalisée dans les universités, les instituts de recherche et les entreprises spécialisées dans les nouveaux matériaux. Il permet une validation rapide des formulations et une optimisation des procédés, accélérant ainsi la mise en œuvre technique et l’itération des produits issus de matériaux composites à base de nanotubes de carbone (CNT) innovants.

Le broyeur à rouleaux triple de précision ZYE ZYTR‑50T, doté des atouts essentiels que sont « haute précision, haute pureté et haute efficacité », offre une solution éprouvée et fiable pour la dispersion ultra‑fine des suspensions aqueuses de nanotubes de carbone. Il répond non seulement aux défis actuels de l’industrie en matière de dispersion et de contamination, mais apporte également un solide appui matériel aux modernisations des procédés et aux innovations produits dans les secteurs des nouvelles énergies et des matériaux électroniques.