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Carbon-based thermoplastic elastomer nanocomposites for electromagnetic interference shielding applications

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Kuester, Scheyla (2018). Carbon-based thermoplastic elastomer nanocomposites for electromagnetic interference shielding applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis reports different approaches to obtaining flexible materials for electromagnetic interference (EMI) shielding. The relationship between structure, properties, processing, and performance of carbon nanotube (CNT), graphene (GnP), and GnP/CNT filled poly (styreneb-ethylene-ran-butylene-b-styrene) (SEBS) nanocomposites prepared by two different melt compounding methods was investigated.

In a first step, SEBS/CNT nanocomposites were successfully prepared by melt compounding in a batch mixer followed by compression molding. SEBS/CNT nanocomposites exhibited low electrical percolation threshold with the formation of a three-dimensional conductive network starting at around 1 wt% of CNT. An electrical conductivity of 1 S.cm-1, which represents an increase of 17 orders of magnitude compared to the one of the matrix, was achieved with 8.0 wt% of CNT. The maximum electromagnetic interference shielding effectiveness (EMI-SE) reached with 15 wt% of CNT was 30.07 dB. This effectiveness corresponds to a reduction of 99.9 % of the incident electromagnetic radiation.

In a second step, nanocomposites of SEBS/GnP and hybrid nanocomposites of SEBS/GnP/CNT were prepared using the same processing conditions used in the first phase. Morphological characterization showed that SEBS/CNT presented better dispersion of the carbon nanoadditives and higher filler-matrix interactions than SEBS/GnP. SEBS/GnP presented lower values of electrical conductivity and EMI-SE compared to SEBS/CNT prepared in the first phase. The maximum electrical conductivity was 2.6E-7 S.cm-1 and the higher EMI-SE was 8.63 dB achieved with 15 wt% of GnP. However, the addition of both CNT and GnP resulted in synergic effects regarding shielding properties when compared to both binary nanocomposites (SEBS/CNT and SEBS/GnP). The combination of both nanoparticles improved the connection of the electrical conductive network formed throughout the material, which resulted in an improvement of EMI-SE. The maximum EMI-SE of 36.47dB, which represents an attenuation of 99.98% of the incident radiation, was achieved for the SEBS/GnP/CNT nanocomposite with 5/10 wt% of GnP/CNT.

In the last part of this project, SEBS/CNT and SEBS grafted maleic anhydride (SEBSMA)/ CNT nanocomposites were prepared by melt compounding and post-processed using two different techniques, extrusion and compression molding. Results showed that the CNT loading amount, the presence of MA in the matrix, and the molding technique affected the final morphologies, the electrical, mechanical and EMI shielding properties of nanocomposites. For the nanocomposites prepared by extrusion, electrical and mechanical properties suggested that CNT were aligned in the matrix. MA did not improve the interactions between CNT and the matrix. However, SEBS-MA presents a higher melt flow index, which affected the dispersion and alignment of the CNT and the final properties of the nanocomposites. Nanocomposites prepared by extrusion presented slightly higher values of Young’s modulus, tensile strength, and elongation at break compared to the ones prepared by compression. On the other hand, nanocomposites prepared by compression presented lower electrical percolation threshold, and much higher AC electrical conductivity and EMI-SE. The highest EMI-SE value was 56.73 dB, which represents a reduction of 99.9996% of the incident radiation, achieved by SEBS/CNT with 8 wt% of CNT prepared by compression. However, the nanocomposite of SEBS/CNT with 5 wt% of CNT prepared by extrusion presented the best balance between EMI-SE and mechanical properties.

Titre traduit

Nanocomposites à base d'élastomère thermoplastique et carbone pour applications de protection contre les interferences électromagnétiques

Résumé traduit

Cette thèse rapporte différentes approches pour obtenir des matériaux flexibles pour le blindage des interférences électromagnétiques (EMI). La relation entre la structure, les propriétés, le traitement et la performance des nanocomposites poly (styrène-b-éthylènebutylène-b-styrène) (SEBS) remplis de nanotubes de carbone (CNT), graphène (GnP) et GnP / CNT préparé par deux méthodes distinctes de mélange à l'état fondu a été étudiée.

Dans une première étape, les nanocomposites SEBS / CNT ont été préparés avec succès par mélange à l'état fondu dans un mélangeur interne suivi d'un moulage par compression. Les nanocomposites SEBS / CNT ont présenté un seuil de percolation électrique faible avec la formation d'un réseau conducteur tridimensionnel commençant à environ 1% en poids de NTC. La conductivité électrique supérieure de 1 S.cm-1, qui représente une augmentation de 17 ordres de grandeur par rapport à la matrice, a été obtenue avec 8,0% en poids de CNT. L'efficacité maximale de protection contre les interférences électromagnétiques (EMI-SE) atteinte avec 15% en poids de CNT était de 30,07 dB. Cette efficacité correspond à une réduction de 99,9% du rayonnement électromagnétique incident.

Dans une deuxième étape, des nanocomposites de SEBS / GnP et des nanocomposites hybrids de SEBS / GnP / CNT ont été préparés en utilisant les mêmes conditions de traitement utilisées dans la première phase. La caractérisation morphologique a montré que le SEBS / CNT présentait une meilleure dispersion des nanomatériaux de carbone et des interactions de charge-matrice plus élevées que SEBS / GnP. SEBS / GnP a présenté des valeurs de conductivité électrique plus faibles et EMI-SE par rapport au SEBS / CNT préparé dans la première phase. La conductivité électrique maximale était de 2,6 E-7 S.cm-1 et l'EMI-SE plus élevée était de 8,63 dB atteint avec 15% en poids de GnP. Cependant, le SEBS / GnP / CNT a présenté des effets synergiques concernant les propriétés de blindage par rapport aux nanocomposites binaires (SEBS / CNT et SEBS / GnP). L’ajout simultané des deux nanoparticules a amélioré la connexion du réseau conducteur électrique formé à travers le polymère, ce qui a entraîné une amélioration de l'EMI-SE. L'EMI-SE maximum de 36,47 dB, qui représente une atténuation de 99,98% du rayonnement incident, a été atteint pour le nanocomposite SEBS / GnP / CNT avec respectivement 5/10% en poids de GnP / CNT.

Dans la dernière partie de ce projet, des nanocomposites SEBS / CNT et SEBS greffés à l'anhydride maléique (SEBS-MA) / CNT ont été préparés par mélange à l'état fondu et posttraités en utilisant deux techniques différentes, l'extrusion et le moulage par compression. Les résultats ont montré que la quantité de CNT, la présence de MA dans la matrice et la technique de moulage affectent les morphologies finales ainsi que les propriétés électriques, mécaniques et de blindage EMI des nanocomposites. Pour les nanocomposites préparés par extrusion, les propriétés électriques et mécaniques suggèrent que les NTC sont alignés dans la matrice. MA n'a pas amélioré les interactions entre CNT et la matrice. Cependant, le SEBS-MA présente un indice de fluidité à chaud plus élevé, qui affecte la dispersion et l'alignement du CNT et les propriétés finales des nanocomposites. Les nanocomposites préparés par extrusion présentaient des valeurs légèrement plus élevées du module de Young, de la résistance à la traction et de l'allongement à la rupture par rapport à ceux préparés par compression. En revanche, les nanocomposites préparés par compression présentaient un seuil de percolation électrique plus faible et une conductivité électrique en courant alternatif et un EMI-SE plus élevées. L'EMISE plus élevée était de 56,73 dB, ce qui représente une réduction de 99,9996% du rayonnement incident, obtenu par SEBS / CNT avec 8% en poids de CNT préparé par compression. Cependant, le nanocomposite de SEBS / CNT avec 5% en poids de CNT préparé par extrusion présentait le meilleur équilibre entre EMI-SE et les propriétés mécaniques.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to Universidade Federal de Santa Catarina and École de technologie supérieure in partial fulfillment for the dual-degree of doctor in materials science and engineering, Dr., and doctor of philosophy". Bibliographie : pages 155-168.
Mots-clés libres: Matériaux nanocomposites Conception et construction. Brouillage électromagnétique Prévention. Composites polymères. Composites thermoplastiques. Élastomères. Nanotubes de carbone. Graphène. Matériaux nanocomposites Propriétés électriques. Matériaux nanocomposites Propriétés mécaniques. Anhydride maléique. nanocomposites hybrides, nanotubes de carbone, propriétés électriques, blindage électromagnétique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Demarquette, Nicole R.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Barra, Guilherme M. O.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 16 mai 2018 16:30
Dernière modification: 16 mai 2018 16:30
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2045

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