Carbon-based thermoplastic elastomer nanocomposites for electromagnetic interference shielding applications

Abstract

Abstract : 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 (styrene-b-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 GPn 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 (SEBS-MA)/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.

Esta tese apresenta diferentes abordagens para a obtenção de materiais flexíveis para blindagem de interferência eletromagnética (EMI). A relação entre estrutura, propriedades, métodos de processamento e o desempenho dos nanocompósitos de poli (estireno-b-etileno-ran-butileno-b-estireno) (SEBS) com nanotubos de carbono (CNT), grafeno (GnP) e GnP/CNT preparados por dois métodos distintos de mistura por fusão foi investigada. Na primeira fase, nanocompósitos SEBS/CNT foram preparados com sucesso por mistura por fusão em um reômetro de torque seguido de moldagem por compressão. Os nanocompósitos de SEBS/CNT apresentaram baixo limiar de percolação elétrico com a formação de uma rede condutora tridimensional a partir de cerca de 1 wt.% de CNT. A máxima condutividade elétrica foi de 1 S.cm-1, a qual representa um aumento de 17 ordens de grandeza em comparação com a matriz, foi obtida com 8,0 wt.% de CNT. A máxima eficiência de blindagem de interferência eletromagnética (EMI-SE) alcançada com 15 wt.% de CNT foi de 30,07 dB. Esta eficácia corresponde a uma redução de 99,9% da radiação eletromagnética incidente. Na segunda fase, nanocompósitos de SEBS/GnP e nanocompósitos híbridos de SEBS/GnP/CNT foram preparados usando as mesmas condições de processamento usadas na primeira fase. A caracterização morfológica mostrou que SEBS/CNT apresentou uma melhor dispersão dos nanoaditivos de carbono e maiores interações entre matriz e aditivo que SEBS/GnP. SEBS/GnP apresentaram valores mais baixos de condutividade elétrica e EMI-SE em comparação com SEBS/CNT preparados na primeira fase. A condutividade elétrica máxima foi de 2.6E-7 S.cm-1 e a maior EMI-SE foi de 8,63 dB alcançadas com 15 wt.% de GnP. No entanto, SEBS/GnP/CNT apresentaram efeitos sinérgicos em relação às propriedades de blindagem em comparação aos nanocompósitos binários (SEBS/CNT e SEBS/GnP). A combinação de ambas as nanopartículas melhorou a conexão da rede elétrica condutora formada em todo o material, o que resultou em uma melhoria da EMI-SE. O EMI-SE máximo de 36,47dB, o qual representa uma atenuação de 99,98% da radiação incidente, foi alcançado para o nanocompósito SEBS/GnP/CNT com 5/10 wt.% de GnP/CNT, respectivamente. Na última parte deste projeto, nanocompósitos SEBS/CNT e SEBS graftizado com anidrido maleico (SEBS-MA)/CNT foram preparados por mistura por fusão e pós-processados usando duas técnicas diferentes, extrusão e moldagem por compressão. Os resultados mostraram que a quantidade de CNT, a presença de MA na matriz e a técnica de moldagem utilizada afetaram as morfologias e as propriedades elétricas, mecânicas e de blindagem electromagnética dos nanocompósitos. Para os nanocompósitos preparados por extrusão, as propriedades elétricas e mecânicas sugeriram que a técnica de moldagem empregada alinhou os CNT na matriz. O MA não melhorou as interações entre CNT e matriz. No entanto, SEBS-MA apresenta um índice de fluxo de fusão mais elevado, o que afetou a dispersão e alinhamento dos CNT e as propriedades finais dos nanocompósitos. Os nanocompósitos preparados por extrusão apresentaram valores ligeiramente maiores do módulo de Young, resistência à tração e alongamento na ruptura em comparação com os preparados por compressão. Por outro lado, os nanocompósitos preparados por compressão apresentaram limiar de percolação elétrico menor e condutividades elétricas (AC) e EMI-SE maiores. O maior EMI-SE foi de 56,73 dB, o que representa uma redução de 99,9996% da radiação incidente, obtida pelo SEBS/CNT com 8 wt.% de CNT preparado por compressão. No entanto, o nanocompósito de SEBS/CNT com 5 wt.% de CNT preparado por extrusão apresentou o melhor equilíbrio entre EMI-SE e propriedades mecânicas.