УДК 621.396.6
DOI: 10.18503/1995-2732-2021-19-4-71-81
Аннотация
Интенсивное распространение систем сотовой связи, а также появление новых технологий передачи информации, таких как 4G и 5G и формирование разветвленной системы высоковольтных линий электропередач привело к увеличению электромагнитного излучения в окружающую среду. Для минимизации воздействия электромагнитного излучения могут быть использованы материалы, способные поглощать или отражать его. В работе представлены исследования морфологии и свойств взаимодействия нанокомпозиционных материалов на основе полиуретана и многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) с электромагнитным излучением (ЭМИ). Проведены исследования полиуретана с МУНТ в диапазоне массовых концентрацией от 0,5 до 8 мас.%. Для определения оптических характеристик композитных материалов в СВЧ-диапазоне (эффектов пропускания, отражения и поглощения электромагнитного излучения) использован скалярный анализатор цепей, построенный на основе генератора качающейся частоты, волноводного измерительного тракта, блока анализатора и системы обработки сигналов. Проведенные исследования показали, что для композитов на основе полиуретана с массовой концентрацией МУНТ 2 и 4 мас.% характерны наибольшие коэффициенты поглощения от ~ 55 до ~ 62% ЭМИ в диапазоне частот от 9,5 до 12 ГГц. Выявлено, что для полиуретана с массовой концентрацией МУНТ равной 8 мас.% следует незначительное изменение коэффициента поглощения от ~ 37 до ~ 42%. Повышение концентрации МУНТ в полиуретане до 4 мас.% приводит к появлению на верхней стороне образца включений МУНТ. Максимальная концентрация МУНТ 8 мас.% приводит к тому, что верхняя сторона образца получается неоднородной ‒ с развитой поверхностью, большая часть которой занята сгустками МУНТ. Все композиты показали немонотонное падение коэффициента отражения и рост коэффициента поглощения с возрастанием частоты измерения.
Ключевые слова
Многослойные углеродные нанотрубки, модификация, эластомеры, полиуретан, электромагнитное излучение, поверхностно-активные вещества, просвечивающая электронная микроскопия.
Для цитирования
Композиционный наноструктурированный материал МУНТ/полиуретан для защиты от электромагнитных излучений / Щегольков А.В., Щегольков А.В., Комаров Ф.Ф., Парфимович Д.И. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т.19. №4. С. 71–81. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2021-19-4-71-81
1. Liu C., Wang L., Liu S., Tong L., Liu X. Fabrication strategies of polymer-based electromagnetic interference shielding materials. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research, 2020, vol. 3, no. 4, pp. 149–159. https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2020.10.002
2. Kumar K.S., Rengaraj R., Venkatakrishnan G.R., Chandramohan A. Polymeric materials for electromagnetic shielding – A review. Materials Today: Proceedings, 2021. https://doi.org/10.1016/ j.matpr.2021.03.720
3. Menzer K., Krause B., Boldt R., Kretzschmar B., Weidisch R., Pötschke P. Percolation behaviour of multiwalled carbon nanotubes of altered length and primary agglomerate morphology in melt mixed isotactic polypropylene-based composites. Composites Science and Technology, 2011, vol. 71, no. 16, pp. 1936–1943. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2011.09.009
4. Liu S., Qin S., Jiang Y., Song P., Wang H. Lightweight high-performance carbon-polymer nanocomposites for electromagnetic interference shielding. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2021, vol. 145, pp. 106376. https://doi.org/10.1016/ j.compositesa.2021. 106376
5. Verma M., Chauhan S.S., Dhawan S.K., Choudhary V. Graphene nanoplatelets/carbon nanotubes/polyurethane composites as efficient shield against electromagnetic polluting radiations. Composites Part B: Engineering, 2017, vol. 120, pp. 118–127. https://doi.org/10.1016/ j.compositesb.2017.03.068
6. Zhang W., Wei L., Ma Zh., Fan Q., Ma J. Advances in waterborne polymer/carbon material composites for electromagnetic interference shielding. Carbon, 2021, vol. 177, pp. 412–426. https://doi.org/10.1016/ j.carbon.2021.02.093
7. Anderson L., Govindaraj P., Ang A., Mirabedini A., Hameed N. Modelling, fabrication and characterization of graphene/polymer nanocomposites for electromagnetic interference shielding applications. Carbon Trends, 2021, vol. 4, pp. 100047. https://doi.org/10.1016/ j.cartre.2021.100047
8. Fu B., Ren P., Guo Z., Du Y., Jin Y., Sun Z., Dai Z., Ren F. Construction of three-dimensional interconnected graphene nanosheet network in thermoplastic polyurethane with highly efficient electromagnetic interference shielding. Composites Part B: Engineering, 2021, vol. 215, pp. 108813. https://doi.org/ 10.1007/s10570-021-03722-z
9. Lei Z., Tian D., Liu X., Wei J., Rajavel K., Zhao T., Hu Y., Zhu P., Sun R., Wong C.-B. Electrically conductive gradient structure design of thermoplastic polyurethane composite foams for efficient electromagnetic interference shielding and ultra-low microwave reflectivity. Chemical Engineering Journal, 2021, vol. 424, pp. 130365. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130365
10. Shin B., Mondal S., Lee M., Kim S., Huh Y., Nah Ch. Flexible thermoplastic polyurethane-carbon nanotube composites for electromagnetic interference shielding and thermal management. Chemical Engineering Journal, 2021, vol. 418, pp. 129282. https://doi.org/ 10.1016/j.cej.2021.129282
11. Zhang J., Li H., Xu T., Wu J., Zhou S., Hang Z.H., Zhang X., Yang Z. Homogeneous silver nanoparticles decorating 3D carbon nanotube sponges as flexible high-performance electromagnetic shielding composite materials. Carbon, 2020, vol. 165, pp. 404–411. https://doi.org/ 10.1016/j.carbon.2020.04.043
12. Kozak N., Matzui L., Vovchenko L., Kosyanchuk L., Oliynyk V., Antonenko O., Nesin S., Gagolkina Z. Influence of coordination complexes of transition metals on EMI-shielding properties and permeability of polymer blend/carbon nanotube/nickel composites. Composites Science and Technology, 2020, vol. 200, pp. 108420. https://doi.org/10.1016/j.compscitech. 2020.108420
13. Аспекты направленного синтеза углеродных нанотрубок для создания иерархических радиопоглощающих композитных материалов / Щегольков А.В., Щегольков А.В., Парфимович И.Д., Буракова Е.А., Кобелев А.В., Дьячкова Т.П. // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2018, т. 80, № 4(78), с. 337–343. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-4-337-343
14. Применение эластомеров, модифицированных углеродными нанотрубками при создании саморегулируемых электронагревателей и материалов для защиты от электромагнитного излучения / Щегольков А.В., Щегольков А.В., Комаров Ф.Ф., Парфимович И.Д. // Российский химический журнал. 2020. Т. 64. № 4. С. 39–45. https://doi.org/10.6060/rcj.2020644.4
15. Щегольков А.В. Многоступенчатая механоактивация МУНТ для улучшения перколяционных переходов в системе эластомер/МУНТ: подходы для реализации и практика модификации эластомеров // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т. 19. № 2. С. 58–67. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2021-19-2-58-67
16. Komarov F.F., Parfimovich I.D., Tkachev A.G., Shchegolkov A.V., Shchegolkov A.V., Mil’chanin O.V., Bondarev V. Effect of Methods for Fabrication of Polymer Composites with Carbon Nanotubes on Conduction Processes. Tech. Phys. 66, 461–469 (2021). https://doi.org/10.1134/S1063784221030129
17. Bakshi S.R., Tercero J.E., Agarwal A. Synthesis and characterization of multiwalled carbon nanotube reinforced ultra high molecular weight polyethylene composite by electrostatic spraying technique. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2007, vol. 38, no. 12, pp. 2493–2499. https://doi.org/10.1016/ j.compositesa.2007.08.004
18. Ghaleb Z.A., Mariatti M., Ariff Z.M. Properties of graphene nanopowder and multi-walled carbon nanotube-filled epoxy thin-film nanocomposites for electronic applications: The effect of sonication time and filler loading. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2014, vol. 58, pp. 77–83. https://doi.org/10.1016/ j.compositesa.2013.12.002
19. Xia T., Zeng D., Li Zh., Young R.J., Vallés C., Kinloch I. Electrically conductive GNP/epoxy composites for out-of-autoclave thermoset curing through Joule heating. Composites Science and Technology, 2018, vol. 164, pp. 304–312. https://doi.org/10.1016/j.compscitech. 2018.05.053
20. Yan D.-X., Pang H., Li B., Vajtai R., Xu L., Ren P.-G., Wang J.-H., Li Zh.-M. Structured Reduced Graphene Oxide/Polymer Composites for Ultra-Efficient Electromagnetic Interference Shielding. Advanced Functional Materials, 2015, vol. 25, no. 4, pp. 559–566. https://doi.org/10.1002/adfm.201403809
21. Vyas M.K., Chandra A. Magneto-dielectric and magneto-conducting fillers based polymer composites: Effect of functionalization, coating and dispersion process on electromagnetic shielding properties. Journal of Applied Polymer Science, 2021, vol. 138:e50602. https://doi.org/10.1002/app.50602