Textile durable à base de particules Fe3O4/PPY filées par flux pour le blindage des interférences électromagnétiques et le chauffage Joule
Contexte académique
Avec la popularisation des appareils électroniques, la pollution électromagnétique (Interférence Électromagnétique, EMI) a un impact de plus en plus significatif sur la santé humaine et la durée de vie des appareils. Bien que les matériaux métalliques traditionnels de blindage électromagnétique aient une conductivité électrique élevée, leur rigidité et leur mauvaise capacité de traitement les rendent inadaptés aux besoins des appareils portables. Par conséquent, le développement de matériaux de blindage électromagnétique flexibles, durables et personnalisables est devenu un domaine de recherche actif. Les polymères conducteurs comme le polypyrrole (PPy), en raison de leur bonne conductivité, stabilité thermique et faible toxicité, sont considérés comme des matériaux idéaux pour le blindage électromagnétique. Cependant, les matériaux de blindage électromagnétiques existants présentent des limites en termes de durabilité et de production à grande échelle, ce qui entrave leur application industrielle. Cet article vise à résoudre ces problèmes en utilisant une nouvelle technologie de filage par écoulement de particules pour produire un matériau textile composite Fe3O4/PPy à grande échelle, combinant des fonctions de blindage électromagnétique et de chauffage Joule.
Source de l’article
Cet article a été co-écrit par Jiaxin Liu, Shuo Qi, Hongshan Wang et d’autres, provenant de l’Université de Wuhan Textile, de l’Université des sciences et technologies de Huazhong, entre autres institutions. L’article a été publié le 30 octobre 2024 dans la revue Advanced Fiber Materials, avec le DOI 10.1007/s42765-024-00498-2.
Processus de recherche
1. Préparation des matériaux
La recherche a commencé par la préparation de bandes de coton Fe3O4/PPy comme couche fonctionnelle de blindage électromagnétique. Les étapes spécifiques sont les suivantes : - Prétraitement des bandes de coton : Les bandes de coton ont été immergées dans une solution de dopamine pour un traitement de surface, formant un revêtement de polydopamine (PDA) afin d’améliorer l’adhérence ultérieure du PPy. - Revêtement PPy : Par polymérisation in situ, le monomère de pyrrole a été polymérisé à la surface des bandes de coton en présence d’un oxydant FeCl3, formant un revêtement de PPy. - Revêtement Fe3O4 : Les particules de Fe3O4 ont été mélangées à une solution de polyvinyl butyral (PVB) et pulvérisées uniformément sur le revêtement de PPy pour améliorer l’absorption des ondes électromagnétiques.
2. Préparation de la couche protectrice
Pour améliorer la durabilité du matériau, l’équipe de recherche a conçu des bandes composites PVB/PP comme couche protectrice. Par la technique d’électrofilage, une membrane de nanofibres PVB a été déposée sur des bandes de PP pour former la couche protectrice. Les expériences ont comparé l’effet de différentes concentrations de PVB et tensions sur la morphologie des fibres, déterminant finalement les paramètres de traitement optimaux.
3. Fabrication de fils par technologie de filage par écoulement de particules
La recherche a utilisé la technologie de filage par écoulement de particules pour combiner les bandes de coton Fe3O4/PPy avec la couche protectrice PVB/PP, formant des fils à structure en trois couches. Les étapes spécifiques incluent : - Conception de la structure des fils : Les bandes de coton Fe3O4/PPy ont été placées entre deux bandes PVB/PP pour former une structure en “sandwich”. - Processus de filage : Les trois couches ont été torsadées en fils à l’aide d’une machine à filer, assurant que la couche fonctionnelle est étroitement enveloppée par la couche protectrice, formant une structure noyau-gaine pour améliorer la durabilité.
4. Tissage du tissu
Les fils préparés ont été tissés en tissu à l’aide d’un métier à tissu industriel, avec une densité de chaîne et de trame de 110 fils/10 cm et 40 fils/10 cm. Les performances de blindage électromagnétique et de chauffage Joule du tissu ont été testées à travers une série d’expériences.
Principaux résultats
1. Caractérisation des matériaux
L’observation au microscope électronique à balayage (SEM) a montré que le revêtement Fe3O4/PPy recouvre uniformément la surface des fibres de coton, améliorant considérablement la conductivité et les propriétés magnétiques des bandes de coton. L’analyse par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et par spectroscopie photoélectronique X (XPS) a confirmé la présence de PPy et de Fe3O4.
2. Performances de blindage électromagnétique
Le tissu a atteint une efficacité de blindage électromagnétique (SE) de 47 dB dans la bande X (8,2-12,4 GHz). Une analyse par éléments finis (FEA) a validé l’effet synergique de la structure multicouche sur la réflexion et l’absorption des ondes électromagnétiques, améliorant significativement les performances de blindage.
3. Tests de durabilité
Après 50 cycles de lavage et 465 cycles d’abrasion, l’efficacité de blindage électromagnétique du tissu n’a diminué que de moins de 10 %, démontrant une excellente durabilité. L’ajout de la couche protectrice a efficacement empêché la perte de matériaux fonctionnels.
4. Performances de chauffage Joule
Le tissu a atteint une température de 105°C en 10 secondes sous une tension de 3 V, montrant des performances de chauffage Joule efficaces. Les expériences ont montré que la température du tissu est linéairement liée au carré de la tension, conformément à la loi d’Ohm.
Conclusion et signification
Cette recherche a réussi à fabriquer un matériau textile composite multicouche combinant des fonctions de blindage électromagnétique et de chauffage Joule grâce à la technologie de filage par écoulement de particules. Les innovations incluent : - Production à grande échelle : La technologie de filage par écoulement de particules permet une production à grande échelle de fils fonctionnels, ouvrant des perspectives d’application industrielle. - Multifonctionnalité : Le matériau possède non seulement d’excellentes performances de blindage électromagnétique, mais peut également être utilisé pour la régulation de la température, s’adaptant aux domaines quotidien, militaire et aérospatial. - Durabilité : Grâce à la conception de la structure noyau-gaine, le matériau maintient des performances stables après de nombreux lavages et abrasions.
Cette recherche offre une voie technologique économique et efficace pour le développement de textiles de blindage électromagnétique multifonctionnels et durables, ayant une valeur scientifique et pratique importante.
Points forts de la recherche
- Innovation technologique : La technologie de filage par écoulement de particules a été utilisée pour la première fois dans la fabrication de matériaux textiles de blindage électromagnétique, résolvant les problèmes de production à grande échelle des méthodes traditionnelles.
- Intégration multifonctionnelle : Le matériau combine des fonctions de blindage électromagnétique et de chauffage Joule, répondant aux besoins multifonctionnels des appareils portables.
- Performances exceptionnelles : Le tissu montre des performances exceptionnelles en termes d’efficacité de blindage électromagnétique et de durabilité, surpassant les limites des matériaux existants.
Autres informations utiles
L’équipe de recherche a également démontré l’efficacité du matériau dans des applications pratiques grâce à des simulations, comme dans le blindage d’ampoules LED et de signaux téléphoniques, validant davantage son potentiel d’application réelle.