Fabrication of Bio-Polymer Nanocomposite EMI Shields Based on Sugarcane Bagasse and PVA/PANI/MWCNT, and Evaluation of the Shielding Effectiveness in Relation to the Various Compositions

Abstract

У цьому дослідженні виготовлено та порівняно тонкі екрани з провідного полімерного біокомпозиту, що складаються з полівінілового спирту (ПВС), поліанілінопровідного полімеру (ПАПП), багатостінних вуглецевих нанотрубок (БВНТ) та біовуглецю з цукрової тростини (БТ). Для отримання біовуглю використовується метод піролізу. Для розробки кількох видів біокомпозитних екранів біовугілля ПАПП, БВНТ та БТ змішували з ПВС за допомогою магнітної мішалки. Склади ПВС та ПАПП вагою 10 г та 2 г були фіксовані відповідно. Чотири зразки екранів (БТ1, БТ2, БТ3 та БТ4) були виготовлені шляхом зміни складу БВНТ та БТ. Використовуючи підхід Ван дер Пау, провідність екранів була оцінена на рівні 6,44, 21,88, 25,86 та 35,04 См/м відповідно. Ефективність екранування (SE) та S-параметри були розраховані за допомогою методу випробувального стенду для мікрохвильових випробувань у діапазоні X на частоті 10 ГГц. Для визначення SE та отримання S-параметрів було проведено моделювання в студійному симуляторі мікрохвильової печі CST. Зразок екрана SB4 мав максимальну SE 40 дБ (експериментально) та 42 дБ (модельовано) при товщині 1 мм, після чого показано порівняння та пояснення експериментальних та модельованих даних. Комбінація наповнювачів ПАПП та БВНТ є новим вибором, який збільшив SE біовугілля БТ. Це пояснюється вищою провідністю та кращим співвідношенням сторін біовугілля з багаси цукрової тростини, що сприяє формуванню провідної мережі на поверхні екрана. Таким чином, запропонована нова комбінація матеріалів забезпечує високу SE для дуже тонкої плівки. Використання великої кількості відходів багаси цукрової тростини для виготовлення екрану від електромагнітних перешкод не тільки зменшує електромагнітне забруднення, але й сприяє пом'якшенню забруднення навколишнього середовища.

In the present research, conductive polymer bio composite thin shields consisting of polyvinyl alcohol (PVA), poly aniline (PANI)-conductive polymer, multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and sugarcane bagasse (SB) biochar are fabricated and compared. The pyrolysis technique is employed for producing biochar. To develop several kinds of bio composite shields, PANI, MWCNT, and SB bio char were mixed with PVA using a magnetic stirrer. PVA and PANI compositions of 10g and 2g were fixed, respectively. Four shield samples (SB1, SB2, SB3, and SB4) were fabricated by altering the MWCNT and SB composition. Using the Van der Pauw approach, the conductivities of the shields were estimated to be 6.44, 21.88, 25.86, and 35.04 S/m, respectively. Shielding effectiveness (SE) and S-parameters were computed using the microwave test bench method in the X band at a frequency of 10 GHz. To determine SE and acquire S-parameters, simulations were run in the CST microwave studio simulator. Sample SB4 shield had the maximum SE of 40 dB (experimental) and 42 dB (simulated) at 1 mm thickness, subsequently, a comparison and explanation of the experimental and simulated data are shown. The combination of filler materials PANI and MWCNT is a novel choice which has increased the SE of the SB bio char. This is attributed to the higher conductivity and better aspect ratio of sugarcane bagasse bio char, which facilitates the formation of a conductive network on the shield's surface. Thus, the proposed novel combination of materials gives high SE for a very thin film. Utilizing abundant sugarcane bagasse waste for EMI shield fabrication not only reduces electromagnetic pollution but also contributes to mitigating environmental pollution.