Enhancing barrier and shielding properties of multilayered flexible packaging with carbon-based composites

Résumé

Les solutions actuelles d’emballage flexible multicouche pour protéger les dispositifs électroniques sensibles souffrent d’une faible réutilisation et recyclabilité. Cela entraîne une aggravation des déchets, une dégradation lente, des émissions et la contamination des sols et des océans, entre autres problèmes. Le manque de recyclabilité est dû à leur structure complexe. Pour fournir des propriétés de barrière et de blindage, des matériaux hétérogènes, c’est-à-dire l’aluminium et le polymère, sont joints avec des couches adhésives. Le recyclage de ce type de structure nécessite des approches énergivores et longues. Dans ce contexte, nous avons proposé de remanier la structure multicouche pour créer une solution plus durable en utilisant des composites à base de carbone. Notre approche vise à être compatible avec l’utilisation industrielle et est basée sur des matériaux largement disponibles à l’échelle industrielle : une matrice de polyéthylène haute densité (PE-HD) avec des propriétés clés fournies par deux charges à base de carbone: les plaquettes de graphène (G) pour une barrière contre la perméabilité et les nanotubes de carbone multi parois (CNT) pour une conductivité électrique augmentée. Méthodologiquement, nous avons pris trois étapes pour atteindre le composite proposé : premièrement, nous avons étudié les effets de barrière et de conductivité électrique de G en utilisant la coextrusion dans un processus de fabrication à l’échelle semiindustrielle pour produire une structure à 8 couches. Des concentrations inférieures à 0,5 % en poids, G a amélioré l’effet barrière d’environ 42 % pour l’oxygène et l’eau dans des échantillons avec des surfaces plus lisses. Cependant, aucune augmentation de la conductivité électrique n’a été trouvée à 1 % en poids. De plus, la conception en couches - en particulier, le placement sélectif de la charge dans les couches choisies - s’est avérée être un outil important pour obtenir des propriétés améliorées. Deuxièmement, nous nous sommes concentrés sur l’amélioration des propriétés électriques nécessaires pour obtenir des propriétés de blindage en étudiant des films PE-HD/CNT monocouche avec G comme charge secondaire, aboutissant à un composite hybride. Une transition d’un composite isolant à un composite plus conducteur a été obtenue à 6,49 % en poids CNT. Une synergie a été trouvée pour les composites hybrides avec des rapports CNT:G 99:1 à une concentration fixe de 9 % en poids, mais était fortement dépendante des conditions de refroidissement de l’échantillon. À la même teneur en charge, aucune amélioration des propriétés barrière n’a été trouvée. Troisièmement et enfin, en utilisant une technique de coextrusion avec un élément multiplicateur, nous avons produit des films multicouches avec 129 couches PE-HD/CNT, PE-HD/G et HDPE/CNT/G avec des compositions allant jusqu’à 4,5 % en poids et comparé leurs propriétés barrière et blindage aux films monocouches. Les structures multicouches ont présenté une barrière globale améliorée à l’eau et à l’oxygène. Augmentation du blindage, allant de 13 % à 110 % selon le type de structure, et les propriétés d’absorption micro-ondes. Les améliorations ont été attribuées au placement sélectif du remplissage et aux propriétés diélectriques accrues des films multicouches. Bien que nous n’ayons pas pu atteindre les valeurs commerciales recommandées pour le blindage (10 dB) des dispositifs sensibles avec des films flexibles épaisseur 100 μm, notre enquête a démontré le potentiel d’atteindre des propriétés combinées dans un film composite flexible pour les applications d’emballage en ajustant la méthode de traitement et la conception en couches.

Date	3 nov. 2023
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicole R. Demarquette (Directeur(-trice)), Abdellah Ajji (Codirecteur(-trice)) & Guilherme Mariz de Oliveira Barra (Codirecteur(-trice))