Saviez-vous que vos appareils mobiles émettent des interférences électromagnétiques?

Note de l’éditeur : aujourd’hui a lieu la journée internationale de la femme. Tout au long de la semaine, l’équipe de Substance a décidé de mettre les chercheuses à l’honneur en mettant en avant une sélection d’articles rédigés par des femmes. Nous espérons que notre sélection vous plaira.

Aujourd’hui, nous avons choisi un article rédigé en juillet 2015 par Nicole R. Demarquette.

En raison principalement de l’évolution des technologies de l’information et des communications, un nouveau problème environnemental lié aux rayonnements électromagnétiques a émergé au cours de ces dernières années. Dans les grands centres urbains notamment, les appareils électroniques mobiles tels que les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables et les tablettes sont devenus des sources portables d’IEM.

Vidéo expliquant ce que sont les interférences électromagnétiques en version anglaise seulement.

Ces IEM peuvent entraver le fonctionnement des équipements électroniques alentour ou causer des dommages aux organismes vivants. C’est pourquoi une recherche approfondie a été effectuée dans le but de développer des matériaux de blindage contre les interférences électromagnétiques afin de diminuer la propagation des ondes électromagnétiques d’un lieu à un autre.

Traditionnellement, le blindage contre les interférences électromagnétiques est réalisé à l’aide de matériaux conducteurs électriques ou magnétiques tels que des métaux. Malheureusement, les matériaux métalliques ont l’inconvénient d’être très rigides, très denses et sujets à la corrosion. Comme alternative, beaucoup d’efforts ont été consacrés à l’élaboration de matériaux de blindage en matériaux polymériques qui présentent une densité faible, un coût moindre et peuvent être facilement mis en œuvre. Cependant, la plupart des polymères sont des isolants électriques, une propriété qui les rend pratiquement transparents pour les ondes électromagnétiques. Par conséquent, afin de surmonter cette limitation, des matériaux composites à base de polymères conducteurs ont été mis au point en dispersant dans une matrice polymérique des matériaux de remplissage conducteurs en concentration appropriée comme le cuivre, le nickel, des polymères intrinsèquement conducteurs ou des particules de carbone.

Le succès des matériaux composites à base de polymères conducteurs en tant que matériaux de blindage contre les interférences électromagnétiques nécessite une bonne dispersion des particules dans la matrice. Pour qu’un polymère soit conducteur il est nécessaire que les particules forment un chemin physique permettant de conduire l’électricité. La figure 2 illustre la formation de chemins conducteurs dans des matériaux composites à base de polymères conducteurs d’électricité. Cela est possible lorsque la densité de particules est supérieure à une certaine valeur connue sous le nom de seuil de percolation. Le seuil de percolation peut dépendre d’un certain nombre de facteurs inhérents au type de polymère et de particules conductrices utilisés pour obtenir le matériau composite. Parmi ces facteurs, on compte la conductivité du polymère (il est possible d’utiliser des polymères conducteurs à ces fins, bien qu’il ne soit pas facile de les mettre en œuvre), le taux de charges, la surface spécifique et la conductivité de la surface. Il dépend également de la morphologie du composite qui peut être adaptée au cours de la transformation. La morphologie du composite, qui peut être décrite comme l’état de la répartition et de la dispersion du matériau de remplissage conducteur au sein de la matrice, dépend des conditions de mise en œuvre utilisées pour obtenir le composite, des propriétés rhéologiques du polymère et des interactions entre le polymère et le matériau de remplissage.

Figure 1. Représentation schématique d’un composite en deçà du seuil  (à gauche) et au-delà du seuil (à droite) de percolation.

En règle générale, la densité de matériaux de remplissage dans les composites doit toujours être la plus faible possible. Dans ce contexte, l’utilisation de nanoparticules de carbone, comme le graphène et les nanotubes de carbone, pourrait constituer une option intéressante. Ces nanoparticules présentent d’excellents avantages concernant certains facteurs comme une surface spécifique énorme et un rapport de chargement élevé, ce qui peut réduire la quantité de matériau de remplissage nécessaire pour atteindre le seuil de percolation prescrit afin que le matériel soit efficace comme blindage contre les interférences électromagnétiques. Par ailleurs, les nanotubes de carbone et le graphène présentent également des propriétés mécaniques extraordinaires et une excellente conductivité thermique et électrique.

Toutefois, la dispersion de nanoparticules de carbone à l’intérieur d’un polymère fondu est très difficile à réaliser en appliquant des techniques conventionnelles de transformation des polymères. Les nanoparticules de carbone, comme toutes autres nanoparticules, ont tendance à former de gros agglomérats et il est rarement possible de réaliser le réseau 3D requis pour obtenir le seuil de percolation nécessaire pour la conductivité électrique. En conséquence, la difficulté de dispersion des nanoparticules de carbone est un facteur limitant pour l’utilisation de nanocomposites de carbone comme matériaux de blindage contre les interférences électromagnétiques.

Les copolymères en bloc formés de blocs immiscibles sont des matériaux intéressants qui peuvent être nanostructurés. Selon la taille des blocs et leur affinité, ils peuvent présenter une grande variété de morphologies. Il est possible de les utiliser comme modèles afin d’adapter l’emplacement des nanoparticules de carbone et, par conséquent, d’obtenir un matériau de blindage efficace contre les interférences électromagnétiques. En outre, ces matériaux possèdent souvent des propriétés de matériaux élastomères thermoplastiques qui présentent une structure morphologique diphasique constituée de blocs mous et durs. Ces matériaux présentent des propriétés mécaniques semblables à celles des caoutchoucs réticulés, mais peuvent être mis en forme et recyclés comme des matériaux thermoplastiques.

Figure 2. Brosses à dents fabriquées avec le SEBS.

Dans notre groupe de recherche, nous travaillons plus particulièrement avec le copolymère polystyrène-b-poly(éthylène-butylène)-b-polystyrène (SEBS). L’un des avantages principaux de l’utilisation de ce matériau est qu’en appliquant les méthodes et les paramètres de mise en œuvre appropriés, la morphologie du SEBS peut permettre une répartition et une dispersion adéquate des nanoparticules. De plus, en contrôlant la morphologie diphasique il est possible de fournir un emplacement ciblé des nanoparticules dans l’une des deux phases. Cet emplacement ciblé diminue également la quantité de matériau de remplissage requise pour atteindre les propriétés désirées. La figure 3 illustre un schéma concernant la localisation préférentielle des nanoparticules de carbone dans l’un des blocs de SEBS.

Figure 3. Représentation schématique des différentes phases SEBS phases (blocs PS et PEB) et localisation préférentielle des nanoparticules de carbone dans l’une des phases.

Notre groupe de recherche a réussi à obtenir de bonnes valeurs de blindage contre les interférences électromagnétiques. Pour illustrer ce point, avec 15 % en poids de nanoparticules de carbone dans les nanocomposites en SEBS, nous avons réussi à atteindre une efficacité de blindage contre les interférences électromagnétiques de 99,9 %. Et avec un mélange de deux types différents de nanoparticules de carbone, nous avons réussi à atteindre une efficacité de blindage contre les interférences électromagnétiques de 99,5 % avec seulement 10 % en poids de matériaux de remplissage. Sachant que lorsqu’on utilise d’autres matériaux de remplissage comme des polymères intrinsèquement conducteurs, le contenu en matériaux de remplissage doit excéder 30 % en poids et que lorsqu’on utilise des particules métalliques, les propriétés mécaniques des composites diminuent généralement de façon spectaculaire, les résultats que nous avons obtenus sont encore plus intéressants. Dans ces circonstances, les résultats préliminaires montrent un potentiel très prometteur du matériau obtenu pour des applications commerciales.

Ce travail de recherche est conduit dans le cadre d’un partenariat entre l’ÉTS au Canada et l’Université fédérale de Santa Catarina, au Brésil.