PL231763B1

PL231763B1 - Application of the polymer-carbon material, shielding electromagnetic radiation within the terahertz range

Info

Publication number: PL231763B1
Application number: PL417528A
Authority: PL
Inventors: Mariusz Zdrojek; Jarosław Judek
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2019-04-30
Also published as: PL417528A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest zastosowanie kompozytu polimerowo-węglowego zawierającego nanostruktury węglowe, jako materiału ekranującego promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu teraherców. Kompozyt może służyć jako warstwa chroniąca elementy elektroniczne lub urządzenia przed promieniowaniem elektromagnetycznym.The subject of the invention is the use of a polymer-carbon composite containing carbon nanostructures as a shielding material for electromagnetic radiation in the terahertz range. The composite can serve as a layer to protect electronic components or devices against electromagnetic radiation.

Promieniowanie elektromagnetyczne terahercowe, zwykle definiowane w zakresie częstotliwości 0,1-10 THz, znajduje ostatnio zastosowanie w wielu różnych dziedzinach działalności człowieka, takich jak np. telekomunikacja, bezpieczeństwo, astronomia, medycyna, biologia, chemia, przet warzanie żywności czy przemysł ceramiczny i polimerowy. Pojawiają się nowe rozwiązania pozwalające na budowę emiterów i detektorów pracujących w terahercowym zakresie promieniowania. W związku z powyższym otaczająca nas przestrzeń w coraz większym stopniu wypełniona jest falami elektromagnetycznymi z tego zakresu. Wiadomo, że silniejsze promieniowanie terahercowe może wnikać w tkankę na głębokość do kilkunastu milimetrów. Jest to co prawda promieniowanie niejonizujące (w odróżnieniu np. od promieniowania rentgenowskiego), ale jego rzeczywisty wpływ na zdrowie nie jest do końca zbadany. Nie można wykluczyć, że promieniowanie terahercowe może oddziaływać w negatywny sposób zarówno na pracę urządzeń elektronicznych, jak i na organizmy żywe.Terahertz electromagnetic radiation, usually defined in the frequency range 0.1-10 THz, has recently found application in many different fields of human activity, such as, for example, telecommunications, security, astronomy, medicine, biology, chemistry, food processing, and the ceramic and polymer industries . There are new solutions that allow the construction of emitters and detectors working in the terahertz radiation range. Therefore, the space that surrounds us is increasingly filled with electromagnetic waves from this range. It is known that the stronger terahertz radiation can penetrate the tissue to a depth of several millimeters. Although it is non-ionizing radiation (as opposed to, for example, X-rays), its actual impact on health is not fully explored. It cannot be ruled out that terahertz radiation may have a negative effect on both the operation of electronic devices and living organisms.

Zważywszy na stosunkowo krótki okres wykorzystywania promieniowania terahercowego w różnych dziedzinach techniki i gospodarki, ciągle aktualne są problemy związane z zapewnieniem kontrolowanego działania urządzeń pracujących w tym zakresie. Skuteczne i pewne ekranowanie i tłumienie promieniowania elektromagnetycznego w zakresie terahercowym jest kluczowym aspektem dalszego rozwoju technologii teraherców.Considering the relatively short period of use of terahertz radiation in various fields of technology and economy, there are still current problems related to ensuring controlled operation of devices operating in this field. Effective and reliable shielding and suppression of electromagnetic radiation in the terahertz range is a key aspect of the further development of terahertz technology.

Najprostszym materiałem odbijającym promieniowanie terahercowe jest metal (np. aluminium, miedź). Jest to jednak materiał nieselektywny, ekranujący jednocześnie promieniowanie elektromagnetyczne w bardzo szerokim zakresie jego spektrum, włączając w to zakres mikrofalowy (<100 GHz). Ponadto metal nie zawsze może być zastosowany z uwagi na fakt, iż w ogólności jest materiałem elektrycznie przewodzącym, słabo plastycznym i nieelastycznym, posiadającym duży ciężar właściwy.The simplest material that reflects terahertz radiation is metal (e.g. aluminum, copper). However, it is a non-selective material, at the same time shielding electromagnetic radiation in a very wide range of its spectrum, including the microwave range (<100 GHz). Moreover, metal cannot always be used due to the fact that it is generally an electrically conductive material that is poorly plastic and inelastic, having a high specific weight.

Kolejnym materiałem absorbującym promieniowanie elektromagnetyczne jest węgiel. Stosuje się w tym celu także węgiel w formie nanorurek i grafenu. Grafen jest alotropową odmianą węgla o heksagonalnej strukturze dwuwymiarowej. Z kolei nanorurki węglowe składają się z jednej lub wielu monowarstw grafenowych zwiniętych w kształt walców o średnicach od 0,5 do kilkudziesięciu nanometrów oraz o długości do kilku centymetrów.Another material that absorbs electromagnetic radiation is carbon. Carbon in the form of nanotubes and graphene are also used for this purpose. Graphene is an allotropic form of carbon with a two-dimensional hexagonal structure. Carbon nanotubes, on the other hand, consist of one or more graphene monolayers rolled into the shape of cylinders with diameters from 0.5 to several dozen nanometers and up to several centimeters long.

Znane są kompozyty polimerowe z wypełniaczami nanowęglowymi. Publikacja autorstwa A. Das et al. (Appl. Phys. Lett. 98, 174101, 2011) odnosi się do kompozytu polimerowego zwierającego domieszkę nanostruktur węglowych, mającego cechy materiału hydrofobowego. Kompozyt wykazuje własności ekranujące na poziomie 32dB w wąskim przedziale 0,57-0,63 THz. Kompozyt zawiera mieszaninę włókien węglowych i kilku polimerów, a otrzymano go dodając do mieszaniny polimerów dyspersję nanostruktur w acetonie. Materiał o wspomnianych parametrach ekranowania był przewodzący (~10³ S/m).Polymer composites with nanocarbon fillers are known. Published by A. Das et al. (Appl. Phys. Lett. 98, 174101, 2011) refers to a polymer composite doped with carbon nanostructures having the characteristics of a hydrophobic material. The composite shows shielding properties at the level of 32dB in a narrow range of 0.57-0.63 THz. The composite contains a mixture of carbon fibers and several polymers, and it was obtained by adding a dispersion of nanostructures in acetone to the polymer mixture. Material with said screening parameters was conductive (~ 10 ³ S / m).

W pracy (Appl. Phys. Lett. 93, 231905, 2008) użyto cienkich warstw nanorurek węglowych naniesionych na elastyczne podłoże z politereftalanu etylenu (PET), jako materiału ekranującego promieniowanie THz w zakresie 0,1-1,2 THz. Materiał ten jednocześnie zachowuje dobre przewodnictwo elektryczne oraz przezroczystość dla światła widzialnego. Materiał przygotowano nanosząc kilkakrotnie nanorurki w roztworze dichlorku etylenu na podłoże PET, z zastosowaniem wirówki. Warstwa nanorurek była przewodząca (100-1000 Ω/ο).In the work (Appl. Phys. Lett. 93, 231905, 2008), thin layers of carbon nanotubes applied on a flexible polyethylene terephthalate (PET) substrate were used as a material shielding THz radiation in the range of 0.1-1.2 THz. At the same time, this material maintains good electrical conductivity and transparency for visible light. The material was prepared by applying several times nanotubes in ethylene dichloride solution to the PET substrate, using a centrifuge. The nanotube layer was conductive (100-1000 Ω / ο).

W pracy (Optics Express 39, 1541,2014) pokazano możliwość produkcji kompozytu złożonego z polimeru i nanorurek węglowych (jednościennych). Metoda produkcji obejmowała: przygotowanie zawiesiny wodnej nanorurek, dodanie zawiesiny do roztworu alkoholu poliwinylowego, mieszanie i suszenie w warunkach atmosferycznych. Pokazano dane dotyczące transmitancji promieniowania z zakresu 0,3-2,1 THz, w zależności od koncentracji nanorurek przekraczającej 10 dB.The paper (Optics Express 39, 1541, 2014) shows the possibility of producing a composite composed of a polymer and carbon nanotubes (single-walled). The production method included: preparing an aqueous suspension of nanotubes, adding the suspension to a polyvinyl alcohol solution, mixing and drying under atmospheric conditions. The data on the transmittance of radiation in the range of 0.3-2.1 THz, depending on the concentration of nanotubes exceeding 10 dB, are shown.

W opisie zgłoszenia patentowego WO2012153063 ujawniono sposób przygotowania kompozytów polimerowo-węglowych zawierających różne formy nanowęgla, korzystnie nanorurki węglowe. Materiał według zgłoszenia otrzymuje się przez przygotowanie przedmieszki zawierającej od 3% do 50% wagowo nanocząstek węgla i co najmniej jeden polimerowy środek wiążący. W celu otrzymania przedmieszki nanocząstki węgla i spoiwo miesza się do uzyskania stabilnej emulsji polimerowej lub zawiesiny w fazie wodnej. W przypadku, gdy matrycę materiału stanowi polimer termoutwardzalny, skoncentrowaną przedmieszkę dysperguje się w osnowie z tego polimeru, takiego jak np.: bisfenol, żywica epoksydowa,The description of the patent application WO2012153063 discloses a method of preparing polymer-carbon composites containing various forms of nanocarbon, preferably carbon nanotubes. The material of the application is obtained by preparing a masterbatch containing from 3% to 50% by weight of carbon nanoparticles and at least one polymeric binder. To obtain a premix, the carbon nanoparticles and the binder are mixed until a stable polymer emulsion or suspension in the water phase is obtained. In the case when the matrix of the material is a thermosetting polymer, the concentrated masterbatch is dispersed in a matrix of this polymer, such as e.g. bisphenol, epoxy resin,

PL 231 763 B1 żywica winyloestrowa, nienasycony poliester, poliol, poliuretan. Do mieszaniny dodaje się następnie utwardzacz właściwy dla polimeru, w celu uzyskania gotowego materiału kompozytowego. Wprowadzenie nanorurek węglowych w formie koncentratu pozwala na uzyskanie jednorodnego rozkładu nanorurek w materiale, a tym samym lepszej przewodności elektrycznej. Materiał według tego zgłoszenia charakteryzował się poziomem tłumienia promieniowania tylko do 0,1 THz.Vinyl ester resin, unsaturated polyester, polyol, polyurethane. A polymer specific hardener is then added to the mixture to form a finished composite material. The introduction of carbon nanotubes in the form of a concentrate allows for a homogeneous distribution of nanotubes in the material, and thus a better electrical conductivity. The material according to this application had a radiation attenuation level of only 0.1 THz.

We wszystkich opisanych wyżej kompozytach zadowalające parametry ekranowania promieniowania uzyskuje się poprzez dokładne rozprowadzenie wypełniacza nanowęglowego, w celu uzyskania równomiernego rozkładu wypełniacza. Zhomogenizowany wypełniacz tworzy makroskopowe ścieżki perkolacji sprawiając, że opisane kompozyty są przewodzące elektrycznie, która to cecha zapewnia ekranowanie promieniowania.In all the composites described above, satisfactory radiation shielding parameters are obtained by fine spreading the nanocarbon filler in order to obtain an even distribution of the filler. The homogenized filler creates macroscopic percolation paths making the described composites electrically conductive, which feature provides radiation shielding.

Tymczasem niejednokrotnie pożądane jest, aby materiał ekranujący promieniowanie elektromagnetyczne nie przewodził prądu elektrycznego, np. w zastosowaniach do ochrony elementów elektronicznych lub urządzeń elektronicznych (obudowy, uszczelki, ekrany). Ponadto, istotną cechą materiału ekranującego jest w wielu zastosowaniach jego selektywność. Selektywność w tym przypadku rozumiana jest jako zdolność zatrzymywania promieniowania w zakresie THz, ale równocześnie brak tej funkcjonalności w innym zakresie np. mikrofalowym. Kompozyty przewodzące elektrycznie, podobnie jak metale, tej cechy nie posiadają.Meanwhile, it is often desirable that the electromagnetic shielding material should not be electrically conductive, e.g. in applications for the protection of electronic components or electronic devices (housings, gaskets, screens). Moreover, an important feature of the shielding material in many applications is its selectivity. Selectivity in this case is understood as the ability to stop radiation in the THz range, but at the same time the lack of this functionality in another range, e.g. microwave. Electrically conductive composites, like metals, do not have this feature.

Celem wynalazku było opracowanie materiału, który posiada właściwość tłumienia lub ekranowania promieniowania w zakresie THz, a jednocześnie jest przezroczysty dla fal z zakresu mikrofalowego, i jest materiałem nieprzewodzącym elektrycznie w zakresie prądu stałego.The object of the invention was to develop a material that has the property of suppressing or shielding radiation in the THz range, while being transparent to microwave waves, and is a DC non-conductive material.

Istotą wynalazku jest zastosowanie kompozytu polimerowo-węglowego, w którym w matrycy z nieprzewodzącego polimeru termoplastycznego, elastomeru lub siloksanu jest rozproszony wypełniacz w formie nanostruktur węglowych w ilości 0,1% do 10% wag., otrzymanego przez bezpośrednie wymieszanie płynnego polimeru i wypełniacza i utwardzenie, do selektywnego ekranowania promieniowania w zakresie 0,1-10 THz o wydajności przekraczającej 10 dB przynajmniej w części wspomnianego zakresu terahercowego, przy czym stosowany kompozyt polimerowo-węglowy jest nieprzewodzący elektrycznie.The essence of the invention is the use of a polymer-carbon composite, in which in a matrix made of a non-conductive thermoplastic polymer, elastomer or siloxane there is a dispersed filler in the form of carbon nanostructures in the amount of 0.1% to 10% by weight, obtained by direct mixing of a liquid polymer and filler and hardening. for selectively shielding radiation in the range 0.1-10 THz with an efficiency exceeding 10 dB in at least part of the terahertz range mentioned, the polymer-carbon composite used being electrically non-conductive.

Korzystnie jako nanostruktury węglowe stosuje się: grafen, nanografit, tlenek grafenu, zredukowany tlenek grafenu, nanorurki węglowe lub mieszaniny powyższych struktur.Preferably, the following are used as carbon nanostructures: graphene, nanographite, graphene oxide, reduced graphene oxide, carbon nanotubes or mixtures of the above structures.

Korzystnie stosuje się nanostruktury o grubości poniżej 30 nm i rozmiarze powyżej 100 nm, w przypadku grafenu, nanografitu, tlenku grafenu, zredukowanego tlenu grafenu. W przypadku nanorurek węglowych ich korzystna średnica jest w zakresie poniżej 30 nm, a ich długość powyżej 1 μm.Preferably, nanostructures with a thickness of less than 30 nm and a size of more than 100 nm are used in the case of graphene, nanographite, graphene oxide, reduced oxygen graphene. For carbon nanotubes, the preferred diameter is less than 30 nm and the length is greater than 1 µm.

Korzystnie polimer wybiera się spośród: polidimetylosiloksanu, poli(tereftalanu etylenu), polistyrenu, poliestru, polimetakrylanu metylu, gumy silikonowej.Preferably, the polymer is selected from: polydimethylsiloxane, polyethylene terephthalate, polystyrene, polyester, polymethyl methacrylate, silicone rubber.

Korzystnie mieszanie polimeru z nanostrukturami węglowymi realizuje się za pomocą ultradźwięków.Preferably, the mixing of the polymer with the carbon nanostructures is carried out by means of ultrasound.

Kompozyt w zastosowaniu według wynalazku jest jednocześnie filtrem dolnoprzepustowym, który jest przezroczysty dla fal elektromagnetycznych z zakresu GHz, a absorbuje fale z zakresu THz. Głównym mechanizmem ekranowania w zakresie THz jest absorbcja.The composite in the application according to the invention is also a low-pass filter that is transparent to electromagnetic waves in the GHz range and absorbs waves in the THz range. The main shielding mechanism in the THz range is absorption.

Kompozyt polimerowo-węglowy do zastosowania według wynalazku otrzymuje się przez bezpośrednie zmieszanie płynnego polimeru i nanostruktury węgla, bez uprzedniego przygotowania wstępnej zawiesiny lub emulsji tej nanostruktury w roztworze jako przedmieszki. W rezultacie nanocząstki węgla są w matrycy polimerowej rozproszone nierównomiernie i, dzięki nieciągłości, nie tworzą jednolitych, jednorodnych i całościowych ścieżek przewodzących. Taki materiał kompozytowy jest nieprzewodzący w zakresie prądu stałego DC (>200 MOhm). Jest to koncepcja przeciwna do stanu techniki, gdzie dąży się do jak najlepszego zhomogenizowania nanostruktur w polimerach. Dzięki temu podejściu uzyskano materiał ekranujący selektywnie promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie terahercowym, który jest jednocześnie nieprzewodzący elektrycznie i ma dobre właściwości plastyczne.The polymer-carbon composite to be used according to the invention is prepared by direct mixing of a liquid polymer and a carbon nanostructure, without first pre-suspending or emulsifying this nanostructure in solution as a premix. As a result, carbon nanoparticles are dispersed unevenly in the polymer matrix and, thanks to their discontinuities, do not form uniform, homogeneous and comprehensive conductive paths. This composite material is non-conductive in the DC range (> 200 MOhm). This is a concept opposite to the state of the art, where the aim is to homogenize nanostructures in polymers as well as possible. Thanks to this approach, a material that selectively shields electromagnetic radiation in the terahertz range was obtained, which is also electrically non-conductive and has good plastic properties.

Materiał ekranujący otrzymuje się pierwotnie w postaci ciekłej jako emulsję zawiesinę lub farbę, a po uformowaniu tworzy się warstwa o różnych parametrach objętościowych (grubość, kształt).The shielding material is originally obtained in liquid form as an emulsion, suspension or paint, and after shaping, a layer with different volumetric parameters (thickness, shape) is formed.

Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach.The subject of the invention is presented in the examples.

PL 231 763 B1PL 231 763 B1

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Do przygotowania materiału ekranującego użyto komercyjnie dostępnych składników: PDMS - polimer z grupy siloksanów (prepolimer Sylgrad® 184, wraz z utwardzaczem na bazie żywicy silikonowej) oraz grafen płatkowy (Graphene Supermarket, 99% czystości, rozmiary płatków 150-3000 nm, średnia grubość - 8 nm).Commercially available components were used to prepare the shielding material: PDMS - a polymer from the siloxane group (Sylgrad® 184 prepolymer, together with a hardener based on silicone resin) and graphene flakes (Graphene Supermarket, 99% purity, flake size 150-3000 nm, average thickness - 8 nm).

Przygotowano 100 g bazy polimeru, do którego bezpośrednio dodano 10 g grafenu płatkowego tworząc grafenowo-prepolimerowy płynny roztwór. Tak przygotowany materiał poddano kąpieli w płuczce ultradźwiękowej (mod pulsacyjny, częstotliwość 37 kHz, moc 400 W) trwającej około 3 godziny. Następnie poddano roztwór procesowi mieszania laminarnego (1 godzina) przy pomocy mieszadła magnetycznego. Następnie do roztworu dodano 1 g utwardzacza i rozmieszano go przy pomocy szklanej szpatułki. Tak przygotowany roztwór przelano do naczynia szklanego, tak aby uformował on cienką warstwę o grubości poniżej 1 mm, a następnie umieszczono naczynie w piecu, w temperaturze 100°C na 1 h. W efekcie otrzymano cienką warstwę polimerowo-grafenowego materiału. Otrzymany materiał nie przewodzi prądu elektrycznego (DC). Rezystancja >200 MOhm.100 g of a polymer base was prepared to which 10 g of graphene flake was directly added to form a graphene prepolymer fluid solution. The material prepared in this way was soaked in an ultrasonic cleaner (pulse mode, frequency 37 kHz, power 400 W) for about 3 hours. Then the solution was subjected to the laminar mixing process (1 hour) with the use of a magnetic stirrer. Then 1 g of the hardener was added to the solution and it was mixed with a glass spatula. The solution prepared in this way was poured into a glass vessel so that it formed a thin layer less than 1 mm thick, and then the vessel was placed in the oven at 100 ° C for 1 hour. As a result, a thin layer of polymer-graphene material was obtained. The material obtained is non-conductive (DC). Resistance> 200 MOhm.

Aby zademonstrować właściwości tłumiące promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie sub-terahercowym przeprowadzono pomiar poziomu transmisji w funkcji częstotliwości w zakresie 0,1-0,7 THz i pokazano poziom osłabienia promieniowania po przejściu przez materiał (w kierunku prostopadłym do płaszczyzny materiału). Do badań użyto techniki czasowo rozdzielczej spektroskopii terahercowej.To demonstrate the properties of suppressing electromagnetic radiation in the sub-terahertz range, the transmission level was measured as a function of frequency in the range of 0.1-0.7 THz and the level of attenuation of radiation after passing through the material (in the direction perpendicular to the material plane) was shown. The time-resolved terahertz spectroscopy technique was used for the research.

Fig. 1 demonstruje wyniki transmisji, czyli efektywność tłumienia (osłabienia), która w znacznej części badanego zakresu przekracza 10 dB. Transmisja jest tutaj rozumiana jako wartość 20log10(E^T/E^inc) gdzie E^T jest natężeniem pola elektrycznego promieniowania, które przeszło przez materiał, E^inc natężenie pola padającej fali elektromagnetycznej.Fig. 1 demonstrates the results of the transmission, i.e. the attenuation (attenuation) efficiency, which for the most part of the tested range exceeds 10 dB. Transmission is here understood as a value of 20log10 (E ^T / E ^inc ) where E ^T is the electric field strength of the radiation that has passed through the material, E ^{inc is} the incident electromagnetic wave field strength.

Dla porównania na Fig. 1a pokazano poziom transmisji dla zakresu częstotliwości w mikrofalach (0,1-1,8 GHz), co demonstruje, że badany materiał bardzo dobrze przepuszcza fale elektromagnetyczne w tym zakresie, wykazując zatem cechy materiału selektywnego, jeśli chodzi o poziom tłumienia fal.For comparison, Fig. 1a shows the transmission level for the frequency range in microwaves (0.1-1.8 GHz), which demonstrates that the tested material transmits electromagnetic waves very well in this range, thus showing the characteristics of the material selective in terms of level wave attenuation.

Ujemne wartości transmisji świadczą o tym, o ile w decybelach osłabione jest promieniowanie po przejściu przez materiał. Wartość -20 dB oznacza, że 10-krotne osłabienie promieniowania.Negative transmission values show how much decibel radiation is reduced after passing through the material. A value of -20 dB means that the radiation is reduced 10 times.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

W niniejszym przykładzie użyto podobnej procedury przygotowania materiału, jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że rolę wypełniacza pełniła tym razem mieszanina grafenu płatkowego (BGT Materials, Grat-G1 M) i nanorurek węglowych w stosunku wagowym 4:1. Mieszania ta z kolei stanowiła 2,5% wagowego wytworzonego materiału o grubości poniżej 1 mm.In this example, a similar material preparation procedure was used as in Example 1, except that the filler was a mixture of flake graphene (BGT Materials, Grat-G1 M) and carbon nanotubes in a weight ratio of 4: 1. This mixing in turn accounted for 2.5% by weight of the material less than 1 mm thick produced.

Fig. 2 demonstruje efektywność tłumienia (osłabienia) w zakresie 0,1-0,7 THz, która w całym zakresie badanego zakresu przekracza 10 dB. Ujemne wartości transmisji świadczą o tym, o ile w decybelach osłabione jest promieniowanie po przejściu przez materiał.Fig. 2 demonstrates the attenuation (attenuation) efficiency in the range 0.1-0.7 THz, which over the entire range of the tested range exceeds 10 dB. Negative transmission values show how much decibel radiation is reduced after passing through the material.

Ponadto badany materiał nie przewodzi prądu elektrycznego (DC). Rezystancja >200 MOhm.Moreover, the tested material is not electrically conductive (DC). Resistance> 200 MOhm.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

W niniejszym przykładzie użyto podobnej procedury przygotowania materiału, jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że rolę wypełniacza pełnił tym razem zredukowany tlenek grafenu (rGO) stanowiący 2,5% wagowego wytworzonego materiału o grubości poniżej 1 mm.In this example, a similar material preparation procedure was used as in Example 1, except that the filler was reduced graphene oxide (rGO), 2.5% by weight of the material less than 1 mm thick.

Fig. 3 demonstruje efektywność tłumienia (osłabienia) w zakresie 0,1-0,75 THz, która w większości zakresu badanego zakresu przekracza wartość 10 dB. Ujemne wartości transmisji świadczą o tym, o ile w decybelach osłabione jest promieniowanie po przejściu przez materiał.Fig. 3 demonstrates the attenuation (attenuation) efficiency in the range of 0.1-0.75 THz, which in most of the range of the tested range exceeds the value of 10 dB. Negative transmission values show how much decibel radiation is reduced after passing through the material.

P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4

W niniejszym przykładzie jako materiału polimerowego użyto termoplastycznego polimeru z grupy poliestrów - poli(tereftalan etylenu), a jako wypełniacza użyto grafenu płatkowego, jak w przykładzie nr 1. Grafen został dodany do polimeru, gdy ten był w płynnym stanie skupienia (czyli powyżej 265°C) i zmieszany na gorąco przy użyciu ekstrudera i techniki tłoczenia na ciepło. Następnie materiał wtłoczono na ciepło w formę, której wypełnienie dawało cienką płytkę o grubości około 1,8 mm, a następnie ostudzono.In this example, a thermoplastic polymer from the polyester group, polyethylene terephthalate, was used as the polymer material, and graphene flake was used as a filler, as in example No. 1. Graphene was added to the polymer when it was in a liquid state (i.e. above 265 ° C). C) and hot-mixed using extruder and hot-press technique. The material was then hot pressed into a mold, the filling of which gave a thin plate about 1.8 mm thick, and then cooled.

Na Fig. 4 pokazano stopień osłabienia promieniowania elektromagnetycznego w zakresie 0,1-0,95 THz. Ujemne wartości transmisji świadczą o tym, o ile w decybelach osłabione jest promieniowanie po przejściu przez materiał.Fig. 4 shows the attenuation degree of the electromagnetic radiation in the range 0.1-0.95 THz. Negative transmission values show how much decibel radiation is reduced after passing through the material.

PL 231 763 B1PL 231 763 B1

P r z y k ł a d 5P r z k ł a d 5

W niniejszym przykładzie pokazano, iż próbki z przykładów 1 i 3 w zakresie powyżej 1 THz wykazują własności prawie całkowicie blokujące promieniowanie w tym zakresie, a transmisja jest poniżej 1% (1% w transmisji oznacza 20 dB w skali logarytmicznej). W tym przypadku metodą pomiarową była spektroskopia w podczerwieni, która pozwala wyjść poza zakres przedstawiony w powyższych przykładach. Wyniki zaniku transmisji pokazane na Fig. 5 w zakresie 1-10 THz wyrażone są w skali liniowej. Przykład dotyczy kompozytu na bazie PDMS z wypełniaczem grafenowym (10% wt, przykład nr 1, Fig. 5a) oraz z wypełniaczem tlenku grafenu (2,5% wt, przykład nr 3, Fig. 5b).In this example it is shown that the samples of Examples 1 and 3 in the range above 1 THz show almost completely radiation blocking properties in this range and the transmission is below 1% (1% in transmission means 20 dB on a logarithmic scale). In this case, the measurement method was infrared spectroscopy, which goes beyond the range shown in the examples above. The transmission fading results shown in Fig. 5 in the range 1-10 THz are expressed on a linear scale. The example relates to a PDMS-based composite with a graphene filler (10 wt%, example No. 1, Fig. 5a) and a graphene oxide filler (2.5 wt%, example No. 3, Fig. 5b).

P r z y k ł a d 6P r z k ł a d 6

W niniejszym przykładzie pokazano, iż dla próbek wykonanych według procedury z przykładu 1 głównym mechanizmem ekranującym promieniowanie z zakresu sub-teraherzowego jest mechanizm absorbcji, a odbicie jest na poziomie 1-2%. Aby uwidocznić ten fakt do badań transmisji pokazanych w przykładzie 1 wykonano w tym samym zakresie THz i w tej samej konfiguracji pomiary odbicia (według schematu zamieszczonego na Fig. 6). Wartość absorbcji (A) jest wyznaczana przy użyciu wzoru A = 1-R-T, gdzie R - odbicie, T - transmisja.In this example it is shown that for the samples made according to the procedure of example 1 the main mechanism for shielding radiation in the sub-teraheresis is the absorption mechanism and the reflection is at the level of 1-2%. To highlight this fact, for the transmission tests shown in Example 1, reflectance measurements were carried out in the same THz range and in the same configuration (according to the scheme in Fig. 6). The absorbance value (A) is determined using the formula A = 1-R-T, where R - reflection, T - transmission.

Przykład zilustrowany na Fig. 6 dotyczy kompozytu na bazie PDMS z wypełniaczem grafenowym (3% oraz 10% wt). Poziom absorbcji (linia ciągła) oraz wartość odbicia (linia przerywana) promieniowania terahercowego w = zakresie 0,1-0,8 THz dla na bazie PDMS z wypełniaczem grafenowym. Wyniki pokazane w skali dodatniej dB (również mówiącej o poziomie tłumienia). Suma obu krzywych składa się na poziom całkowitego ekranowania przez badane próbki (dane pokazane w przykładzie 1).The example illustrated in Fig. 6 is for a PDMS-based composite with a graphene filler (3% and 10% wt). Absorption level (solid line) and reflection value (dashed line) of terahertz radiation in = range 0.1-0.8 THz for PDMS based with graphene filler. The results are shown on a positive dB scale (also talking about the attenuation level). The sum of both curves makes up the level of total shielding by the test samples (data shown in Example 1).

Claims

Patent claims

1. The use of a polymer-carbon composite, in which a filler in the form of carbon nanostructures in the amount of 0.1% to 10% by weight is dispersed in a matrix of electrically non-conductive thermoplastic polymer, elastomer or siloxane, obtained by direct mixing of a liquid polymer and filler and curing for selectively shielding radiation in the range of 0.1-10 THz, with an efficiency exceeding 10 dB in at least part of the terahertz range, the polymer-carbon composite used being electrically non-conductive.

2. Use according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that the following are used as carbon nanostructures: graphene, nanographite, graphene oxide, reduced graphene oxide, carbon nanotubes or mixtures thereof.

3. Use according to claim 1 The method of claim 1, wherein the carbon nanostructures are graphene, nanographite, graphene oxide, and reduced graphene oxide, with a thickness below 30 nm and a size above 100 nm.

4. Use according to claim 1 The method of claim 1, wherein the carbon nanostructures are carbon nanotubes less than 30 nm in diameter and greater than 1 μm in length.

5. Use according to claim 1 The method of claim 1, wherein the polymer is selected from: polydimethylsiloxane, polyethylene terephthalate, polystyrene, polyester, polymethyl methacrylate, silicone rubber.

6. Use according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that the mixing of the polymer with the carbon nanostructures is performed by means of ultrasound.