Development and optimization of a novel microcapsule polyamide platform and its application for the fabrication of high-performance magnetic, electro-shielding and high k thermoplastic composites

Abstract

A produção tradicional de compósitos avançados com propriedades de blindagem de interferência eletromagnética (IEM) e com elevada constante dielétrica não garante facilmente a dispersão desejada das cargas numa matriz polimérica. Com base em técnicas de processamento reativo, ainda não foi explorada a possibilidade de preparar materiais híbridos de poliamida 6 (PA6) contendo mais de uma carga na sua composição com propriedades eletromagnéticas e dielétricas adequadas. Como tal, nesta tese de doutoramento é estudada a possibilidade de produzir novos compósitos à base de PA6 com propriedades condutoras, dielétricas e de blindagem IEM adequadas implementando uma conhecida estratégia de microencapsulação reativa que inclui a síntese de microcápsulas híbridas de PA6 (MCPA) por polimerização aniónica ativada por abertura de anel de ε-caprolactama em solução e posterior moldação em materiais compósitos termoplásticos. Assim, foram sintetizadas MCPA com cargas duplas de metal/alótropo de carbono (alótropo-C), contendo cargas de Al, Cu, Fe ou Mg e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (NTC) ou negro de fumo (NF). A partir da técnica de moldação por compressão, as MCPA foram transformadas em placas híbridas compósitas com cargas binárias metal/NTC (ou NF). Foram também preparados laminados reforçados com tecidos de fibra de carbono a partir da sua prensagem a quente com MCPA contendo partículas metálicas. Vários estudos morfológicos e estruturais foram realizados com as MCPA e os materiais compósitos produzidos, incluindo microscopia eletrónica de varrimento, calorimetria diferencial de varrimento e análise termogravimétrica. Análises de ressonância magnética nuclear no estado sólido foram realizadas com amostras de MCPA selecionadas. Também foram avaliadas as propriedades dielétricas e de condutividade elétrica de todos os compósitos, bem como as propriedades mecânicas em tensão. Em todas essas análises, as relações estrutura-propriedades foram estudadas em função do tipo e concentração de cargas de metal/alótropo-C. Por fim, foi utilizado um método validado para estudar de forma sistemática as propriedades de blindagem IEM dos compósitos binários de PA6/metal-NTC. Foi provado que o conceito de microencapsulação pode ser aplicado com sucesso na preparação de compósitos termoplásticos à base de PA6 com boas propriedades de blindagem IEM.

The traditional production of advanced composites with electromagnetic interference (EMI) shielding and high k (HK) properties cannot ensure easily the desired good dispersion of the fillers in the polymer matrix. The possibility to prepare hybrid polyamide 6 (PA6) materials containing more than one filler with tailored electromagnetic and dielectric properties based on reactive processing techniques has not been explored so far. Therefore, this Ph.D. thesis studies the possibility to produce new PA6-based composites with tailored conductivity, dielectric and EMI shielding properties implementing the known reactive microencapsulation strategy that includes synthesis of hybrid PA6 microcapsule (PAMC) precursors by activated anionic ring-opening polymerization of ε-caprolactam in solution, and subsequent molding into PA6-based thermoplastic composite materials. Thus, PAMC with dual metal/carbon allotrope loads were synthesized, comprising Al, Cu, Fe, or Mg fillers and multi-walled carbon nanotubes (CNT), or carbon black (CB). By means of direct compression molding, the PAMC were transformed into composite plates with PA6 matrix and binary metal/CNT (or CB) loads. Carbon fiber textile reinforced laminates were also prepared by hot pressing them with metal-loaded PAMC. A number of morphological and structural studies were performed with both PAMC and the composite materials produced, including scanning electron microscopy, differential scanning calorimetry, and thermogravimetric analysis. Solid state NMR measurements were performed on selected PAMC samples. The dielectric and electric conductivity properties of all composites, as well as the mechanical properties in tension were also evaluated. In all these analyses the structure-properties relationships were studied as a function of the metal/C-allotrope fillers type and concentration. Lastly, a standard method was used to perform systematic studies on the EMI shielding properties of the binary metal/CNT PA6 composites. It was proved that the microencapsulation concept can be successfully applied for the preparation of PA6-based thermoplastic composites with good EMI shielding properties.