Multi-Response Optimisation for the Development of an Activated Carbon Web as Interlining for Higher Electrical Conductivity and EMI Shielding Using Grey Relational Analysis

• Autorzy: Naeem M. Salman , Ahmad Naseer , Javed Zafar , Jabbar Abdul , Rehman Ateeq ur , Zubair Muhammad , Gilani Syed Qummer Zia , Ahmad Zuhaib , Karahan Mehmet

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0014.5046

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie metody wielokrotnej odpowiedzi do optymalizacji siatki z węgla aktywnego jako warstwy pośredniej zapewniającej wyższą przewodność elektryczną i ekranowanie EMI przy użyciu szarej analizy relacyjnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a simple and novel method of producing an activated carbon (AC) non-woven web from acrylic waste derived from discarded bathmats converted into a nonwoven web by a carding and needle punching machine. After stabilisation at lower temperature, carbonisation of the stabilised web was performed in a muffle furnace. The carbonisation temperature, the holding time of the activated carbon web at the final temperature, the heating rate to reach the final carbonisation temperature and the number of steps adopted for developing the carbon web were optimised using the grey relational analysis (GRA) approach to get optimum responses of the surface area of the web, electrical conductivity and electromagnetic shielding. The results demonstrated a large improvement in electrical conductivity as surface resistivity decreased from 134.21 Ω.mm to 0.28 Ω.mm, and the corresponding electromagnetic shielding increased to 82.63 dB when the temperature of the carbonisation, the holding time and number of steps were increased. The surface area in the AC web was increased from 73 m²g^-1 to 210 m²g^-1 with an increase in the carbonisation temperature, the holding time and number of steps to reach the final temperature. The optimisation technique used in this work could be successfully used in cost and error reductionwhile producing an AC web. The optimised AC web was characterised by Brunauer, Emmett and Teller (BET), X-ray diffraction characterisation and elemental analysis (EDX) in order to determine changes in its structure, surface area, degree of crystallinity, inter-layer spacing and proportion of different elements. The AC web developed can be effectively employed as interlining in apparels because of its flexibility and eco-friendly electromagnetic shielding, as it works on the principle of the absorption, reflections and internal reflections of electromagnetic radiations.

PL

W artykule przedstawiono prostą i nowatorską metodę wytwarzania włókniny z węgla aktywnego (AC) z odpadów akrylowych pochodzących z wyrzuconych dywaników łazienkowych przekształconych we włókninę za pomocą zgrzeblarki i igłownicy. Po stabilizacji w niskiej temperaturze karbonizację stabilizowanej wstęgi przeprowadzono w piecu muflowym. Temperatura karbonizacji, czas utrzymywania wstęgi węgla aktywnego w temperaturze końcowej, szybkość nagrzewania do osiągnięcia końcowej temperatury karbonizacji oraz liczba kroków przyjętych do opracowania sieci węglowej zostały zoptymalizowane przy użyciu metody szarej analizy relacyjnej (GRA), tak aby uzyskać optymalne odpowiedzi pola powierzchni wstęgi, przewodnictwa elektrycznego i ekranowania elektromagnetycznego. Wyniki wykazały dużą poprawę przewodności elektrycznej, ponieważ rezystywność powierzchniowa spadła z 134.21 do 0.28 Ω.mm, a ekranowanie elektromagnetyczne wzrosło do 82.63 dB, gdy temperatura karbonizacji, czas utrzymywania i liczba kroków zostały zwiększone. Pole powierzchni we wstędze AC wzrosło z 73 m²g^-1 do 210 m²g^-1 wraz ze wzrostem temperatury karbonizacji, czasu przetrzymywania i liczby kroków do osiągnięcia temperatury końcowej. Technika optymalizacji zastosowana w pracy może być z powodzeniem stosowana do redukcji kosztów i błędów podczas produkcji sieci AC. W celu określenia zmian w strukturze, powierzchni, stopniu krystaliczności, odstępach międzywarstwowych i proporcjach elementów dokonano analiz Brunauera, Emmetta i Tellera (BET) oraz charakterystyki dyfrakcji rentgenowskiej i analizy elementarnej (EDX) Opracowana siatka może być skutecznie stosowana jako wkładka w odzieży ze względu na jej elastyczność i przyjazne dla środowiska ekranowanie elektromagnetyczne, ponieważ działa na zasadzie pochłaniania i wewnętrznych odbić promieniowania elektromagnetycznego.

Słowa kluczowe

EN

activated carbon; stabilisation; carbonisation; electromagnetic shielding

PL

węgiel aktywny; stabilizacja; karbonizacja; ekranowanie elektromagnetyczne

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Łódzki Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Fibres & Textiles in Eastern Europe
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 29, no. 1 (145)
• Strony: 57--65
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Naeem M. Salman

• National Textile University, Faculty of Engineering, Faisalabad, 37610, Pakistan

autor

Ahmad Naseer

• National Textile University, Faculty of Engineering, Faisalabad, 37610, Pakistan

autor

Javed Zafar

• National Textile University, Faculty of Engineering, Faisalabad, 37610, Pakistan

autor

Jabbar Abdul

• National Textile University, Faculty of Engineering, Faisalabad, 37610, Pakistan

autor

Rehman Ateeq ur

• National Textile University, Faculty of Engineering, Faisalabad, 37610, Pakistan

autor

Zubair Muhammad

• National Textile University, Faculty of Engineering, Faisalabad, 37610, Pakistan

autor

Gilani Syed Qummer Zia

• National Textile University, Faculty of Engineering, Faisalabad, 37610, Pakistan

autor

Ahmad Zuhaib

• National Textile University, Faculty of Engineering, Faisalabad, 37610, Pakistan

autor

Karahan Mehmet

• Udulağ University, Vocational School of Technical Sciences, Görükle-Bursa, Turkey

Bibliografia

• 1. Šafářová V, Militký J. Electromagnetic Shielding Properties of Woven Fabrics made from High-Performance Fibers. Textile Research Journal 2014; 84(12): 1255-67.
• 2. Šafářová V, Tunák M, Militký J. Prediction of Hybrid Woven Fabric Electromagnetic Shielding Effectiveness. Textile Research Journal 2015; 85(7): 673-86.
• 3. Šafářová V, Militký J. Comparison of Methods for Evaluating the Shielding Effectiveness of Textiles. Vlakna a Textil 2012; 19: 50-6.
• 4. Chung D. Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness of Carbon Materials. Carbon 2001; 39(2): 279-85.
• 5. Cao M-S, Wang X-X, Cao W-Q, Yuan J. Ultrathin Graphene: Electrical Properties and Highly Efficient Electromagnetic Interference Shielding. Journal of Materials Chemistry C. 2015; 3(26): 6589-99.
• 6. Sano E, Akiba E. Electromagnetic Absorbing Materials using Nonwoven Fabrics Coated With Multi-Walled Carbon Nanotubes. Carbon 2014; 78: 463-8.
• 7. Rubežienė V, Baltušnikaitė J, Varnaitė-Žuravliova S, Sankauskaitė A, Abraitienė A, Matuzas J. Development and Investigation of Electromagnetic Shielding Fabrics with Different Electrically Conductive Additives. Journal of Electrostatics 2015;75: 90-8.
• 8. Tian M, Du M, Qu L, Chen S, Zhu S, Han G. Electromagnetic Interference Shielding Cotton Fabrics with High Electrical Conductivity and Electrical Heating Behavior via Layer-By-Layer Self-Assembly Route. RSC Advances 2017; 7(68): 42641-52.
• 9. Neruda M, Vojtech L. Electromagnetic Shielding Effectiveness of Woven Fabrics with High Electrical Conductivity: Complete Derivation and Verification of Analytical Model. Materials 2018; 11(9): 1657.
• 10. Cao M-S, Yang J, Song W-L, Zhang D-Q, Wen B, Jin H-B, et al. Ferroferric Oxide/Multiwalled Carbon Nanotube Vs Polyaniline/Ferroferric Oxide/Multiwalled Carbon Nanotube Multiheterostructures for Highly Effective Microwave Absorption. ACS Applied Materials & Interfaces 2012; 4(12): 6949-56.
• 11. Li Y, Shen B, Pei X, Zhang Y, Yi D, Zhai W, et al. Ultrathin Carbon Foams for Effective Electromagnetic Interference Shielding. Carbon 2016; 100: 375-85.
• 12. Chen JY. Activated Carbon Fiber and Textiles: Woodhead Publishing; 2016.
• 13. Lee J, Lee B, Kim B, Park M, Lee D, Kuk I, et al. The Effect of Carbonization Temperature of PAN Fiber on the Properties of Activated Carbon Fiber Composites. Carbon 1997; 35(10-11): 1479-84.
• 14. Morawski A, Kałucki K, Nakashima M, Inagaki M. Modified Carbonization of Polyacrylonitrile by Incorporation of Fecl2 and Fe (NO3) 3 – Pore Structure. Carbon 1994; 32(8): 1457-61.
• 15. Zhang Y, Wang M, He F, Zhang B. Mesopore Development in PAN-ACF Resulting from Non-Metal Additives. Journal of Materials Science 1997; 32(22): 6009-13.
• 16. Stoeckli F, Centeno TA, Fuertes A, Muniz J. Porous Structure of Polyarylamide -Based Activated Carbon Fibres. Carbon 1996; 34(10): 1201-6.
• 17. Daley M, Mangun C, DeBarrb J, Riha S, Lizzio A, Donnals G, et al. Adsorption of SO2 Onto Oxidized and Heat-Treated Activated Carbon Fibers (ACFs). Carbon 1997; 35(3): 411-7.
• 18. Mangun C, Daley M, Braatz R, Economy J.Effect ofPoreSize onAdsorption of Hydrocarbons in Phenolic-Based Activated Carbon Fibers. Carbon 1998; 36(1-2):123-9.
• 19. Kumar K, Saxena R, Kothari R, Suri D, Kaushik N. Correlation between Adsorption and X-Ray Diffraction Studies on Viscose Rayon Based Activated Carbon Cloth. Carbon (New York, NY) 1997; 35(12): 1842-4.
• 20. Ahmad N, Kamal S, Raza ZA, Hussain T, Anwar F. Multi-Response Optimization in the Development of Oleo-Hydrophobic Cotton Fabric Using Taguchi Based Grey Relational Analysis. Applied Surface Science 2016; 367: 370-81.
• 21. Siqueira G, Abdillahi H, Bras J, Dufresne A. High Reinforcing Capability Cellulose Nanocrystals Extracted From Syngonanthus Nitens (Capim Dourado). Cellulose 2010; 17(2): 289-98.
• 22. Naeem S, Baheti V, Militky J, Wiener J, Behera P, Ashraf A. Sorption Propertiesof Iron Impregnated Activated Carbon Web for Removal of Methylene Blue from Aqueous Media. Fibers and Polymers 2016; 17(8): 1245-55.
• 23. Naeem S, Baheti V, Tunakova V, Militky J, Karthik D, Tomkova B. Development of Porous and Electrically Conductive Activated Carbon Web for Effective EMI Shielding Applications. Carbon 2017; 111: 439-47.
• 24. Baheti V, Naeem S, Militky J, Okrasa M, Tomkova B. Optimized Preparation of Activated Carbon Nanoparticles from Acrylic Fibrous Wastes. Fibers and Polymers 2015; 16(10): 2193-201.
• 25. Wen B, Cao M-S, Hou Z-L, Song W-L, Zhang L, Lu M-M, et al. Temperature Dependent Microwave Attenuation Behavior For Carbon-Nanotube/Silica Composites. Carbon 2013; 65: 124-39.
• 26. Song W-L, Cao M-S, Hou Z-L, Fang X-Y, Shi X-L, Yuan J. High Dielectric Loss and its Monotonic Dependence of Conducting-Dominated Multiwalled Carbon Nanotubes/Silica Nanocomposite on Temperature Ranging from 373 To 873 K In X-Band. Applied Physics Letters 2009; 94(23): 233110.
• 27. Arjmand M, Chizari K, Krause B, Pötschke P, Sundararaj U. Effect of Synthesis Catalyst on Structure of NitrogenDoped Carbon Nanotubes and Electrical Conductivity and Electromagnetic Interference Shielding of their Polymeric Nanocomposites. Carbon 2016; 98: 358-72.
• 28. Zou L, Lan C, Li X, Zhang S, Qiu Y, Ma Y. Superhydrophobization of Cotton Fabric with Multiwalled Carbon Nanotubes for Durable Electromagnetic Interference Shielding. Fibers and Polymers 2015; 16(10): 2158-64.
• 29. Simayee M, Montazer M. A Protective Polyester Fabric with Magnetic Properties using Mixture of Carbonyl Iron and Nano Carbon Black Along with Aluminium Sputtering. Journal of Industrial Textiles 2018; 47(5): 674-85.
• 30. Bonaldi RR, Siores E, Shah T. Characterization of Electromagnetic Shielding Fabrics Obtained from Carbon Nanotube Composite Coatings. Synthetic Metals 2014; 187:1-8.
• 31. Gupta K, Abbas S, Abhyankar A. Carbon Black/Polyurethane Nanocomposite-Coated Fabric for Microwave Attenuation in X & Ku-Band (8-18 Ghz) Frequency Range. Journal of Industrial Textiles 2016; 46(2): 510-29.
• 32. Arjmand M, Sundararaj U. Electromagnetic Interference Shielding of Nitrogen-Doped and Undoped Carbon Nanotube/Polyvinylidene Fluoride Nanocomposites: A Comparative Study. Composites Science and Technology 2015; 118: 257-63.
• 33. Cao M-S, Song W-L, Hou Z-L, Wen B, Yuan J. The Effects of Temperature and Frequency on the Dielectric Properties, Electromagnetic Interference Shielding and Microwave-Absorption of Short Carbon Fiber/Silica Composites. Carbon 2010; 48(3): 788-96.
• 34. Bansal RC, Goyal M. Activated carbon adsorption: CRC press; 2005.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).