Vêtement de protection pour femmes enceintes contre les rayonnements non ionisants utilisant un écran électromagnétique en textile, issu de fils hybrides électroconducteurs

Protective garment for pregnant women against non-ionizing radiation using textile electromagnetic-shield, from electroconductive hybrid yarns

• Auteur / Autrice : Marzieh Javadi Toghchi
• Direction : Christine Campagne, Pascal Bruniaux, Maria-Carmen Loghin, Aurélie Cayla, Irina Cristian, Yan Chen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 01/09/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Soochow University (Suzhou, China), Universitatea tehnică ''Gheorghe Asachi'' (Iaşi, Roumanie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extrusion par voie fondue

Polyamides

Noir de carbone

Nanotubes

Conducteurs organiques

Blindage (rayonnements)

Vêtements de protection

Mots clés libres

Nanocomposites polymères conducteurs

Résumé

En raison de l'inquiétude croissante des problèmes de santé provoqués par l'exposition aux rayonnements, les textiles ont été massivement pris en compte dans les applications de blindage électromagnétique (EMSE). Les matériaux électriquement conducteurs permettent le transport des charges électriques qui entraînent un comportement de blindage. La première génération de matériaux textiles destinés au blindage a été constituée de fils métalliques en raison de la conductivité électrique élevée des métaux. Cependant, ces produits souffrent d'une mauvaise lavabilité et d'un inconfort pour les applications textiles souples.Dans cette étude, un monofilament conducteur à base de polymère thermoplastique a été développé et tissé pour fabriquer des dispositifs de protection individuels portatifs afin de pallier aux limitations des tissus contenants des fils métalliques. Par conséquent, la contribution majeure de cette étude est la formulation, la production et la caractérisation de monofilaments de nanocomposites polymères conducteurs (CPC). L'intégration des monofilaments développés dans des tissus est destinée à protéger les femmes enceintes et leurs fœtus contre les effets néfastes des ondes électromagnétiques dans la vie de tous les jours.Dans un premier temps, les effets des paramètres structurels des étoffes tissées (par exemple les armures, la densité des fils conducteurs et l’ondulation des fils) ont été étudiés sur le comportement EMSE. Les résultats suggèrent que le changement de position des fils conducteurs en changeant les paramètres structurels telles que l’ondulation des fils a joué un rôle important dans l'efficacité des échantillons tissés. Plus précisément, l'augmentation de seulement 7% de l’ondulation des fils conducteurs a entraîné une amélioration de 17% de l'EMSE en raison de l'augmentation de la quantité de fils conducteurs dans l'épaisseur des échantillons tissés en 3D. Des monofilaments CPC contenant des nanotubes de carbone multiparois et du noir de carbone incorporés dans un polymère thermoplastique (PA6,6) ont été produits en utilisant un procédé de mélange à l'état fondu (extrusion). De plus, les propriétés morphologiques, électriques et mécaniques des nanocomposites ont été étudiées.Les résultats ont montré que la conductivité électrique du monofilament nanocomposite à base de PA6,6 était améliorée grâce à la synergie entre les nanocharges carbonées. De plus, la viscosité était dans la plage standard pour le processus d'extrusion à l'état fondu. Le monofilament développé était plus léger, et résistant à la corrosion que les fils métalliques, avec un procédé de mise ne œuvre standard pour les filaments textiles.Le monofilament nanocomposite développé a été intégré dans les structures de tissu tissé et l'EMSE des tissus fabriqués a été évaluée dans la gamme de fréquences de 1-10 GHz. Les résultats ont révélé que le blindage des tissus à l'aide du monofilament développé était prometteur pour la protection individuelle (EMSE≥10dB). De plus, l'incorporation des monofilaments avec une conductivité plus élevée ou l'application d'une plus grande densité de monofilaments conducteurs dans la structure du tissu a conduit à une meilleure atténuation.De plus, puisque le but ultime de cette recherche est de protéger la mère et le fœtus contre les effets nocifs des ondes électromagnétiques, une méthode graphique paramétrique a été utilisée pour développer un mannequin adaptatif 3D basé sur la tendance à la prise de poids pendant la grossesse. Enfin, le mannequin a été appliqué pour concevoir un motif en bloc pour la confection de vêtements personnalisés avec les tissus EMSE fabriqués.

Due to the increasing concern of health issues urged by human exposure to radiation, textiles have been massively considered in the application of electromagnetic shielding effectiveness (EMSE). Electrically conductive materials produce and transport free charges which result in shielding behaviour. Thus the first generation of shielding materials has been made of metallic yarns and composites due to the high electrical conductivity of metals. However, these products suffer from poor washability and uncomfortability in place of textile wearable applications. In this study, a polymer-based conductive monofilament is developed and introduced for making personal wearable protection devices with the purpose of declining the limitations of the traditional shielding fabrics containing metal yarns. Hence, the main contribution of this study is the formulation, production, and characterization of conductive polymer nanocomposite (CPC) monofilaments and the integration of the developed monofilaments into the woven fabrics intended for protecting pregnant women and their fetuses against the detrimental effects of the electromagnetic waves in the human living environment. To begin with, the effects of the structural parameters of woven fabrics (e.g. weave structures, density of the conductive yarns, and waviness degree of the yarns) were studied on the EMSE behaviour. The results suggested that changing the position of conductive yarns by changing the structural parameters such as waviness degree played a significant role in the EMSE of the woven variants. Specifically, increasing only 7% of the waviness degree of the conductive warps led to 17% EMSE improvement due to the increase of the conductive yarns through the thickness of the 3D warp interlock woven variants. At this point, the CPC monofilaments were produced containing multiwall carbon nanotube and carbon black incorporated into a thermoplastic polymer (PA6,6) using a melt mixing process and the morphological, electrical, and mechanical properties of the nanocomposites were investigated. The results showed that the electrical conductivity of the PA6,6-based nanocomposite monofilament was improved thanks to the synergism between the carbon nanofillers. In addition, the viscosity was in the standard range for the melt extrusion process. The developed monofilament was lightweight, corrosion-resistant and the manufacturing process was very well established in comparison with metal yarns due to the fact that extrusion is an adaptable and cost-effective method for thermoplastic polymers. The developed nanocomposite monofilament was integrated into the woven fabric structures and the EMSE of the manufactured woven fabrics was evaluated in the frequency range of 1-10 GHz. The results revealed that the shielding of the fabrics weaved using the developed monofilament was promising for personal protection (EMSE≥10dB). Also, incorporating the monofilaments with higher conductivity or applying a bigger density of conductive monofilaments in the fabric structure led to better attenuation. Moreover, since the ultimate goal of this research is to shield both mother and fetus against the harmful effects of electromagnetic waves, a parametric graphical method was employed to develop a 3D adaptive mannequin based on weight gain trend during pregnancy. Lastly, the mannequin was applied to design a block pattern for personalized garment making with the manufactured EMSE woven fabrics.