El apantallamiento electromagnético y el rol de los plásticos conductores

Estos efectos están siendo cada vez más pronunciados, originados por la demanda creciente de dispositivos electrónicos que trabajan a frecuencias más elevadas, a un más intensivo uso por parte de la población en general de dispositivos electrónicos como ordenadores, tablets, smartphones, electrónica en automóvil y a la miniaturización progresiva que va asociada a la evolución de estos equipos.

Los equipos electrónicos de los que disfrutamos en la actualidad, con tamaños cada vez más reducidos y compactos producen un mayor factor de ruido eléctrico.

Estas tendencias marcadas por la lógica de la evolución de las tecnologías y por la demanda creciente por parte de los consumidores en general hacen más necesario la necesidad de proteger estos componentes frente a las interferencias electromagnéticas (EMI) para reducir los riesgos asociados a que dispositivos electrónicos puedan afectar a equipos electrónicos cercanos en su funcionamiento habitual en uso. El efecto de las interferencias electromagnéticas puede ser reducido o eliminado colocando un material apantallante entre la fuente del campo electromagnético y el componente sensible a la misma.

Esta protección se puede conseguir mediante la producción de carcasas o piezas protectoras fabricadas a partir de materiales plásticos eléctricamente conductores. La conductividad eléctrica es un prerrequisito de los materiales plásticos para apantallamiento EMI. Esto es debido al fenómeno físico en el que los campos eléctricos y los campos magnéticos variables inducen corriente en el material eléctricamente conductor.

El apantallamiento electromagnético se compone de las contribuciones a partir de la absorción y la reflexión, por lo que tanto la conductividad a lo largo del volumen del material protector como su espesor adquieren especial relevancia.

Muy relacionada con el apantallamiento electromagnético es la protección frente a descargas electroestáticas (ESD) en equipos electrónicos. El fenómeno ESD es la transferencia incontrolada de cargas estáticas entre dos objetos con diferente potencial eléctrico. Para el fenómeno ESD la conductividad superficial es importante para permitir una rápida y controlada descarga de la carga estática generada.

Debido a su intrínseca elevada conductividad eléctrica (de un orden de magnitud de 106 Siemens/cm), los metales son particularmente adecuados como material de apantallamiento frente a fenómenos EMI: pero esta primera opción técnicamente viable coexiste con opciones alternativas que pasan por el esprayado, pintado o recubrimientos de sustancias conductoras (como por ejemplo, el niquel) en un material de base o soporte como un material plástico.

Otra posibilidad es la incorporación de polvo o fibras de metal (acero inoxidable) como carga conductora en una matriz termoplástica.

Sin embargo, esta incorporación se encuentra con limitaciones debidas al hecho de que no se puede aumentar en exceso el peso de la pieza final de plástico por la incorporación de la carga metálica, sobre todo en aquellas aplicaciones en las que el peso de la pieza final es un factor crítico. Además. Los recubrimientos o coatings no son una solución completamente factible y adecuada cuando las formas y la geometría de la pieza base son complejas.

Una forma de superar los problemas mencionados pasó por la incorporación de fracciones de pequeño volumen de material no metálico, cargas eléctricamente conductoras en una matriz termoplástica no conductora mediante el proceso de compounding. Posteriormente, mediante los procesos convencionales de inyección o extrusión se podría obtener la pieza final con las propiedades conductoras requeridas en un solo paso.

Las carcasas y housings de productos electrónicos (ordenadores, equipos de comunicación) o equipos industriales (como los dispositivos para medios de pago) son fabricados habitualmente con termoplásticos técnicos. El problema particular que se plantea es que estos materiales presentan unas excelentes propiedades de aislamiento eléctrico. Con una conductividad típica menor de 10-14 Siemens/cm estos termoplásticos de ingeniería no pueden cumplir su función como apantallamiento. Para conseguir un apantallamiento EMI la conductividad del material debería ser superior a 10-2 Siemens/cm.

Reforzar una matriz de termoplástico técnico con un material eléctricamente conductor combina la disponibilidad de una carcasa protectora fabricada con un material apantallante y las ventajas de utilizar el proceso habitual de compounding para formularlo. Estas ventajas incluyen el uso de los equipos de compounding existentes en el mercado (sin necesidad de inversiones adicionales) y la facilidad que procesos de transformación conocidos como la inyección de termoplásticos, nos permiten para obtener pequeñas y complejas geometrías de pieza en un solo paso.

Nos encontramos con diferentes opciones de cargas y rellenos conductores. Tradicionalmente, el metal o el negro de carbono se han empleado para este cometido. Pero el uso de elevados porcentajes de estas cargas en la matriz plástica suele ir en detrimento de la procesabilidad del material final, su densidad, calidad superficial, los costes y las propiedades mecánicas de la pieza final inyectada.

Además los materiales cargados con negro de carbono ven limitado también su uso por el color obtenido, negro en todos los casos.

En el marco del proyecto PolyCond se trabajó con alternativas de cargas y refuerzos conductores alternativos adicionados en bajo porcentaje a la matriz termoplástica de forma que interfiriese lo menos posible en la procesabilidad del compuesto consiguiendo a su vez alcanzar las propiedades EMI requeridas.

En la tabla 1, se muestran alguna de las matrices termoplásticas en las que se trabajó en el proyecto.

Como resultados principales, destacar los siguientes:

• Obtención de composites plásticos a partir de las matrices mencionadas en la Tabla 1, en las que se consiguieron un equilibrio en propiedades finales eléctricas y mecánicas.
• En algunos de los compuestos se alcanzaron elevados niveles de apantallamiento (EMI), alrededor de 60 dB.
• Compuestos con valores de resistencia superficial menores de 10 kohms.
• En la mayor parte de los casos se consiguió trasladar la producción de estos compuestos termoplásticos a una escala industrial sin necesidad de equipamiento especial diferenciado del convencionalmente utilizado en los procesos de compounding.

Ejemplos de aplicación en pieza final probados en el proyecto fueron:

Para más información http://www.polycond.info/ o info@aimplas.es