Модификация поверхности нанокомпозита (ПВХ/ПЭВП)/ZnO, индуцированная гамма-облучением, для улучшения маслоотделения и проводимости с использованием мультифизики COMSOL

Mar 15, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7514 (2023) Цитировать эту статью

413 Доступов

Подробности о метриках

Смешанную нанокомпозитную пленку получали путем загрузки облученного ZnO ​​в соотношении (5 мас.%) внутрь матрицы ПВХ/ПЭВП с использованием технологии экструдера горячего расплава. Проведено сравнение физических и химических свойств облученных и необлученных образцов ZnO. В видимо-УФ-спектре ZnO наблюдается пик поглощения на длине волны 373 нм, который слегка смещен в красную сторону до 375 нм для облученного образца ZnO в дозе 25 кГр из-за дефекта кристаллической структуры кислородной вакансии во время гамма-облучение. Такой рост дефектного узла приводит к уменьшению энергетической щели с 3,8 до 2,08 эВ. Проводимость образца ZnO на переменном токе увеличилась после процесса гамма-облучения (25 кГр). Нанокомпозиты (ПВХ/ПЭВП)/ZnO повторно облучались γ-лучами при дозе 25 кГр в присутствии четырех различных сред (силиконового масла, силиката натрия, парафина и воды). Для мониторинга изменений химического состава проводили FTIR и XRD. Новый пик при 1723 см-1, приписываемый группам C=O, наблюдался в облученных образцах (ПВХ/ПЭВП)ZnO только в средах силиката натрия и воды. Этот процесс привел к образованию новых функциональных групп на поверхности образца смеси (ПВХ/ПЭВП)/ZnO. Целью данной работы является разработка (ПВХ/ПЭВП)ZnO для разделения нефти и воды. Самая высокая способность к адсорбции нефти наблюдалась у образцов, функционализированных группами C=O на основе различных тестируемых масел. Результаты показывают, что характеристики поверхности (ПВХ/ПЭВП)/ZnO могут быть изменены для повышения потенциала адсорбции масла. Кроме того, доза гамма-облучения значительно увеличивала проводимость переменного тока по сравнению с необлученным образцом. По данным COMSOL Multiphysicals, облученный образец (ПВХ/ПЭВП)ZnO в воде демонстрирует идеально равномерное распределение электрического поля в кабелях среднего напряжения (22 000 В).

Производство полимеров с заданными физико-химическими свойствами в сочетании с особенностями, предоставляемыми модификацией поверхности, стало возможным благодаря увлекательной и практичной модификации поверхности полимерных материалов1,2,3,4. Существуют различные способы изменения свойств полимеров, включая смешивание, прививку и отверждение. Физическое смешивание двух (или более) полимеров приводит к желаемым характеристикам. В процессе, известном как «прививка», мономеры ковалентно присоединяются (модифицируются) к полимерной цепи. Напротив, смесь олигомеров полимеризуется во время отверждения с образованием покрытия, физически прикрепленного к подложке. Прививка – перспективный подход к добавлению уникальных функциональных групп к полимерам для изменения их исходных свойств и расширения диапазона их применения5,6.

После процесса облучения некоторые атомы и группы, такие как атомы водорода и углерод-водородные группы, высвобождаются из полимеров, происходит значительный сдвиг в стехиометрии полимера. Если они присутствуют в полимерных цепях, другие виды атомов (O, F, Cl, N и т. д.) также удаляются7,8,9. Хорошо известно, что после радиационного воздействия полимеры теряют водород, что сказывается на физических свойствах полимера. В результате разрыва цепи образуются более мелкие звенья и олигомерная цепь, обилие двойных связей и появление радикалов. Эти небольшие обогащенные углеродом частицы могут объединяться в электропроводящие кластеры из-за их электростатического притяжения9.

Физико-химические характеристики и электропроводность полимерных смесей можно улучшить путем добавления нанонаполнителей, таких как наночастицы ZnO, в различных соотношениях10,11,12,13,14. Парангусан и др.15 исследовали пьезоэлектрические свойства электроформованных нановолокон, изготовленных из чистого поливинилиденфторида гексафторпропилена (ПВДФ-ГФП) и ПВДФ-ГФП/Co-ZnO. Было замечено, что чистые нановолокна PVDF-HFP и PVDF-HFP/2 мас.% Co-ZnO имеют диэлектрическую проницаемость 8 и 38 соответственно. Эти результаты позволяют предположить, что нанокомпозит может создавать гибкие, носимые, автономные электрические системы. Термопластичные полимеры, такие как нанокомпозиты из полиэтилена высокой плотности (HDPE), могут быть армированы графитовыми нанопластинками, наноалмазами и углеродными нанотрубками для улучшения реологических, термических и механических свойств16,17,18,19. Модификация поверхности ПВХ в прошлом осуществлялась с использованием плазмы, коронного разряда, химической прививки, электрического разряда, осаждения из паровой фазы металла (MVD), обработки пламенем или прямой химической модификации (окисление, гидролиз и т. д.) и даже некоторой физической модификации. поверхность. Целью данного исследования является повышение гидрофильности ПВХ в (ПВХ/ПЭВП)ZnO, подвергнутом облучению Ɣ-лучами в различных средах, включая воду, парафин, силиконовое масло и растворы силиката натрия. Гамма-облучение имеет ряд преимуществ перед другими методами, включая высокую проникающую способность, быструю обработку, равномерное распределение дозы, гибкость системы и возможность использования в различных средах20,21,22,23,24,25. Гамма-облучение – экологически чистый и наиболее продуктивный метод26,27,28,29,30,31. Целью данного исследования также является повышение гидрофильности (ПВХ/ПЭВП) при разделении нефти и воды. Применение разделения нефти и воды имеет решающее значение для промышленных процессов, таких как нефтяная промышленность, металлообработка, судовые трюмные воды и пищевая промышленность, в которой, среди прочего, используются жиры, масла и смазки.