Studi DFT e QSAR di nanocompositi PTFE/ZnO/SiO2

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9696 (2023) Citare questo articolo

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Il politetrafluoroetilene (PTFE) è uno dei fluoropolimeri più importanti e una delle iniziative più recenti è quella di aumentarne le prestazioni utilizzando ossidi metallici (MO). Di conseguenza, le modifiche superficiali del PTFE con due ossidi metallici (MO), SiO2 e ZnO, individualmente e come miscela dei due MO, sono state modellate utilizzando la teoria del funzionale della densità (DFT). Il modello B3LYPL/LANL2DZ è stato utilizzato negli studi condotti per seguire i cambiamenti nelle proprietà elettroniche. Il momento di dipolo totale (TDM) e l'energia band gap HOMO/LUMO (∆E) del PTFE, che erano rispettivamente 0,000 Debye e 8,517 eV, sono stati aumentati a 13,008 Debye e 0,690 eV nel caso di PTFE/4ZnO/4SiO2. Inoltre, con l'aumento del nanoriempitivo (PTFE/8ZnO/8SiO2), il TDM è passato a 10,605 Debye e il ∆E è sceso a 0,273 eV portando ad un ulteriore miglioramento delle proprietà elettroniche. Gli studi sul potenziale elettrostatico molecolare (MESP) e sulla relazione quantitativa struttura-attività (QSAR) hanno rivelato che la modifica della superficie del PTFE con ZnO e SiO2 ne ha aumentato la stabilità elettrica e termica. Il composito PTFE/ZnO/SiO2 migliorato può, quindi, essere utilizzato come strato autopulente per le tute degli astronauti sulla base dei risultati di mobilità relativamente elevata, reattività minima all'ambiente circostante e stabilità termica.

Il polietilene naftalato (PEN), il polietilene tereftalato (PET) e il politetrafluoroetilene (PTFE) sono tra i polimeri più noti per la loro resistenza alla corrosione e le caratteristiche elettriche, nonché per il basso coefficiente di attrito, la resistenza alle alte temperature e l'efficienza in termini di costi1. I materiali super idrofobi come i fluoropolimeri sono diventati uno straordinario vantaggio in numerose applicazioni, tra cui proprietà autopulenti, antighiaccio, anticorrosione e protettive come l'alta efficienza2,3. I tessuti intelligenti sono anche considerati una nuova tendenza basata su fluoropolimeri con nanomateriali che potrebbero essere utilizzati per migliorare tessuti come tute spaziali e guanti, applicazioni mediche come indumenti chirurgici e l'utilizzo negli ospedali intelligenti4,5. Il PTFE è una matrice polimerica con una bassa energia superficiale ed è chimicamente e termicamente stabile6. L’innovazione dei materiali intelligenti potrebbe essere impiegata in applicazioni spaziali come tute spaziali e sistemi di stoccaggio, modificando i materiali per reagire ai cambiamenti della temperatura ambiente o anche della temperatura corporea7,8,9. Le proprietà del PTFE, come le proprietà anticorrosive, stanno diventando sempre più importanti, in particolare nel settore aerospaziale. L'importanza deriva dai suoi vantaggi, che sono fondamentali per proteggere i materiali da fessurazioni e/o corrosione nel difficile ambiente aerospaziale. Di conseguenza, l'utilizzo di una sostanza anticorrosione per proteggere adeguatamente e prevenire la ruggine e la corrosione delle tute degli astronauti è un approccio nuovo10,11,12. La produzione efficace di un'ampia gamma di sensori è resa possibile dall'uso del PTFE come substrato per la crescita di nanotubi di ZnO, nonché dalle sue caratteristiche meccaniche, fisiche e chimiche13. La nanosilice è un tipo di materiale ceramico che presenta diverse proprietà uniche, tra cui elevata durezza, resistenza alla corrosione e eccezionale isolamento elettrico14. Tutte queste proprietà si combinano per rendere SiO2 e PTFE un materiale unico, ideale per un'ampia gamma di applicazioni tecniche15. Inoltre, la combinazione di SiO2 con materiali di ossido semiconduttore come ZnO16, TiO217, Fe2O318 e CuO19 migliora le caratteristiche autopulenti, anticorrosive, antiriflesso e magnetiche dei materiali nanocompositi.

Il composito PTFE/SiO2 ha una superficie superidrofobica rispetto alle membrane in PTFE20. Le nanofibre di PTFE/SiO2 hanno dimostrato di essere un'invenzione affidabile per un'eccellente stabilità termica e chimica21. Il drogaggio del PTFE con SiO2 riduce la deformazione della porosità del PTFE e allo stesso tempo aumenta la resistenza alla trazione e la resistenza del materiale. All'aumentare della quantità di SiO2 nel composito PTFE/SiO2 aumentavano anche le caratteristiche meccaniche22. È stata studiata anche l'efficienza tribologica dei compositi PTFE/SiO2/resina epossidica23. È stato osservato che l'effetto delle nanopiastrine Al2O3 sulla matrice PTFE aumenta la conduttività termica, la stabilità termica e migliora le proprietà meccaniche con proprietà elettriche significativamente migliorate24. Inoltre, le caratteristiche elettriche dei compositi ibridi PANI/PTFE/GO25 e PTFE/CuO/G26 hanno mostrato un miglioramento da impiegare nella fabbricazione di strumenti elettrochimici. La pellicola di ZnO/SiO2/PTFE sul vetro è stata realizzata con proprietà antighiaccio, resistenza alla corrosione e proprietà isolanti, agendo così come una superficie antighiaccio27. Inoltre, alcuni derivati ​​del PTFE, come il Teflon FEP, vengono utilizzati come strati di controllo termico per il telescopio spaziale Hubble (HST)28,29,30. Il Teflon FEP soffre di corrosione a causa dell'ambiente spaziale nell'orbita terrestre bassa (LEO)31, esponendo così i componenti nello spazio a danni e corrosione32,33.