Modificazione superficiale indotta da irradiazione gamma del nanocomposito (PVC/HDPE)/ZnO per migliorare la rimozione dell'olio e la conduttività utilizzando COMSOL multifisica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7514 (2023) Citare questo articolo

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Il film nanocomposito blend è stato preparato caricando ZnO irradiato in rapporti del (5% in peso) all'interno della matrice PVC/HDPE utilizzando una tecnica di estrusione a caldo. Vengono confrontate le proprietà fisiche e chimiche dei campioni ZnO irradiati e non irradiati. Lo spettro Vis-UV di ZnO mostra un picco di assorbimento ad una lunghezza d'onda di 373 nm che è stato leggermente spostato verso il rosso a 375 nm per un campione irradiato di ZnO ad una dose di 25 kGy a causa del difetto della struttura cristallina dovuto alla vacanza di ossigeno durante irradiazioni gamma. Questa crescita del sito del difetto porta ad una diminuzione dei gap energetici da 3,8 a 2,08 eV. La conduttività AC del campione di ZnO è aumentata dopo il processo di irradiazione gamma (25 kGy). I nanocompositi (PVC/HDPE)/ZnO sono stati re-irradiati con raggi γ a 25 kGy in presenza di quattro diversi mezzi (olio di silicio, silicato di sodio, cera di paraffina e acqua). FTIR e XRD sono stati eseguiti per monitorare i cambiamenti nella composizione chimica. Il nuovo picco a 1723 cm−1 attribuito ai gruppi C=O è stato osservato nei campioni ZnO irradiati (PVC/HDPE) solo con silicato di sodio e acqua. Questo processo ha indotto nuovi gruppi funzionali sulla superficie del campione di miscela (PVC/HDPE)/ZnO. Questo lavoro mira a sviluppare (PVC/HDPE)ZnO per la separazione olio/acqua. La massima capacità di assorbimento dell'olio è stata osservata nei campioni funzionalizzati dai gruppi C=O basati sui diversi oli testati. I risultati suggeriscono che la caratterizzazione superficiale di (PVC/HDPE)/ZnO può essere modificata per migliorare il potenziale di adsorbimento dell'olio. Inoltre, la dose di irradiazione gamma ha migliorato significativamente la conduttività AC rispetto al campione non irradiato. Secondo COMSOL Multiphysics, il campione irradiato (PVC/HDPE)ZnO in acqua mostra una distribuzione del campo elettrico perfettamente uniforme nei cavi di media tensione (22.000 V).

La produzione di polimeri con specifiche proprietà fisico-chimiche combinate con le caratteristiche garantite dalle modifiche superficiali è diventata possibile attraverso l'affascinante e pratica modificazione superficiale dei materiali polimerici1,2,3,4. Esistono vari modi per modificare le proprietà dei polimeri, tra cui la miscelazione, l'innesto e la polimerizzazione. La miscelazione fisica di due (o più) polimeri dà come risultato le caratteristiche desiderate. Nel processo noto come “innesto”, i monomeri vengono attaccati covalentemente (modificati) alla catena polimerica. Al contrario, una miscela di oligomeri viene polimerizzata durante la polimerizzazione per generare un rivestimento fisicamente attaccato al substrato. L'innesto è un approccio promettente per aggiungere gruppi funzionali unici ai polimeri per modificarne le proprietà originali ed espandere la gamma delle loro applicazioni5,6.

Dopo il processo di irradiazione alcuni atomi e gruppi come atomi di idrogeno e gruppi carbonio-idrogeno vengono rilasciati dai polimeri, si verifica un notevole cambiamento nella stechiometria del polimero. Se presenti nelle catene polimeriche, vengono espulse anche altre specie atomiche (O, F, Cl, N, ecc.)7,8,9. È noto che dopo l'esposizione alle radiazioni, i polimeri perdono idrogeno, il che influisce sulle proprietà fisiche dei polimeri. La scissione della catena produce unità più piccole e catene oligomeriche, una profusione di doppi legami e l'emergenza di radicali. Queste piccole particelle arricchite di carbonio possono aggregarsi in cluster elettricamente conduttivi a causa della loro attrazione elettrostatica9.

Le caratteristiche fisico-chimiche e la conduttività elettrica delle miscele polimeriche possono essere migliorate aggiungendo nanoriempitivi come le nanoparticelle di ZnO in vari rapporti10,11,12,13,14. Parangusan et al.15 hanno studiato le proprietà piezoelettriche delle nanofibre elettrofilate costituite da esafluoropropilene fluoruro di polivinilidene puro (PVDF-HFP) e PVDF-HFP/Co-ZnO. È stato osservato che le nanofibre ordinate PVDF-HFP e PVDF-HFP/2% in peso di Co-ZnO hanno costanti dielettriche di 8 e 38, rispettivamente. Questi risultati suggeriscono che il nanocomposito riportato può creare sistemi elettrici flessibili, indossabili e autoalimentati. I polimeri termoplastici come i nanocompositi di polietilene ad alta densità (HDPE) possono essere rinforzati con nanopiastrine di grafite, nanodiamanti e nanotubi di carbonio per improvvisare proprietà reologiche, termiche e meccaniche16,17,18,19. In passato, la modifica della superficie del PVC veniva effettuata utilizzando plasma, scarica corona, innesto chimico, scarica elettrica, deposizione di vapori metallici (MVD), trattamento con fiamma o modifica chimica diretta (ossidazione, idrolisi, ecc.) e persino alcune modifiche fisiche della superficie. Questo studio mira ad aumentare l'idrofilia del PVC in (PVC/HDPE)ZnO che è stato irradiato con raggi Ɣ su vari mezzi, tra cui acqua, cera di paraffina, olio di silicone e soluzioni di silicato di sodio. L'irradiazione gamma presenta numerosi vantaggi rispetto ad altre tecniche, tra cui un elevato potere di penetrazione, un'elaborazione rapida, una distribuzione uniforme della dose, la flessibilità del sistema e la possibilità di essere utilizzata in vari ambienti20,21,22,23,24,25. L'irradiazione gamma è un metodo ecologico e il più produttivo26,27,28,29,30,31. Questo studio mira anche ad aumentare l'idrofilicità di (PVC/HDPE) per applicazioni di separazione olio/acqua. Le applicazioni per la separazione olio-acqua sono fondamentali per processi industriali come quelli che coinvolgono il petrolio, la lavorazione dei metalli, l'acqua di sentina delle navi e l'industria alimentare, che utilizza grassi, oli e grassi, tra le altre cose.