Modificação de superfície induzida por irradiação gama de nanocompósito (PVC/HDPE)/ZnO para melhorar a remoção de óleo e condutividade usando COMSOL multiphysics

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7514 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O filme nanocompósito de mistura foi preparado por cargas de ZnO irradiado em proporções de (5% em peso) dentro da matriz de PVC/HDPE usando uma técnica de extrusora hot-melt. As propriedades físicas e químicas das amostras de ZnO irradiadas e não irradiadas são comparadas. O espectro Vis-UV de ZnO mostra um pico de absorção em um comprimento de onda de 373 nm que foi ligeiramente desviado para o vermelho para 375 nm para uma amostra irradiada de ZnO em uma dose de 25 kGy devido ao defeito da estrutura cristalina pela vacância de oxigênio durante irradiações gama. Esse crescimento do local do defeito leva a uma diminuição dos gaps de energia de 3,8 para 2,08 eV. A condutividade AC da amostra de ZnO aumentou após o processo de irradiação gama (25 kGy). Os nanocompósitos (PVC/HDPE)/ZnO foram re-irradiados com raios γ a 25 kGy na presença de quatro meios diferentes (óleo de silício, silicato de sódio, cera de parafina e água). FTIR e XRD foram realizados para monitorar as mudanças na composição química. O novo pico em 1723 cm−1 atribuído aos grupos C=O foi observado em amostras irradiadas (PVC/HDPE)ZnO apenas em meio de silicato de sódio e água. Este processo induziu novos grupos funcionais na superfície da amostra de mistura (PVC/HDPE)/ZnO. Este trabalho visa desenvolver (PVC/HDPE)ZnO para separação óleo/água. A maior capacidade de adsorção de óleo foi observada em amostras funcionalizadas por grupos C=O com base nos diferentes óleos testados. Os resultados sugerem que a caracterização da superfície do (PVC/HDPE)/ZnO pode ser modificada para aumentar o potencial de adsorção de óleo. Além disso, a dose de irradiação gama aumentou significativamente a condutividade AC em comparação com a amostra não irradiada. De acordo com o COMSOL Multiphysics, a amostra irradiada (PVC/HDPE)ZnO em água apresenta perfeita distribuição de campo elétrico uniforme em cabos de média tensão (22.000 V).

A produção de polímeros com propriedades físico-químicas especificadas combinadas com as características concedidas por modificações de superfície tornou-se possível através da fascinante e prática modificação de superfície de materiais poliméricos1,2,3,4. Existem várias maneiras de alterar as propriedades dos polímeros, incluindo mistura, enxerto e cura. A mistura física de dois (ou mais) polímeros resulta nas características desejadas. No processo conhecido como "enxertia", os monômeros são ligados covalentemente (modificados) à cadeia polimérica. Em contraste, uma mistura de oligômeros é polimerizada durante a cura para gerar um revestimento fisicamente ligado ao substrato. O enxerto é uma abordagem promissora para adicionar grupos funcionais únicos a polímeros para alterar suas propriedades originais e expandir a gama de suas aplicações5,6.

Após o processo de irradiação, alguns átomos e grupos, como átomos de hidrogênio e grupos carbono-hidrogênio, são liberados dos polímeros, há uma mudança considerável na estequiometria do polímero. Se presentes nas cadeias poliméricas, outras espécies atômicas (O, F, Cl, N, etc.) também são expelidas7,8,9. É bem conhecido que, após a exposição à radiação, os polímeros perdem hidrogênio, o que tem o efeito das propriedades físicas dos polímeros. A cisão da cadeia produz unidades menores e cadeia oligômera, uma profusão de ligações duplas e o surgimento de radicais. Essas pequenas partículas enriquecidas com carbono podem se agregar em aglomerados eletricamente condutores devido à sua atração eletrostática9.

As características físico-químicas e a condutividade elétrica das misturas de polímeros podem ser melhoradas pela adição de nanocargas como nanopartículas de ZnO em várias proporções10,11,12,13,14. Parangusan et al.15 estudaram as propriedades piezoelétricas de nanofibras eletrofiadas feitas de fluoreto de polivinilideno hexafluoropropileno puro (PVDF-HFP) e PVDF-HFP/Co-ZnO. Observou-se que as nanofibras de PVDF-HFP e PVDF-HFP/2% em peso de Co-ZnO possuem constantes dielétricas de 8 e 38, respectivamente. Esses resultados sugerem que o nanocompósito relatado pode criar sistemas elétricos flexíveis, vestíveis e autoalimentados. Polímeros termoplásticos como o nanocompósito de polietileno de alta densidade (PEAD) podem ser reforçados com nanoplaquetas de grafite, nanodiamantes e nanotubos de carbono para improvisar propriedades reológicas, térmicas e mecânicas16,17,18,19. A modificação da superfície do PVC no passado era realizada usando plasma, descarga corona, enxerto químico, descarga elétrica, deposição de vapor de metal (MVD), tratamento com chama ou modificação química direta (oxidação, hidrólise, etc.) superfície. Este estudo visa aumentar a hidrofilicidade do PVC em (PVC/HDPE)ZnO que foi irradiado com raios Ɣ em vários meios, incluindo água, cera de parafina, óleo de silício e soluções de silicato de sódio. A irradiação gama apresenta várias vantagens sobre outras técnicas, incluindo alto poder de penetração, processamento rápido, distribuição de dose uniforme, flexibilidade do sistema e capacidade de ser usada em vários ambientes20,21,22,23,24,25. A irradiação gama é um método ecologicamente correto e o mais produtivo26,27,28,29,30,31. Este estudo também visa aumentar a hidrofilicidade do (PVC/HDPE) para aplicações de separação óleo/água. As aplicações de separação óleo-água são cruciais para processos industriais como os que envolvem petróleo, metalurgia, água de porão de navios e a indústria alimentícia, que utiliza gorduras, óleos e graxas, entre outros.