COMSOL マルチフィジックスを使用して、油の除去と導電性を向上させるための (PVC/HDPE)/ZnO ナノ複合材料のガンマ線照射による表面改質

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7514 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ブレンドナノコンポジットフィルムは、ホットメルト押出機技術を使用して、ＰＶＣ／ＨＤＰＥマトリックス内に（５重量％）の比率で照射されたＺｎＯを充填することによって調製された。 照射された ZnO サンプルと未照射の ZnO サンプルの物理的および化学的特性が比較されます。 ZnO の Vis-UV スペクトルは、373 nm の波長に吸収ピークを示しますが、これは 25 kGy の線量で照射された ZnO サンプルでは 375 nm にわずかに赤方偏移しました。これは、照射時の酸素空孔による結晶構造の欠陥によるものです。ガンマ線照射。 この欠陥サイトの成長により、エネルギーギャップが 3.8 eV から 2.08 eV に減少します。 ZnO サンプルの AC 導電率は、ガンマ線照射プロセス (25 kGy) 後に増加しました。 (PVC/HDPE)/ZnO ナノ複合材料に、4 つの異なる媒体 (シリコン オイル、ケイ酸ナトリウム、パラフィン ワックス、水) の存在下で 25 kGy のγ線を再照射しました。 FTIR と XRD を実行して、化学組成の変化を監視しました。 Ｃ＝Ｏ基に起因する１７２３ｃｍ−１の新しいピークが、ケイ酸ナトリウムおよび水媒体のみで照射された（ＰＶＣ／ＨＤＰＥ）ＺｎＯサンプルにおいて観察された。 このプロセスにより、(PVC/HDPE)/ZnO ブレンド サンプルの表面に新しい官能基が誘導されました。 この研究は、油/水分離用の (PVC/HDPE)ZnO を開発することを目的としています。 最高の油吸着能力は、試験したさまざまな油に基づいて C=O 基で官能化されたサンプルで観察されました。 この結果は、(PVC/HDPE)/ZnO の表面特性を変更して油吸着能力を高めることができることを示唆しています。 さらに、ガンマ線照射量により、未照射のサンプルと比較して交流導電率が大幅に向上しました。 COMSOL Multiphysics によると、水中で照射されたサンプル (PVC/HDPE)ZnO は、中電圧ケーブル (22,000 V) 内で完全に均一な電場分布を示します。

ポリマー材料の魅力的かつ実用的な表面改質によって、指定された物理化学的特性と表面改質によって付与される機能を組み合わせたポリマーの製造が可能になりました 1,2,3,4。 ポリマーの特性を変更するには、ブレンド、グラフト化、硬化など、さまざまな方法があります。 2 つ (またはそれ以上) のポリマーを物理的にブレンドすると、望ましい特性が得られます。 「グラフト化」として知られるプロセスでは、モノマーがポリマー鎖に共有結合（修飾）されます。 対照的に、オリゴマー混合物は硬化中に重合して、基板に物理的に付着したコーティングを生成します。 グラフト化は、ポリマーに独自の官能基を追加して元の特性を変更し、その用途の範囲を拡大するための有望なアプローチです5、6。

照射プロセスの後、水素原子や炭素-水素基などのいくつかの原子や基がポリマーから放出され、ポリマーの化学量論にかなりの変化が生じます。 ポリマー鎖に存在する場合、他の原子種 (O、F、Cl、N など) も排出されます 7、8、9。 放射線曝露後、ポリマーは水素を失い、これがポリマーの物理的特性に影響を与えることはよく知られています。 鎖の切断により、より小さなユニットとオリゴマー鎖、大量の二重結合、およびラジカルの出現が生成されます。 これらの炭素が豊富な小さな粒子は、静電引力により集合して導電性クラスターを形成する可能性があります9。

ポリマーブレンドの物理化学的特性と電気伝導率は、ZnO ナノ粒子などのナノフィラーをさまざまな比率で添加することで改善できます 10、11、12、13、14。 Parangusan ら 15 は、純粋なポリフッ化ビニリデン ヘキサフルオロプロピレン (PVDF-HFP) および PVDF-HFP/Co-ZnO から作られた電界紡糸ナノファイバーの圧電特性を研究しました。 整然とした PVDF-HFP および PVDF-HFP/2 wt% Co-ZnO ナノファイバーの誘電率は、それぞれ 8 および 38 であることが観察されました。 これらの結果は、報告されたナノ複合材料が柔軟でウェアラブルな自己給電型電気システムを作成できることを示唆しています。 高密度ポリエチレン（HDPE）ナノコンポジットなどの熱可塑性ポリマーは、グラファイトナノプレートレット、ナノダイヤモンド、カーボンナノチューブで強化して、レオロジー、熱、機械的特性を改善することができます16、17、18、19。 これまでの PVC 表面改質は、プラズマ、コロナ放電、化学グラフト化、放電、金属蒸着 (MVD)、火炎処理、または直接化学改質 (酸化、加水分解など)、さらには物理的改質を使用して行われていました。表面。 この研究は、水、パラフィンワックス、シリコンオイル、ケイ酸ナトリウム溶液などのさまざまな媒体上でƔ線を照射した(PVC/HDPE)ZnOのPVCの親水性を高めることを目的としています。 ガンマ線照射には、高い透過力、迅速な処理、均一な線量分布、システムの柔軟性、さまざまな環境で使用できる機能など、他の技術に比べていくつかの利点があります20、21、22、23、24、25。 ガンマ線照射は環境に優しく、最も生産性の高い方法です26、27、28、29、30、31。 この研究は、油/水分離用途向けに (PVC/HDPE) の親水性を高めることも目的としています。 油水分離の用途は、石油、金属加工、船のビルジ水、脂肪、油、グリースなどを使用する食品産業などの工業プロセスにとって非常に重要です。