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Jun 17, 2023

Durch Gammabestrahlung induzierte Oberflächenmodifikation von (PVC/HDPE)/ZnO-Nanokomposit zur Verbesserung der Ölentfernung und Leitfähigkeit mithilfe der COMSOL-Multiphysik

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7514 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Eine Mischung aus Nanokompositfilmen wurde durch Beladungen mit bestrahltem ZnO in Verhältnissen von (5 Gew.-%) innerhalb der PVC/HDPE-Matrix unter Verwendung einer Heißschmelzextrudertechnik hergestellt. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der bestrahlten und unbestrahlten ZnO-Proben werden verglichen. Das Vis-UV-Spektrum von ZnO zeigt einen Absorptionspeak bei einer Wellenlänge von 373 nm, der für eine bestrahlte ZnO-Probe mit einer Dosis von 25 kGy aufgrund des Defekts der Kristallstruktur durch die Sauerstofffehlstelle währenddessen leicht rotverschoben auf 375 nm war Gammabestrahlung. Dieses Wachstum der Defektstelle führt zu einer Verringerung der Energielücken von 3,8 auf 2,08 eV. Die Wechselstromleitfähigkeit der ZnO-Probe stieg nach dem Gammabestrahlungsprozess (25 kGy). Die (PVC/HDPE)/ZnO-Nanokomposite wurden erneut mit γ-Strahlen bei 25 kGy in Gegenwart von vier verschiedenen Medien (Siliziumöl, Natriumsilikat, Paraffinwachs und Wasser) bestrahlt. Zur Überwachung der Veränderungen der chemischen Zusammensetzung wurden FTIR und XRD durchgeführt. Der neue Peak bei 1723 cm−1, der C=O-Gruppen zugeschrieben wird, wurde in bestrahlten (PVC/HDPE)ZnO-Proben nur in Natriumsilikat- und Wassermedien beobachtet. Dieser Prozess induzierte neue Funktionsgruppen auf der Oberfläche der (PVC/HDPE)/ZnO-Mischprobe. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von (PVC/HDPE)ZnO für die Öl/Wasser-Trennung. Die höchste Öladsorptionsfähigkeit wurde bei Proben beobachtet, die auf Basis der verschiedenen getesteten Öle mit C=O-Gruppen funktionalisiert waren. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Oberflächencharakterisierung von (PVC/HDPE)/ZnO modifiziert werden kann, um das Öladsorptionspotenzial zu erhöhen. Darüber hinaus erhöhte die Gammabestrahlungsdosis die Wechselstromleitfähigkeit im Vergleich zur unbestrahlten Probe deutlich. Laut COMSOL Multiphysics zeigt die bestrahlte Probe (PVC/HDPE)ZnO in Wasser eine perfekt gleichmäßige elektrische Feldverteilung in Mittelspannungskabeln (22.000 V).

Die Herstellung von Polymeren mit spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften in Kombination mit den durch Oberflächenmodifikationen verliehenen Eigenschaften ist durch die faszinierende und praktische Oberflächenmodifikation von Polymermaterialien möglich geworden1,2,3,4. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Eigenschaften von Polymeren zu ändern, einschließlich Mischen, Pfropfen und Aushärten. Die physikalische Mischung von zwei (oder mehr) Polymeren führt zu den gewünschten Eigenschaften. Beim sogenannten „Grafting“ werden Monomere kovalent an die Polymerkette angebunden (modifiziert). Im Gegensatz dazu wird eine Oligomermischung während der Aushärtung polymerisiert, um eine physikalisch an das Substrat gebundene Beschichtung zu erzeugen. Das Pfropfen ist ein vielversprechender Ansatz zum Hinzufügen einzigartiger funktioneller Gruppen zu Polymeren, um ihre ursprünglichen Eigenschaften zu ändern und den Anwendungsbereich zu erweitern5,6.

Nach dem Bestrahlungsprozess werden einige Atome und Gruppen wie Wasserstoffatome und Kohlenstoff-Wasserstoff-Gruppen aus Polymeren freigesetzt, es kommt zu einer erheblichen Verschiebung der Stöchiometrie des Polymers. Sofern in den Polymerketten vorhanden, werden auch andere Atomspezies (O, F, Cl, N usw.) ausgestoßen7,8,9. Es ist bekannt, dass Polymere nach Strahlenexposition Wasserstoff verlieren, was sich auf die physikalischen Polymereigenschaften auswirkt. Durch die Kettenspaltung entstehen kleinere Einheiten und Oligomerketten, eine Fülle von Doppelbindungen und die Entstehung von Radikalen. Diese kleinen mit Kohlenstoff angereicherten Partikel können aufgrund ihrer elektrostatischen Anziehungskraft zu elektrisch leitfähigen Clustern aggregieren9.

Die physikochemischen Eigenschaften und die elektrische Leitfähigkeit von Polymermischungen können durch Zugabe von Nanofüllstoffen wie ZnO-Nanopartikeln in verschiedenen Verhältnissen verbessert werden10,11,12,13,14. Parangusan et al.15 untersuchten die piezoelektrischen Eigenschaften von elektrogesponnenen Nanofasern aus reinem Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) und PVDF-HFP/Co-ZnO. Es wurde beobachtet, dass die sauberen PVDF-HFP- und PVDF-HFP/2 Gew.-% Co-ZnO-Nanofasern Dielektrizitätskonstanten von 8 bzw. 38 aufweisen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das beschriebene Nanokomposit flexible, tragbare, autarke elektrische Systeme schaffen kann. Thermoplastische Polymere wie Nanokomposite aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) können mit Graphit-Nanoplättchen, Nanodiamanten und Kohlenstoff-Nanoröhrchen verstärkt werden, um die rheologischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern16,17,18,19. Die Modifizierung der PVC-Oberfläche erfolgte in der Vergangenheit durch Plasma, Koronaentladung, chemisches Aufpfropfen, elektrische Entladung, Metalldampfabscheidung (MVD), Flammbehandlung oder direkte chemische Modifizierung (Oxidation, Hydrolyse usw.) und sogar einige physikalische Modifizierungen Oberfläche. Diese Studie zielt darauf ab, die Hydrophilie von PVC in (PVC/HDPE)ZnO zu erhöhen, das mit Ɣ-Strahlen auf verschiedenen Medien bestrahlt wurde, darunter Wasser, Paraffinwachs, Silikonöl und Natriumsilikatlösungen. Gammabestrahlung hat gegenüber anderen Techniken mehrere Vorteile, darunter hohe Durchdringungsleistung, schnelle Verarbeitung, gleichmäßige Dosisverteilung, Systemflexibilität und die Möglichkeit, in verschiedenen Umgebungen eingesetzt zu werden20,21,22,23,24,25. Gammabestrahlung ist eine umweltfreundliche und produktivste Methode26,27,28,29,30,31. Diese Studie zielt auch darauf ab, die Hydrophilie von (PVC/HDPE) für Öl-/Wasser-Trennanwendungen zu erhöhen. Anwendungen für die Öl-Wasser-Trennung sind von entscheidender Bedeutung für industrielle Prozesse wie Erdöl, Metallverarbeitung, Schiffsbilgenwasser und die Lebensmittelindustrie, die unter anderem Fette, Öle und Fette verwendet.

Die Öl-Wasser-Trennung ist ein wichtiges Forschungsthema für die wissenschaftliche Forschung und betrifft die Umwelt, die Wirtschaft und die Gesellschaft. Einerseits sind ölhaltige Abwässer, die in Industriezweigen wie der Stahl-, Aluminium-, Lebensmittel-, Textil-, Leder-, Petrochemie- und Metallverarbeitungsindustrie anfallen, die weltweit am weitesten verbreitete Verschmutzung. Andererseits sind häufige Ölleckunfälle äußerst besorgniserregend, da die Entladung zu erheblichen Energieverlusten und katastrophalen Umweltschäden führen kann. Da darüber hinaus bereits eine kleine Menge Heizöl die Transportsicherheit gefährden könnte, ist das Entfernen von Wasser aus Heizöl in der Fahrzeug-, Schiffs- und Luftfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung. Als Reaktion auf diese enormen Hindernisse haben sich Wissenschaftler konsequent auf die Entwicklung neuer Methoden und Materialien für die Öl-Wasser-Trennung konzentriert. Heutzutage werden viele gängige Trenntechnologien eingesetzt, darunter Schwerkrafttrennung, Zentrifugation, Ultraschalltrennung, Luftflotation, elektrisches Feld, Koagulation und biologische Behandlung. Diese Methoden können die meisten Trennungsanforderungen bewältigen, indem sie physikalische, chemische und biologische Techniken sorgfältig integrieren. Aufgrund ihrer Superhydrophobie, großen Oberfläche, chemischen Inertheit, geringen Dichte, Recyclingfähigkeit und Selektivität wurden Kohlenstoffnanoröhren auf Membranbasis von Parangusan et al.32 für die Beseitigung von Ölverschmutzungen entwickelt. Durch die Zugabe von Kohlenstoffnanoröhren wird die elektrische Leitfähigkeit von Polymerverbundwerkstoffen erheblich verbessert, wobei aufgrund der Verringerung des Tunnelabstands ein plötzlicher Übergang von einem Isolator zu einem Halbleiter erfolgt33,34,35.

Die Herstellung hochdisperser Nanokomposite auf Polymerbasis aus PVC/HDPE, in die ZnO-Nanopartikel eingebettet sind, mittels Gammabestrahlung ist eines der Hauptziele der aktuellen Studie. Es wurden Untersuchungen durchgeführt, wie sich Gammastrahlung auf die physikochemischen Eigenschaften von ZnO-Nanopartikeln auswirkt. Um den Notfallanforderungen einer wirksamen Ölverschmutzungstrennung gerecht zu werden, wurde auch untersucht, wie die Hydrophobie gemischter Oberflächen durch Bestrahlen von Proben mit verschiedenen Medien (Wasser, Paraffinwachs, Silikonöl und Natriumsilikatlösungen) erhöht werden kann. Die Neuheit der aktuellen Forschung ist die entwickelte Nanokompositmischung aus (PVC/Leitfähigkeits-HDPE)/ZnO-Eigenschaften, die eine Doppelfunktion wie Ölentfernung und Gleichmäßigkeit der elektrischen Feldverteilung in Mittelspannungskabeln durch Oberflächenmodifikation erfüllt.

Polyvinylchlorid (PVC) wurde von der Firma Misrelhegaz, Ägypten, und hochdichtes Polyethylen (HDPE) wurde von der Firma Sabic, Saudi-Arabien, mit den in Tabelle 1 aufgeführten technischen Daten vom Markt geliefert und ohne weitere Reinigung verwendet. Chemikalien wie Natriumsilikatlösungen (Na2OxSiO2) MW 184–254, Paraffinwachs (CnH2n+2-Schmelzpunkt: 50–57 °C) und Silikonöl (Xiameter PMX-200 Silikon) wurden vom Markt geliefert und unverändert verwendet.

Polyvinylchlorid wurde mit HDPE im Verhältnis (30/70) Gew./Gew. schmelzvermischt, wobei ein Doppelschneckenextruder (CTW100P; Haake Poly lab Rheomix, Deutschland) verwendet wurde. Der ZnO-Gehalt betrug 5 Gew.-% und die Zugabe der Schmelzmischungen aus PVC und HDPE und die Drehzahl der rotierenden Schnecke im Extruder betrugen 120 U/min. Die aus dem Doppelschneckenextruder erhaltenen Extrudate wurden 7 Minuten lang bei 170 °C in einer Zweiwalzenmühle (Lab Tech Engineering Co., Bangkok, Thailand) gemahlen, bevor sie mit einer Heißpresse (Lab Tech Engineering Co., Bangkok, Thailand) formgepresst wurden. bei 170 °C mit einem Druck von 150 kg/cm2 für 4 Min. Der geformte (PVC/HDPE)/ZnO-Verbundwerkstoff wurde zur weiteren experimentellen Bewertung in Teststücke geschnitten.

Ein typisches Experiment erzeugte ZnO-Nanopartikel mithilfe des traditionellen Sol-Gel-Verfahrens. Die Lösung A von Zingsalz wurde durch Auflösen von 20,196 g (0,10 Mol) Zinkacetat in 600 ml Wasser/Ethanol in einem Verhältnis von 80/20 Vol./Vol. und 60-minütigem Rühren bei Raumtemperatur hergestellt. Eine Lösung von 0,20 Mol Oxalsäure-Dehydraten wurde durch Auflösen von 2,520 g in 800 ml Wasser/Ethanol im Verhältnis 80/20 Vol./Vol.-% und 60-minütiges Rühren bei einer Temperatur von 50 °C erhalten, um Lösung B zu erzeugen. Warme Lösung A wurde eine Stunde lang ständig gemischt, während Lösung B tropfenweise zugegeben wurde. Es wurde ein weißes Sol erhalten, gealtert, um ein Gel zu bilden, und dann 24 Stunden lang bei 100 °C getrocknet. ZnO wurde schließlich durch thermische Verarbeitung bei Kalzinierungstemperaturen von 600 °C für 3 Stunden hergestellt.

Ein weiterer Vorteil der strahlungsinduzierten Oberflächenmodifikation in vier verschiedenen Medien (Siliziumöl, Natriumsilikat-Paraffinwachs und Wasser) besteht darin, dass sie im Gegensatz zur Photo- und Plasmainitiierung, die nur eine Oberflächenmodifikation bewirkt, maßgeschneiderte Modifikationen von der Oberfläche bis zur Masse der Grundgerüstpolymere ermöglicht . Der Modifikationsprozess kann die Hydrophilie oder Hydrophobie von (PVC/HDPE)/ZnO-Proben oder deren Leitfähigkeit verbessern oder deren Öladsorption modifizieren. Platten aus bestrahlten (PVC/HDPE)/ZnO-Proben werden in Streifenproben geschnitten und erneut mit γ-Strahlen bei 25 kGy in vier verschiedenen Medien (Siliziumöl, Natriumsilikat-Paraffinwachs und Wasser) bestrahlt. Der Bestrahlungsprozess wird unter Umgebungsbedingungen durchgeführt und eine Dosisrate von 0,67 kGy/h wird durch Verwendung einer Co-60-Quelle aufrechterhalten (Bestrahlung erfolgt NCRR, AEAE).

Ein Ultraviolett (UV)-sichtbares Spektrophotometer (Ultraviolet-3600, Schimadzu) wurde verwendet, um die Charakterisierung der Bandlücke von synthetisiertem ZnO und bestrahltem ZnO in einem Scanbereich von 200–500 nm zu überwachen. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR/ATR) (ATR–FTIR) Vertex 70, Bruker Optik GmbH, Ettlingen, Deutschland ist eine Technik zur Ermittlung der chemischen Veränderungsstruktur von oberflächenmodifizierten (PVC/HDPE)/ZnO-Nanokompositen. Für die Pulverröntgenbeugungstechnik (XRD) wurde das XRD-7000 (Schimadzu, Deutschland) verwendet. Das Verfahren zur kristallinen Analyse des ZnO mit Cukα-Strahlung (λ = 1,5418 Å). Die mechanischen Eigenschaften und Zugeigenschaften in der Hantelform der erhaltenen modifizierten (PVC/HDPE)ZnO-Proben wurden mit einer mechanischen Prüfmaschine von Intron gemäß ASTM D638 (Modell 5569) gemessen. Die Oberflächenmorphologie der (PVC/HDPE)ZnO-Probe wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) von ZEISS EVO 15 SEM, UK, untersucht. Der Kontaktwinkel von synthetisiertem ZnO und bestrahltem ZnO wurde auf einer horizontalen Oberfläche mit einem KRÜSS EasyDrop DSA20-Gerät gemessen. Die Wechselstromleitfähigkeit σAC(ω) wurde mit dem LCR-Brückenmodell Hioki 3532 gemessen, das zur Messung der Impedanz Z und des Phasenwinkels zwischen der angelegten Wechselspannung und dem resultierenden Strom in den Probenproben (PVC/HDPE)/ZnO und oberflächenmodifizierten Proben verwendet wurde (PVC/HDPE)/ZnO. Die Frequenz lag zwischen 0,00 und 500 Hz. Die Variation der Wechselstromleitfähigkeit mit einer Frequenz bei Umgebungstemperatur auf der (ln-ln)-Skala. Die Impedanz Z, die Probenkapazität Cp und der Verlustfaktor Tanδ wurden mit einem programmierbaren automatischen 3532 LCR-Messgerät gemessen. Der Widerstand R lag parallel zu allen Kapazitätswerten Cp, die dem Schirm der Brücke entnommen wurden. Das Modul der COMSOL Multiphysics-Software V5.2 wird in Verteilungssystemen für unterirdische Mittelspannungskabel (XLPE) verwendet. Die Arbeitsschicht im Analysetest besteht aus einem Kupferleiter mit einem Radius von 3,5 mm, einem inneren Halbleiter von 4,5 mm, einer XLPE-Isolierung von 10,5 mm und einem äußeren Halbleiter von 11,25 mm. Alle Radien wurden von der Mitte des Kupferleiters aus geschätzt. Die physikalischen Eigenschaften: AC/DC-Kupfer mit Finite-Elemente-Methode, Netzverarbeitung: feiner und Computer-RAM: 8 GB. Die relative Toleranz bei der Lösungsverarbeitung in der COMSOL-Software beträgt 2,147 für (PVC/HDPE)/ZnO bei 0 kGy und 2,22 bei 25 kGy.

Die optischen Eigenschaften von Nanopartikelpulver aus zwei Proben von unbestrahltem und bestrahltem ZnO mit einer Dosis von 25 kGy sind in Abb. 1 dargestellt. Das Vis-UV-Spektrum zeigt charakteristische Absorptionspeaks von ZnO (0 kGy) bei der Wellenlänge von 242 nm und 271 nm und 373 nm, was auf die intrinsische Bandlückenabsorption von ZnO-NPs aufgrund der Elektronenübergänge vom Valenzband zum Leitungsband (O2 → Zn3d) zurückgeführt werden kann. Das Absorptionsspektrum von ZnO-NPs deutete ebenfalls auf den schmalen Nanobereich hin Größenverteilung der Partikel. Die Bandlückenenergie von ZnO-NPs kann gemäß der Formel geschätzt werden

Dabei beträgt die Plank-Konstante (h) (6,626 × 10−34 J s), die Lichtgeschwindigkeit (c) (3 × 108 ms−1) und λ (373 nm) die Wellenlänge. Die Bandlückenenergie von ZnO-NPs wurde mit 3,8 eV berechnet.

Die optischen Eigenschaften unbestrahlter und bestrahlter ZnO-NPs bei einer Dosis von (a) 0 kGy und (b) 25 kGy.

Nach einer Bestrahlungsdosis von 25 kGy war der charakteristische Absorptionspeak der ZnO-NPs bei einer Wellenlänge von 373 nm gegenüber dem Absorptionsmaximum von 375 nm leicht rotverschoben. Dies kann auf einen Defekt der Kristallstruktur durch Sauerstofffehlstellen während der Gammabestrahlung zurückzuführen sein. Dieses Wachstum der Defektstelle führt zu einer Verringerung der Energielücken von 3,8 eV auf 2,08 eV bei einer Bestrahlungsdosis von 25 kGy. Die Entwicklung des Defektzustands könnte durch die Verringerung der Druckspannung in den ZnO-Filmen verursacht werden. Die verringerte Druckspannung von bestrahltem ZnO kann auf die gut ausgerichteten hexagonalen ZnO-Nanopartikel zurückgeführt werden.

Abbildung 2 zeigt die XRD-Analyse von unbestrahlten und bestrahlten ZnO-Nanopartikeln bei 25 kGy. Die XRD-Kurve zeigt 7 Intensitätspeaks bei 2θ = 31,57°, 34,13°, 36,00°, 47,57°, 56,45°, 62,72° und 67,70°, was die hexagonale Wurtzitstruktur von ZnO-NPs gemäß38 bestätigt. Nach der Gammabestrahlung wurden die 2θ von 31,57°, 34,13°, 36,00° auf 31,66°, 34,31°, 36,15° verschoben. Auch der d-Abstand wurde von (2,831, 2,617, 2,489) Å auf (2,823, 2,611 bzw. 2,482) Å verringert. Die Abnahme des d-Abstands nach Gammabestrahlung wird aufgrund von Metalloxiddefekten und Atomverschiebungsphänomenen erwartet39,40.

Die XRD-Analyse von unbestrahlten und bestrahlten ZnO-Nanopartikeln bei einer Dosis von 25 kGy.

Der Einfluss einer Gammabestrahlung mit einer Dosis von 25 kGy auf die Kontaktwinkel von ZnO wurde untersucht. Abbildung 3 zeigt den Benetzbarkeitscharakter unbestrahlter und bestrahlter ZnO-Nanopartikel durch Messung der Kontaktwinkel des Wassertropfens. Der Kontaktwinkel der bestrahlten Probe ist im Vergleich zur Blindprobe von 54,36° auf 65,25° erhöht. Der erhöhte Kontaktwinkel der bestrahlten Probe ist auf die erhöhte ZnO-Ausrichtung und die gut ausgerichteten hexagonalen ZnO-Nanopartikel zurückzuführen, wie durch Bandlückendatenanalyse und XRD-Datenanalyse bestätigt wurde.

Zeigen Sie den Kontaktwinkel unbestrahlter und bestrahlter ZnO-Nanopartikel bei einer Dosis von 25 kGy.

Abbildung 4 zeigt die Variation der Wechselstromleitfähigkeit als Funktion der ln-Frequenz bei zwei Bestrahlungsdosen (0 bis 25) kGy für ZnO-Nanopartikel. Es wird beobachtet, dass die beiden Proben über den gesamten gemessenen Frequenzbereich unterschiedliche AC-Leitfähigkeitsphasen mit unterschiedlichen Werten aufweisen. Die Ac-Leitfähigkeit der bestrahlten Probe ist höher als bei unbestrahlten Proben. Die mögliche Zunahme von Defekten in der Kristallstruktur von ZnO und die Erweiterung der Leitungswege zwischen ZnO-Partikeln hängen mit der Zunahme der Wechselstromleitfähigkeit zusammen. Die Gesamtleitfähigkeit kann ansteigen, weil mehr Ladungsträger durch Tunneln „überspringen“ können, und sie steigt auch, wenn Gammastrahlung ausgesetzt ist41,42. Tabelle 2 zeigt die Hauptveränderung der physiochemischen Eigenschaften der bestrahlten und unbestrahlten ZnO-Probe.

Zeigt die elektrische Wechselstromleitfähigkeit unbestrahlter und bestrahlter ZnO-Nanopartikel bei 25 kGy.

REM-Bilder einer Mischung aus 5 % ZnO und PVC/HDPE sind in Abb. 5a dargestellt. Es ist ganz klar, dass die Zugabe von ZnO-Nanokomposit dazu führte, dass die Oberfläche der Probe rauer erschien. Dies ist nützlich, um die Öladsorption auf der Probenoberfläche zu erhöhen. Das gleiche Ergebnis stimmte mit den Ergebnissen von Dai et al., Haq et al. überein. und Barroso-Solares et al. Dai et al.43 fanden heraus, dass die Oberflächenrauheit von Poly(milchsäure) (PLA)-Fasern durch Erhöhung des Zn2+-Gehalts im Metallgerüst von (ZIF-8) gesteuert werden kann. Die Öladsorption beschleunigt sich aufgrund der höheren Rauheit der (PLA/ZIF-8)-Faseroberfläche. Das von Haq et al.44 hergestellte Öladsorptionsharzsystem umfasst (ungesättigtes Polyester + epoxidiertes Sojaöl + Nanoton) mit unterschiedlichen Nanotonmengen. Er und Co-Autor gehen offensichtlich davon aus, dass die Rauheit der Oberfläche durch die Zugabe von Nanoton erhöht wird. Barroso-Solares et al.45 stellten gemischte Nanofasern aus zwei Polymeren her, Poly(methylmethacrylat) (PMMA) und Polycaprolacton (PCL), mit Gewichtsverhältnissen von 70/30, 50/50 und 30/70, eingearbeitet mit 1 Gew.-% Siliziumoxid-Nanopartikel. Es wurde festgestellt, dass die 50/50 PMMA/PCL-Probe den vielversprechendsten Kompromiss zwischen Ölabsorptionskapazität, Ölselektivität und mechanischen Eigenschaften aufweist, was auf die erhöhte Rauheit der 50/50 PMMA/PCL-Fasern im Vergleich zu den anderen Fasern zurückzuführen ist zwei Proben (70/30 und 30/70). Abbildung 5b zeigt bessere Belege für die Verteilung von ZnO-Nanopartikeln, die durch elementare EDX-Kartierung von Zn und O als Hauptelementen von ZnO und von C und Cl aus der (PVC/HDPE)-Mischung im Fall von (PVC/HDPE)-ZnO-Nanokompositen erhalten wurden. Diese beiden Elemente (Zn und O) sind auf der Oberfläche in einer in der PVC/HDPE-Matrix identifizierten guten Verteilung vorhanden. Die EDX-/Kartierungsanalyse ergab keine Hinweise auf weitere Spurenelemente.

SEM (a) und EDX/Mapping (b) von (PVC/HDPE)ZnO-Nanokomposit.

Die erhaltenen kompatiblen Mischungen aus (PVC/HDPE) ZnO wurden mit verschiedenen Medien (Paraffinwachs, Silikonöl, Natriumsilikat und Wasser) bestrahlt, um eine effiziente Methode zur hydrophoben Modifizierung der Oberfläche von Mischungen zur Verwendung bei der Öl/Wasser-Trennung zu nutzen. Unter Oberflächenmodifikation versteht man die Modifizierung der Oberfläche von (PVC/HDPE)-ZnO-Mischungen, indem chemische und physikalische Eigenschaften erzielt werden, die sich von denen der Blindprobe unterscheiden. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von oberflächenmodifizierten (PVC/HDPE) ZnO-Mischungen wurden unter Verwendung anderer Eigenschaften wie FTIR, mechanischer Eigenschaften und XRD ermittelt. Die chemische Struktur der Oberflächenmodifikation von (PVC/HDPE)ZnO-Mischfilmen mittels FTIR-Spektroskopie ist in Abb. 6 dargestellt. Die beiden FTIR-Peaks bei 2918 cm−1 und 623 cm−1 sind charakteristische Peaks von C–H und C –Cl-Bindungen von PVC-Molekülen. Der Peak bei 1290 cm-1 wird trans-CH3 in Polyethylenmolekülen zugeschrieben46. Der auf C=O-Gruppen zurückzuführende Peak bei 1723 cm−1 wurde in unbestrahlten (PVC/HDPE)ZnO-Proben und bestrahlten Proben in Natriumsilikat- und Wassermedien beobachtet. Andererseits verschwanden die C=O-Gruppen vollständig, wenn (PVC/HDPE) ZnO-Proben in Paraffinwachs und Silikonöl bestrahlt wurden. Die Peakintensität von 1290 cm−1 war im Fall der bestrahlten Probe in Silikonöl- und Natriumsilikatmedien aufgrund der Bildung von Si-CH3 bei 1250 cm−147,48,49 erhöht.

Die FTIR-Spektren von PVC/HDPE (a) unbestrahlt, (b) bestrahlt mit 25 kGy, (c) in Paraffinwachs, (d) in Silikonöl, (e) in Natriumsilikat und (f) in Wasser.

Abbildung 7 zeigt die Röntgenbeugungsmuster (XRD) des Rohlings und der modifizierten Oberfläche des bestrahlten Materials (PVC/HDPE) bei einer Dosis von 25 kGy. Es ist zu beachten, dass die XRD-Peaks von ZnO in Abb. 7a, b-Proben von (PVC/HDPE) bei einer Dosis von 0 kGy bzw. 25 kGy aufgrund der Oberflächenmodifikation von (PVC/HDPE)/ZnO nicht klar sind Dies führt zu einer Konzentration der Nanopartikel in der Oberfläche der Kunststofffolie, ähnlich wie bei der Masse der Proben in Abb. 7c – f. Die charakteristischen XRD-Peaks von HDPE liegen bei ~ 21° und 23°, was der typischen halbkristallinen Natur orthorhombischer Elementarzellen mit (110)- bzw. (200)-Reflexionsebenen entspricht50,51,52. Abbildung 7 bestätigt, dass sich die Beugungspeaks der Ebene (110) in allen modifizierten (PVC/HDPE)-Proben nahezu ändern. Dies bedeutet, dass die modifizierte Oberfläche auf der Ebene (110) von HDPE53 platziert wird. Außerdem zeigt Abb. 7 einen sehr breiten XRD-Peak von PVC im Bereich von 14° bis 24°; Dies weist darauf hin, dass PVC amorph ist54. Außerdem stellt XRD in Abb. 7 das XRD-Muster für ZnO-Nanopartikel dar, die sich bei 2∂ = 31,45°, 34,22°, 35,96°, 42,42°, 47,31°, 56,26°, 62,72°, 67,70°, 67,84°, 68,96° und 72,45 befinden ° entsprechen Reflexionen an den Kristallebenen 100, 002, 101, 102, 110, 103, 200, 112, 201, 004 und 202. Dies gewährleistet die Bildung des ZnO in einer reinen hexagonalen Wurtzitphase38.

Die XRD-Spektren (a) unbestrahlt, (b) bestrahlt (25 kGy), (c) in Paraffinwachs, (d) Silikonöl, (e) Natriumsilikat und (f) Wasser von (PVC/HDPE)ZnO-Mischungen.

Aus dem Balkendiagramm in Abb. 8 ist ersichtlich, dass die Kraft (N), die Dehnung (mm) und die Young-Module (MPa) unbestrahlter (PVC/HDPE)ZnO-Mischungen viel größer sind als bei allen bestrahlten (PVC/HDPE)ZnO mischt Proben. Der Elastizitätsmodul und die Kraft des Rohlings (PVC/HDPE)ZnO (0 kGy) und bei (25 kGy) betrugen 51,7 MPa, 193,66 N bzw. 24,22 MPa, 104,3 N. Nach Gammabestrahlung wurde beobachtet, dass der Elastizitätsmodul und die Kraft aufgrund des durch Gammabestrahlung verursachten Defektzustands der Atombindungen in Mischungen abnahmen. Andererseits wurde beobachtet, dass der Elastizitätsmodul und die Kraft bei allen behandelten Proben nach der Oberflächenbehandlung abnahmen. Diese Ergebnisse rechtfertigen, dass die Oberflächenmodifikation zu Veränderungen in der chemischen Struktur der Oberfläche beitrug; Ein Rückgang der mechanischen Eigenschaften kann auf die geringe Grenzflächenbindung zwischen der Masse und der Oberfläche der Mischungskette zurückzuführen sein. Die intensive Grenzflächenbindung zwischen der Masse und der Oberfläche der behandelten Mischungskette kann im Vergleich zu Blindproben zu einer Erhöhung der Dehnung führen. Darüber hinaus weisen die mechanischen Eigenschaften der mit Na-Si behandelten (PVC/HDPE)ZnO-Mischung durch Gammabestrahlung einen höheren Elastizitätsmodul und Kraftwert auf als andere behandelte (PVC/HDPE)ZnO-Mischungsproben. Dies kann auf einen härteren physikalischen Bindungseffekt und die Bildung schwacher Bindungen auf der Oberfläche der (PVC/HDPE)ZnO-Mischungen zurückgeführt werden.

Vergleich der mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Kraft, Dehnung und Elastizitätsmodul.

Aufgrund eines Oberflächenphänomens absorbieren Öle auf Oberflächen. Infolgedessen verfügen Adsorbentien über große Oberflächen, von denen die meisten Innenflächen sind, die die massiven Poren und Kapillaren hochporöser Materialien einschließen. Wie in Abb. 9 gezeigt, nimmt die Öladsorptionskraft von (PVC/HDPE)/ZnO nach der Bestrahlung ab. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass die porösen Adsorbentien aufgrund der durch Gammabestrahlung induzierten Vernetzungsreaktionen kleiner werden und ihre Fähigkeit zur effizienten Adsorption verringern. Nach der Oberflächenmodifizierung zeigen die vier modifizierten (PVC/HDPE)/ZnO ein breites Spektrum an Adsorptionsfähigkeiten für die sechs verschiedenen Ölarten. Die Leistungsmerkmale von Adsorbentien hängen weitgehend von ihren intrapartikulären Eigenschaften wie der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche und der Hydrophobie der Oberfläche ab. Die hydrophobe Oberfläche modifizierter Proben und die funktionalisierte Gruppenverteilung hinsichtlich Porengröße und Oberflächenrauheit sind im Allgemeinen die Hauptdeterminanten der Adsorptionskapazität.

Die Adsorptionskapazität von sechs verschiedenen modifizierten bestrahlten (PVC/HDPE)ZnO-Verbundwerkstoffen zur Entfernung von sechs Arten von Ölen.

Andererseits sollten die Dichte des Förderöls und die API-Nummer (die Nummer des American Petroleum Institute wird zur Identifizierung der Öl- und Gasquellen verwendet) berücksichtigt werden. Die Wirkung von API auf das Adsorptionspotential von Öl stand in umgekehrten Beziehungen. Wie in Abb. 9 gezeigt, wurde beobachtet, dass die prozentuale Adsorptionskapazität von Ölen direkt proportional mit einer Abnahme des API-Werts und umgekehrt proportional zu niedrig funktionalisierten Stellen in modifizierten (PVC/HDPE)ZnO-Proben aufgrund des Vorhandenseins funktioneller Gruppen zunahm in Rohölen enthalten55. Laut früherer Literatur weisen Rohöle weitere Gruppen auf, die –C=C–, C=O und OH mit überschüssigem Schwefel und Stickstoff enthalten56. Für Rizinusöl stieg die Adsorptionsprobe aus (PVC/HDPE)/ZnO, die mit 25 kGy in Wassermedien bestrahlt wurde, von 73 auf 157 %, verglichen mit der Blindprobe, die mit 25 kGy bestrahlt wurde. Wie in Abb. 9 dargestellt, wurde beobachtet, dass sich die Adsorptionsaufnahme je nach Art des Adsorptionsmittels änderte. Da die funktionalisierten Stellen auf der Oberfläche durch bestrahlte Proben bei 25 kGy in Wasser- und NaSi-Lösungen zunahmen, nahm die Adsorptionsaufnahme von Öl stetig zu. Die Adsorptionsaufnahme von Motoröl stieg von 26 %, 56 %, 64 %, 73 % und 75 % für modifizierte bestrahlte Proben in Luft, Wachs, Si-Öl, Wasser und NaSi. Die höchste Adsorptionsfähigkeit von Ölen wurde in Proben beobachtet, die durch C=O-Gruppen funktionalisiert waren. Die Verfügbarkeit der funktionellen Gruppenplätze auf der adsorbierten Oberfläche verbesserte die Fähigkeit zur Ölentfernung. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Oberflächencharakterisierung von (PVC/HDPE)/ZnO modifiziert werden kann, um das Öladsorptionspotenzial zu erhöhen.

Abbildung 10 zeigt die Wechselstromleitfähigkeit von (PVC/HDPE)/ZnO, die unabhängig von der Oberflächenmodifikation und der Art der Funktionsgruppenbildung im gleichen Verhalten variierte. Es ist jedoch zu beachten, dass die Perkolationsschwelle jeder Probe von den Gammabestrahlungsbedingungen in verschiedenen Lösungen abhängt. Abbildung 10 zeigt, dass die niedrigste Leitfähigkeit unbestrahlter Proben aus (PVC/HDPE)/ZnO nach der Bestrahlung mit 25 kGy scheinbar um das Doppelte anstieg. Dies ist auf den durch Gammastrahlung verursachten Defekt durch Atomverschiebung zurückzuführen, der den Elektronenübergang nach der Bildung von Löchern verstärkte. Darüber hinaus kann die durch Gammabestrahlung hervorgerufene Dehydrochlorierung von PVC-Molekülen zur Bildung konjugierter Doppelbindungen führen. Durch diese Konjugationen werden die Elektronen dann mobil. Folglich trägt die Elektronenmobilität zur Gesamtleitfähigkeit des Materials bei57,58.

Die Wechselstromleitfähigkeit von oberflächenmodifiziertem (PVC/HDPE)/ZnO.

Andererseits wiesen die beiden bestrahlten Proben von (PVC/HDPE)/ZnO in Wasser und NaSi-Lösungen bei gleicher gegebener Frequenz höhere Leitfähigkeitswerte auf. Dies ist auf die Bildung neuer Funktionsgruppen in der durch FTIR-Daten nachgewiesenen modifizierten Oberfläche zurückzuführen. Die funktionellen Gruppen können als Wirtsmatrix für den Elektronenübergang dienen.

Um die Verteilung des elektrischen Feldes in Mittelspannungskabeln zu simulieren, nutzen Sie COMSOL Multiphysics. Die Verteilung der elektrischen Felder innerhalb der unbestrahlten (PVC/HDPE)ZnO-Probe ist in Abb. 11 dargestellt. Die Verteilung des elektrischen Feldes innerhalb der Probe ist bei 1 mm Bogenlänge nicht gleichmäßig. Die elektrische Feldverteilung für die Bestrahlung (PVC/HDPE)ZnO/Wasser wird gleichmäßiger und nimmt von innen nach außen stetig ab, wie in Abb. 12 dargestellt. Dies ist auf die Fähigkeit der neuen C=O-Funktionsgruppen zurückzuführen, eine gleichmäßige Verteilung aufrechtzuerhalten elektrisches Feld und verringert gleichzeitig die elektrostatische Spannung.

Elektrische Feldverteilung in der Mittelspannung von unbestrahltem (PVC/HDPE)ZnO.

Elektrische Feldverteilung in Mittelspannungskabeln von bestrahltem (PVC/HDPE)ZnO-Wasser.

ZnO wurde mit einer Dosis von 25 kGy bestrahlt, um seine physiochemischen Eigenschaften zu verbessern. Das Vis-UV-Spektrum von ZnO zeigt einen Absorptionspeak bei einer Wellenlänge von 373 nm, der für eine bestrahlte ZnO-Probe mit einer Dosis von leicht rotverschoben auf 375 nm war 25 kGy aufgrund des Defekts der Kristallstruktur durch Sauerstofffehlstellen während der Gammabestrahlung.

Dieses Wachstum der Defektstelle führt zu einer Verringerung der Energielücken von 3,8 auf 2,08 eV.

Der Kontaktwinkel der bestrahlten Probe ist im Vergleich zur Blindprobe von 54,36° auf 65,25° erhöht.

Die Oberflächenmodifikation von (PVC/HDPE)ZnO durch Gammabestrahlungsbehandlung wurde untersucht.

Der Gammabestrahlungsprozess mit einer Dosis von 25 kGy wurde in vier verschiedenen Medien wie (Paraffinwachs, Si-Öl, NaSi und Wasser) durchgeführt, um die Oberfläche einer funktionalisierten Gruppe von PVC/HDPE-ZnO-Proben zu verbessern.

FTIR-Spektren zeigten chemische Veränderungen auf der (PVC/HDPE)ZnO-Oberfläche nach einer Gammabestrahlungsbehandlung in Wasser und NaSi.

Die C=O-Peaks erschienen im erwarteten FTIR und bestätigten die Veränderung der Probenoberfläche.

Die Oberfläche der (PVC/HDPE)ZnO-Probe verbessert ihre Fähigkeit zur Ölentfernung im Vergleich zu Blindproben.

Die Adsorptionsaufnahme von Motoröl stieg von 26 %, 56 %, 64 %, 73 % und 75 % für modifizierte bestrahlte Proben in Luft, Wachs, Si-Öl, Wasser und NaSi.

Die höchste Adsorptionsfähigkeit von Ölen wurde in Proben beobachtet, die durch C=O-Gruppen funktionalisiert waren.

Laut COMSOL Multiphysics zeigt die bestrahlte (PVC/HDPE)ZnO-Probe in Wasser eine gleichmäßige elektrische Feldverteilung im Mittelspannungskabel (22.000 V).

Die zukünftige Arbeit an oberflächenmodifizierten (PVC/HDPE)ZnO-Proben kann durch die Verwendung von (PVC/HDPE)ZnO basierend auf ihrer AC-Leitfähigkeit erweitert werden, was eine Verbesserung darstellt.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Egypt University of Informatics, Kairo, Ägypten

MI Ismail

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Alle Autoren haben wesentlich zur Konzeption und Gestaltung der Arbeit sowie zur Analyse und Interpretation der Daten beigetragen. Alle Autoren haben zu den Überarbeitungen beigetragen und den endgültigen Entwurf genehmigt. Alle Autoren erklären sich damit einverstanden, für alle Aspekte der Arbeit verantwortlich zu sein und sicherzustellen, dass alle Fragen im Zusammenhang mit der Richtigkeit oder Integrität eines Teils der Arbeit angemessen untersucht und gelöst werden. Spezifische individuelle Beiträge zusätzlich zu den oben genannten: AIS leitete die Ausarbeitung des Papiers und trug zur Datenextraktion bei. SAF trug zur Literaturrecherche und Datenextraktion bei. AFAE-G. trug zur Literaturrecherche und zum Verfassen von Abschnitten des Manuskripts bei. MAF und MII trugen zur Datenextraktion, Datenerfassung und Erstellung von Abbildungen und Tabellen bei. AME hat zur FTIR-Messung beigetragen. MMG trug zur Lösung der Datenextraktionsergebnisse bei und verfasste die Einleitung und Daten. Der Hauptautor (AIS, der Bürge des Manuskripts) versichert, dass das Manuskript eine ehrliche, genaue und transparente Darstellung der berichteten Studie ist. Es wurden keine wichtigen Aspekte der Studie ausgelassen; und dass alle Abweichungen von der geplanten (und ggf. registrierten) Studie erläutert wurden.

Korrespondenz mit AI Sharshir.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ghobashy, MM, F. Abd El-Gawad, A., A. Fayek, S. et al. Durch Gammabestrahlung induzierte Oberflächenmodifikation von (PVC/HDPE)/ZnO-Nanokomposit zur Verbesserung der Ölentfernung und Leitfähigkeit mithilfe der COMSOL-Multiphysik. Sci Rep 13, 7514 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34583-0

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Eingegangen: 04. November 2022

Angenommen: 03. Mai 2023

Veröffentlicht: 09. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34583-0

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