Modificación superficial inducida por irradiación gamma de nanocompuestos (PVC/HDPE)/ZnO para mejorar la remoción de aceite y la conductividad usando COMSOL multifísica

Mar 15, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7514 (2023) Citar este artículo

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La película de mezcla de nanocompuestos se preparó mediante cargas de ZnO irradiado en proporciones de (5% en peso) dentro de la matriz de PVC/HDPE utilizando una técnica de extrusión de fusión en caliente. Se comparan las propiedades físicas y químicas de las muestras de ZnO irradiadas y no irradiadas. El espectro Vis-UV de ZnO muestra un pico de absorción a una longitud de onda de 373 nm que se corrió ligeramente al rojo a 375 nm para una muestra irradiada de ZnO a una dosis de 25 kGy debido al defecto de la estructura cristalina por la vacante de oxígeno durante irradiaciones gamma. Este crecimiento del sitio del defecto conduce a una disminución de las brechas de energía de 3,8 a 2,08 eV. La conductividad de CA de la muestra de ZnO aumentó después del proceso de irradiación gamma (25 kGy). Los nanocompuestos de (PVC/HDPE)/ZnO se volvieron a irradiar con rayos γ a 25 kGy en presencia de cuatro medios diferentes (aceite de silicona, silicato de sodio, cera de parafina y agua). Se realizaron FTIR y XRD para monitorear los cambios en la composición química. El nuevo pico de 1723 cm−1 atribuido a los grupos C=O se observó en muestras de ZnO (PVC/HDPE) irradiadas solo en medios de silicato de sodio y agua. Este proceso indujo nuevos grupos funcionales en la superficie de la muestra de mezcla (PVC/HDPE)/ZnO. Este trabajo tiene como objetivo desarrollar (PVC/HDPE)ZnO para la separación de aceite/agua. La mayor capacidad de adsorción de aceite se observó en muestras funcionalizadas por grupos C=O basados ​​en los diferentes aceites probados. Los resultados sugieren que la caracterización superficial del (PVC/HDPE)/ZnO puede modificarse para mejorar el potencial de adsorción de aceite. Además, la dosis de radiación gamma mejoró significativamente la conductividad de CA en comparación con la muestra no irradiada. Según COMSOL Multiphysics, la muestra irradiada (PVC/HDPE)ZnO en agua muestra una perfecta distribución uniforme del campo eléctrico en cables de media tensión (22.000 V).

La producción de polímeros con propiedades físico-químicas específicas combinadas con las características otorgadas por modificaciones superficiales se ha hecho posible a través de la fascinante y práctica modificación superficial de materiales poliméricos1,2,3,4. Hay varias formas de cambiar las propiedades de los polímeros, incluida la mezcla, el injerto y el curado. La mezcla física de dos (o más) polímeros da como resultado las características deseadas. En el proceso conocido como "injerto", los monómeros se unen covalentemente (modificados) a la cadena polimérica. Por el contrario, una mezcla de oligómeros se polimeriza durante el curado para generar un revestimiento unido físicamente al sustrato. El injerto es un enfoque prometedor para agregar grupos funcionales únicos a los polímeros para cambiar sus propiedades originales y ampliar el rango de sus aplicaciones5,6.

Después del proceso de irradiación, algunos átomos y grupos como los átomos de hidrógeno y los grupos carbono-hidrógeno se liberan de los polímeros, hay un cambio considerable en la estequiometría del polímero. Si están presentes en las cadenas poliméricas, también son expulsadas otras especies atómicas (O, F, Cl, N, etc.)7,8,9. Es bien sabido que después de la exposición a la radiación, los polímeros pierden hidrógeno, lo que tiene un efecto en las propiedades físicas del polímero. La escisión de la cadena produce unidades más pequeñas y una cadena de oligómeros, una profusión de dobles enlaces y la aparición de radicales. Estas pequeñas partículas enriquecidas con carbono pueden agregarse en grupos eléctricamente conductores debido a su atracción electrostática9.

Las características fisicoquímicas y la conductividad eléctrica de las mezclas de polímeros se pueden mejorar agregando nanorrellenos como las nanopartículas de ZnO en varias proporciones10,11,12,13,14. Parangusan et al.15 estudiaron las propiedades piezoeléctricas de nanofibras electrohiladas hechas de hexafluoropropileno de fluoruro de polivinilideno puro (PVDF-HFP) y PVDF-HFP/Co-ZnO. Se observó que las nanofibras ordenadas de PVDF-HFP y PVDF-HFP/2% en peso de Co-ZnO tienen constantes dieléctricas de 8 y 38, respectivamente. Estos resultados sugieren que el nanocompuesto informado puede crear sistemas eléctricos flexibles, portátiles y autoalimentados. Los polímeros termoplásticos como los nanocompuestos de polietileno de alta densidad (HDPE) se pueden reforzar con nanoplaquetas de grafito, nanodiamantes y nanotubos de carbono para mejorar las propiedades reológicas, térmicas y mecánicas16,17,18,19. La modificación de la superficie del PVC en el pasado se realizaba mediante plasma, descarga corona, injerto químico, descarga eléctrica, deposición de vapor de metal (MVD), tratamiento con llama o modificación química directa (oxidación, hidrólisis, etc.), e incluso alguna modificación física de la superficie. Este estudio tiene como objetivo aumentar la hidrofilicidad del PVC en (PVC/HDPE)ZnO que ha sido irradiado con rayos Ɣ en varios medios, incluidos agua, cera de parafina, aceite de silicona y soluciones de silicato de sodio. La irradiación gamma tiene varias ventajas sobre otras técnicas, incluido el alto poder de penetración, el procesamiento rápido, la distribución uniforme de la dosis, la flexibilidad del sistema y la capacidad de usarse en diversos entornos20,21,22,23,24,25. La irradiación gamma es un método ecológico y el más productivo26,27,28,29,30,31. Este estudio también tiene como objetivo aumentar la hidrofilia de (PVC/HDPE) para aplicaciones de separación de aceite/agua. Las aplicaciones para la separación de agua y aceite son cruciales para procesos industriales como los relacionados con el petróleo, la metalurgia, el agua de sentina de los barcos y la industria alimentaria, que utiliza grasas, aceites y grasas, entre otras cosas.

La separación de agua y aceite es un tema de estudio fundamental para la investigación científica y afecta al medio ambiente, la economía y la sociedad. Por un lado, la contaminación más frecuente en el mundo actual son las aguas residuales aceitosas producidas por industrias como la siderúrgica, la del aluminio, la alimentaria, la textil, la del cuero, la petroquímica y la de acabados metálicos. Por otro lado, los accidentes frecuentes por fugas de petróleo son extremadamente preocupantes porque la descarga puede causar una pérdida de energía significativa y una degradación ambiental catastrófica. Además, dado que incluso una pequeña cantidad de fuel oil podría poner en peligro la seguridad del transporte, expulsar el agua del fuel oil es esencial en las industrias de vehículos, barcos y aviación. En respuesta a estos enormes obstáculos, los científicos se han enfocado constantemente en crear nuevos métodos y materiales para la separación de agua y aceite. Muchas tecnologías de separación comunes se utilizan hoy en día, incluida la separación por gravedad, la centrifugación, la separación ultrasónica, la flotación por aire, el campo eléctrico, la coagulación y el tratamiento biológico. Estos métodos pueden manejar la mayoría de los requisitos de separación mediante la integración cuidadosa de técnicas físicas, químicas y biológicas. Debido a su superhidrofobicidad, alta área superficial, inercia química, baja densidad, reciclabilidad y selectividad, Parangusan et al.32 han desarrollado nanotubos de carbono basados ​​en membranas para la limpieza de derrames de petróleo. La adición de nanotubos de carbono mejora en gran medida la conductividad eléctrica de los compuestos poliméricos con una transición repentina de un aislante a un semiconductor debido a la disminución de la distancia de tunelización33,34,35.

La preparación de nanocompuestos basados ​​en polímeros altamente dispersos hechos de PVC/HDPE incrustados con nanopartículas de ZnO mediante irradiación gamma es uno de los objetivos principales del estudio actual. Se han realizado investigaciones sobre cómo la radiación gamma afecta las características fisicoquímicas de las nanopartículas de ZnO. Para satisfacer las necesidades de respuesta de emergencia de la separación efectiva de derrames de petróleo, también se examinó cómo aumentar la hidrofobicidad de las superficies mezcladas mediante la irradiación de muestras en varios medios (agua, cera de parafina, aceite de silicona y soluciones de silicato de sodio). La novedad de la investigación actual es la combinación de nanocompuestos desarrollados con propiedades de (PVC/HDPE de conductividad)/ZnO para actuar como funciones duales como la eliminación de aceite y uniformar la distribución del campo eléctrico en cables de media tensión mediante la modificación de la superficie.

el cloruro de polivinilo (PVC) se suministró de la empresa Misrelhegaz, Egipto, y el polietileno de alta densidad (HDPE) se suministró de la empresa Sabic, Arabia Saudita con los datos técnicos descritos en la Tabla 1 del mercado y se utilizó sin purificación adicional. Productos químicos como soluciones de silicato de sodio (Na2OxSiO2) PM 184–254, cera de parafina (punto de fusión CnH2n+2: 50–57 °C) y aceite de silicona (Xiameter PMX-200 Silicone) se suministraron del mercado y se usaron tal cual.

El cloruro de polivinilo se mezcló por fusión con HDPE en una proporción (30/70) % peso/peso usando una extrusora de doble tornillo (CTW100P; Haake Poly lab Rheomix, Alemania). El contenido de ZnO fue del 5% en peso y la adición en las mezclas fundidas de PVC y HDPE y la velocidad del tornillo giratorio en la extrusora fue de 120 rpm. Los extruidos obtenidos de la extrusora de doble husillo se molieron en dos rodillos (Lab Tech Engineering Co., Bangkok, Tailandia) a 170 °C durante 7 min antes de moldearlos por compresión con una prensa caliente (Lab Tech Engineering Co., Bangkok, Tailandia) a 170 °C con una presión de 150 kg/cm2 durante 4 min. El compuesto moldeado (PVC/HDPE)/ZnO se cortó en piezas de prueba para una evaluación experimental adicional.

Un experimento típico creó nanopartículas de ZnO utilizando el proceso sol-gel tradicional. La solución A de sal zing se creó disolviendo 20,196 g (0,10 mol) de acetato de zinc en 600 mL de agua/etanol en una proporción 80/20% v/v y agitando durante 60 min a temperatura ambiente. Se obtuvo una solución de 0,20 mol de ácido oxálico deshidratado al disolver 2,520 g en 800 mL de agua/etanol en proporción 80/20 v/v% y se agitó a una temperatura de 50 °C durante 60 min para crear la Solución B. Solución tibia A se mezcló constantemente durante una hora mientras se añadía gota a gota la solución B. Se obtuvo un sol blanco, se envejeció para formar un gel y luego se secó durante 24 h a 100 °C. Finalmente, se produjo ZnO mediante procesamiento térmico a temperaturas de calcinación de 600 °C durante 3 h.

Otra ventaja de la modificación de la superficie inducida por radiación en cuatro medios diferentes (aceite de silicio, cera de parafina de silicato de sodio y agua) es que permite modificaciones personalizadas que van desde la superficie hasta la mayor parte de los polímeros de la columna vertebral, a diferencia de la iniciación por foto y plasma, que solo imparte la modificación de la superficie. . El proceso de modificación puede mejorar la hidrofilicidad o hidrofobicidad de muestras de (PVC/HDPE)/ZnO o su conductividad o modificar su adsorción de aceite. Las láminas de muestras irradiadas (PVC/HDPE)/ZnO se cortan en tiras y se vuelven a irradiar con rayos γ a 25 kGy en cuatro medios diferentes (aceite de silicona, cera de parafina de silicato de sodio y agua). El proceso de irradiación se realiza en condiciones ambientales y se mantiene una tasa de dosis de 0,67 kGy/h utilizando una fuente de Co-60 (La irradiación se realiza NCRR, AEAE).

Se utilizó un espectrofotómetro ultravioleta (UV)-visible (Ultraviolet-3600, Schimadzu) para monitorear la caracterización de la banda gab de ZnO sintetizado y ZnO irradiado en un rango de exploración de 200–500 nm. La espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FTIR/ATR) (ATR-FTIR) Vertex 70, Bruker Optik GmbH, Ettlingen, Alemania es una técnica utilizada para obtener la estructura de cambio químico de nanocompuestos de superficie modificada (PVC/HDPE)/ZnO. La técnica de difracción de rayos X en polvo (XRD) utilizó el XRD-7000 (Schimadzu, Alemania). El proceso para el análisis cristalino del ZnO con radiación Cukα (λ = 1.5418 Å). Las propiedades mecánicas y las características de tracción en forma de mancuernas de las muestras de ZnO modificadas (PVC/HDPE) obtenidas se midieron utilizando una máquina de ensayo mecánico Intron según la norma ASTM D638 (modelo 5569). La morfología de la superficie de la muestra de (PVC/HDPE)ZnO se examinó con un microscopio electrónico de barrido (SEM) de ZEISS EVO 15 SEM, Reino Unido. El ángulo de contacto del ZnO sintetizado y el ZnO irradiado se midió en una superficie horizontal con un instrumento KRÜSS EasyDrop DSA20. La conductividad de CA σAC(ω) se midió con el modelo de puente LCR Hioki 3532, que se utilizó para medir la impedancia Z y el ángulo de fase entre el voltaje de CA aplicado y la corriente resultante en las muestras de muestra (PVC/HDPE)/ZnO y superficie modificada. (PVC/PEAD)/ZnO. La frecuencia osciló entre 0,00 y 500 Hz. La variación en la conductividad de CA con una frecuencia a temperatura ambiente en la escala (ln-ln). La impedancia Z, la capacitancia de la muestra Cp y la tangente de pérdida Tanδ se midieron usando un medidor LCR 3532 automático programable. La resistencia R era paralela a todos los valores de capacitancia Cp tomados de la pantalla del puente. Se utiliza el módulo del software multifísico COMSOL de V5.2 en sistemas de distribución de cable subterráneo de media tensión (XLPE). La capa de trabajo en la prueba de análisis es un conductor de cobre con un radio de 3,5 mm, un semiconductor interior de 4,5 mm, un aislamiento XLPE de 10,5 mm y un semiconductor exterior de 11,25 mm. Todos los radios han sido estimados desde la mitad del conductor de cobre. Las propiedades físicas: cobre AC/DC utilizando el método de elementos finitos, procesamiento de malla: más fino y RAM de la computadora: 8 GB. La tolerancia relativa en el procesamiento de la solución en el software COMSOL es de 2,147 para (PVC/HDPE)/ZnO a 0 kGy y de 2,22 a 25 kGy.

Las propiedades ópticas del polvo de nanopartículas de dos muestras de ZnO irradiado y no irradiado a una dosis de 25 kGy se representaron en la Fig. 1. El espectro Vis-UV muestra picos de absorción característicos de ZnO (0 kGy) a la longitud de onda de 242 nm, 271 nm y 373 nm, que puede atribuirse a la absorción intrínseca de banda prohibida de ZnO–NP debido a las transiciones de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción (O2 → Zn3d)36. El espectro de absorción de ZnO–NP también sugirió la estrecha nano distribución de tamaño de partículas. La energía de banda prohibida de las NP de ZnO se puede estimar de acuerdo con la fórmula

donde la constante de tablón (h) es (6,626 × 10−34 J s), la velocidad de la luz (c) es (3 × 108 ms−1) y λ (373 nm) es la longitud de onda. La energía de banda prohibida de las NP de ZnO se calculó como 3,8 eV.

Las propiedades ópticas de las NP de ZnO irradiadas y no irradiadas a una dosis de (a) 0 kGy y (b) 25 kGy.

Después de una dosis de irradiación de 25 kGy, el pico de absorción característico de las NP de ZnO a una longitud de onda de 373 nm se desplazó ligeramente hacia el rojo en relación con el máximo de absorción de 375 nm. Puede deberse al defecto de la estructura cristalina por la vacante de oxígeno durante las radiaciones gamma. Este crecimiento del sitio del defecto conduce a una disminución de las brechas de energía a 2,08 desde 3,8 eV con una dosis de irradiación de 25 kGy. El desarrollo del estado de defecto podría ser causado por la reducción de la tensión de compresión en las películas de ZnO. La tensión de compresión reducida del ZnO irradiado puede atribuirse a las nanopartículas hexagonales de ZnO bien alineadas37.

La figura 2 muestra el análisis XRD de nanopartículas de ZnO irradiadas y no irradiadas a 25 kGy. La curva XRD muestra 7 picos de intensidad ubicados en 2θ = 31,57°, 34,13°, 36,00°, 47,57°, 56,45°, 62,72° y 67,70°, lo que confirma la estructura hexagonal de wurtzita de las NP de ZnO según38. Después de la irradiación gamma, los 2θ de 31,57°, 34,13°, 36,00° se desplazaron a 31,66°, 34,31°, 36,15°. Además, el espacio d se redujo de (2,831, 2,617, 2,489) Å a (2,823, 2,611 y 2,482) Å, respectivamente. Se espera la disminución del espacio d después de la irradiación gamma debido al defecto de óxido metálico y fenómenos de desplazamiento de átomos39,40.

El análisis XRD de nanopartículas de ZnO no irradiadas e irradiadas a una dosis de 25 kGy.

Se investigó el efecto de la radiación gamma a una dosis de 25 kGy sobre los ángulos de contacto del ZnO. La Figura 3 muestra el carácter de humectabilidad de las nanopartículas de ZnO irradiadas y no irradiadas midiendo los ángulos de contacto de la gota de agua. El ángulo de contacto de la muestra irradiada aumenta de 54,36° a 65,25° en comparación con la muestra en blanco. El mayor ángulo de contacto de la muestra irradiada se debe a la mayor orientación de ZnO y las nanopartículas hexagonales de ZnO bien alineadas, según lo confirmado por el análisis de datos de banda gab y el análisis de datos XRD.

Muestre el ángulo de contacto de las nanopartículas de ZnO irradiadas y no irradiadas a una dosis de 25 kGy.

La figura 4 muestra la variación de la conductividad de CA en función de la frecuencia ln a dos dosis de irradiación (0 a 25) kGy para nanopartículas de ZnO. Se observa que las dos muestras exhiben diferentes fases de conductividad AC con diferentes valores en todo el rango de frecuencia medida. La conductividad Ac de la muestra irradiada es mayor que la de las muestras no irradiadas. El posible aumento de defectos en la estructura cristalina de ZnO y la expansión de las rutas de conducción entre las partículas de ZnO están relacionados con el crecimiento de la conductividad de CA. La conductividad a granel puede aumentar debido a que más portadores de carga pueden "saltar" mediante la formación de túneles, y también aumenta con la exposición a la radiación gamma41,42. La Tabla 2 describe el cambio principal en las propiedades fisicoquímicas de la muestra de ZnO irradiada y no irradiada.

Muestra la conductividad eléctrica de CA de nanopartículas de ZnO irradiadas y no irradiadas a 25 kGy.

Las imágenes SEM de una mezcla de 5% ZnO y PVC/HDPE se muestran en la Fig. 5a. Está bastante claro que la adición de nanocompuestos de ZnO hizo que la superficie de la muestra pareciera más áspera. Esto es útil para aumentar la adsorción de aceite en la superficie de la muestra. El mismo resultado coincidió con los resultados obtenidos por Dai et al., Haq et al. y Barroso-Solares et al. Dai et al.43 descubrieron que la rugosidad superficial de las fibras de poli(ácido láctico) (PLA) puede controlarse aumentando el contenido de Zn2+ en la estructura metálica de (ZIF-8). La adsorción de aceite se está acelerando debido a la mayor rugosidad de la superficie de la fibra (PLA/ZIF-8). El sistema de resina adsorbente de aceite preparado de Haq et al.44 incluye (poliéster insaturado + aceite de soja epoxidado + nanoarcilla) con cantidades variables de nanoarcilla. Él y el coautor obviamente que la rugosidad de la superficie aumenta debido a la adición de nanoarcilla. Barroso-Solares et al.45 prepararon nanofibras mixtas de dos polímeros, poli(metacrilato de metilo) (PMMA) y policaprolactona (PCL), con relaciones en peso de 70/30, 50/50 y 30/70 incorporadas con 1% en peso de nanopartículas de óxido de silicio ahumado. Se observó que la muestra 50/50 PMMA/PCL muestra el compromiso más prometedor entre la capacidad de absorción de aceite, la selectividad del aceite y las propiedades mecánicas, esto se debe a la mayor rugosidad de las fibras 50/50 PMMA/PCL con respecto a las demás. dos muestras (70/30 y 30/70). La Figura 5b muestra una mejor evidencia con respecto a la distribución de las nanopartículas de ZnO obtenidas a través del mapeo EDX elemental de Zn y O como los elementos principales de ZnO y de C y Cl de la mezcla (PVC/HDPE) en el caso de los nanocompuestos de (PVC/HDPE) ZnO. Estos dos elementos (Zn y O) están presentes en la superficie en distribución bien identificada en matriz de PVC/HDPE. El análisis de mapeo/EDX no proporcionó evidencia de ningún otro elemento traza.

SEM (a) y EDX/mapeo (b) de nanocompuestos de (PVC/HDPE)ZnO.

Las mezclas compatibles obtenidas de (PVC/HDPE) ZnO irradiadas en diferentes medios (cera de parafina, aceite de silicona, silicato de sodio y agua) como un método eficiente para la modificación de la hidrofobicidad de la superficie de mezclas para usar en la separación de aceite/agua. La modificación de la superficie modifica la superficie de las mezclas de (PVC/HDPE) ZnO trayendo propiedades químicas y físicas diferentes de la muestra en blanco. Las propiedades fisicoquímicas de las mezclas de ZnO modificadas en la superficie (PVC/HDPE) se realizaron utilizando otras características como FTIR, propiedades mecánicas y XRD. La estructura química de la modificación de la superficie de las películas de mezcla de (PVC/HDPE)ZnO usando espectroscopía FTIR se muestra en la Fig. 6. Los dos picos FTIR ubicados en 2918 cm−1 y 623 cm−1 son picos característicos de C–H y C Enlaces –Cl de las moléculas de PVC, respectivamente. El pico a 1290 cm−1 se atribuye a trans CH3 en moléculas de polietileno46. El pico a 1723 cm−1 atribuido a los grupos C=O se observó en muestras de ZnO (PVC/HDPE) no irradiadas y muestras irradiadas en medios de silicato de sodio y agua. Por otro lado, los grupos C=O desaparecieron por completo en el caso de que las muestras de ZnO (PVC/HDPE) se irradiaran en cera de parafina y aceite de silicona. La intensidad máxima de 1290 cm−1 aumentó en el caso de la muestra irradiada en medio de aceite de silicio y silicato de sodio debido a la formación de Si-CH3 a 1250 cm−147,48,49.

Los espectros FTIR de PVC/HDPE (a) sin irradiar, (b) irradiado con 25 kGy, (c) en cera de parafina, (d) en aceite de silicona, (e) en silicato de sodio y (f) en agua.

La Figura 7 muestra los patrones de difracción de rayos X (XRD) del blanco y la superficie modificada del irradiado (PVC/HDPE) a la dosis de 25 kGy. Se observa que los picos XRD de ZnO no están claros en las muestras de la Fig. 7a,b de (PVC/HDPE) a la dosis de 0 kGy y 25 kGy, respectivamente, debido a la modificación de la superficie de (PVC/HDPE)/ZnO lo que lleva a la concentración de nanopartículas en la superficie de la lámina de plástico similar a la mayor parte de las muestras en la Fig. 7c-f. Los picos característicos de XRD del HDPE se ubican a ~21° y 23°, que corresponden a la naturaleza semicristalina típica de las celdas unitarias ortorrómbicas de (110) y (200) planos de reflexión, respectivamente50,51,52. La figura 7 confirma que los picos de difracción del plano (110) casi cambian en todas las muestras modificadas (PVC/HDPE). Esto significa que la superficie modificada se coloca en el plano (110) de HDPE53. Además, la Fig. 7 muestra un pico XRD muy amplio de PVC que oscila entre 14° y 24°; esto indica que el PVC es amorfo54. Además, XRD en la Fig. 7 representa el patrón XRD para nanopartículas de ZnO ubicadas en 2∂ = 31,45°, 34,22°, 35,96°, 42,42°, 47,31°, 56,26°, 62,72°, 67,70°, 67,84°, 68,96° y 72,45 ° corresponden a reflexiones de los planos cristalinos 100, 002, 101, 102, 110, 103, 200, 112, 201, 004 y 202 Esto asegura la formación del ZnO en una fase de wurtzita hexagonal pura38.

Los espectros XRD (a) sin irradiar, (b) irradiados (25 kGy), (c) en cera de parafina, (d) aceite de silicona, (e) silicato de sodio y (f) mezclas de agua de (PVC/HDPE)ZnO.

En el gráfico de barras de la Fig. 8, se puede percibir que la fuerza (N), el alargamiento (mm) y los módulos de Young (MPa) de las mezclas de ZnO (PVC/HDPE) no irradiadas son mucho mayores que todas las mezclas de ZnO (PVC/HDPE) irradiadas. mezclas de muestras. El módulo de Young y la fuerza del blanco (PVC/HDPE)ZnO (0 kGy) y at (25 kGy) fueron 51,7 MPa, 193,66 N y 24,22 MPa, 104,3 N, respectivamente. Después de la radiación gamma, se observó que el módulo de Young y la fuerza disminuían debido al estado defectuoso de los enlaces atómicos en las mezclas inducidas por la radiación gamma. Por otro lado, se observó que el módulo de Young y la fuerza disminuyeron en todas las muestras tratadas después del tratamiento superficial. Estos resultados justifican que la modificación de la superficie contribuyó a cambios en la estructura química de la superficie; las caídas en las propiedades mecánicas pueden deberse a la baja unión interfacial entre el volumen y la superficie de la cadena de mezcla. La unión interfacial intensa entre el volumen y la superficie de la cadena de mezcla tratada puede provocar un aumento de la elongación en comparación con las muestras en blanco. Además, las propiedades mecánicas de la irradiación gamma de la mezcla de (PVC/HDPE)ZnO tratada con Na-Si muestran un módulo de Young y un valor de fuerza más altos que otras muestras de mezcla de (PVC/HDPE)ZnO tratadas. Esto puede atribuirse a un efecto de enlace físico más duro y a la formación de enlaces débiles en la superficie de las mezclas de (PVC/HDPE)ZnO.

Comparación de propiedades mecánicas en cuanto a Fuerza, Elongación y Módulo de Young.

Los aceites se absorben en las superficies debido a un fenómeno superficial. Como resultado, los adsorbentes tienen grandes áreas superficiales, la mayoría de las cuales son superficies interiores que encierran los poros y capilares masivos de materiales altamente porosos. Como se muestra en la Fig. 9, el poder de (PVC/HDPE)/ZnO adsorbido en aceite disminuye después de la irradiación. Una de las principales razones es que los adsorbentes porosos se vuelven más pequeños y reducen su capacidad de adsorción eficiente debido a las reacciones reticuladas inducidas por la radiación gamma. Mientras que después de la modificación de la superficie, los cuatro modificados (PVC/HDPE)/ZnO muestran un amplio espectro de capacidad de adsorción para los seis tipos diferentes de aceites. Las características de rendimiento de los adsorbentes se relacionan en gran medida con sus propiedades intrapartículas, como las composiciones químicas de la superficie y la hidrofobicidad de la superficie. El área superficial hidrofóbica de las muestras modificadas y la distribución funcionalizada de grupos relacionados con el tamaño de poro y la rugosidad de la superficie generalmente son determinantes primarios de la capacidad de adsorción.

La capacidad de adsorción de seis compuestos diferentes de ZnO irradiado modificado (PVC/HDPE) para la eliminación de seis tipos de aceites.

Por otro lado, se debe considerar la densidad del petróleo removido y el número API (el número del Instituto Americano del Petróleo se usa para identificar los pozos de petróleo y gas). El efecto del API sobre el potencial de adsorción del petróleo fue en relación inversa. Como se muestra en la Fig. 9, se observó que la capacidad de adsorción porcentual de los aceites aumenta en proporción directa con una disminución en el valor API y en una proporcionalidad inversa con sitios poco funcionalizados en muestras de ZnO modificadas (PVC/HDPE) debido a la presencia de grupos funcionales encontrado en aceites crudos55. Según la literatura previa, los crudos tienen otros grupos que contienen –C=C–, C=O y OH con exceso de azufre y nitrógeno56. Para el aceite de ricino, la muestra adsorbente de (PVC/HDPE)/ZnO irradiada a 25 kGy en medio acuoso aumentó del 73 al 157 % en comparación con la muestra en blanco irradiada a 25 kGy. Como se muestra en la Fig. 9, se observó que la absorción de adsorción cambiaba según el tipo de adsorbente. A medida que aumentaban los sitios funcionalizados en la superficie de las muestras irradiadas a 25 kGy en agua y soluciones de NaSi, la absorción de aceite por adsorción aumentaba constantemente. La absorción por adsorción de aceite de motor aumentó del 26 %, 56 %, 64 %, 73 % y 75 % para muestras irradiadas modificadas en aire, cera, aceite de Si, agua y NaSi. La mayor capacidad de adsorción de los aceites se observó en muestras funcionalizadas por grupos C=O. La disponibilidad de los sitios de grupos funcionales en la superficie adsorbida mejoró la capacidad de eliminación de aceite. Los resultados sugieren que la caracterización superficial del (PVC/HDPE)/ZnO puede modificarse para mejorar el potencial de adsorción de aceite.

La figura 10 muestra la conductividad AC de (PVC/HDPE)/ZnO, que varió en el mismo comportamiento independientemente de la modificación de la superficie y del tipo de formación del grupo funcional. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el umbral de percolación de cada muestra depende de la condición de radiación gamma en diferentes soluciones. La Figura 10 muestra que la conductividad más baja de las muestras no irradiadas de (PVC/HDPE)/ZnO pareció aumentar dos veces después de la irradiación a 25 kGy. Esto se debe al defecto inducido por la radiación gamma por el desplazamiento del átomo que aumentó la transición de electrones después de la formación de agujeros. Además, la deshidrocloración de las moléculas de PVC provocada por la radiación gamma puede dar como resultado la formación de dobles enlaces conjugados. A lo largo de estas conjugaciones, los electrones se vuelven móviles. En consecuencia, la movilidad de los electrones contribuye a la conductividad general del material57,58.

La conductividad AC de la superficie modificada (PVC/HDPE)/ZnO.

Por otro lado, las dos muestras irradiadas de (PVC/HDPE)/ZnO en agua y soluciones de NaSi tenían valores de conductividad más altos para la misma frecuencia dada. Esto se debe a la formación de nuevos grupos de funciones en la superficie modificada detectada por los datos FTIR. Los grupos funcionales pueden servir como matriz anfitriona para la transición de electrones.

Para simular la distribución del campo eléctrico en cables de MT, utilice COMSOL Multiphysics. La distribución de los campos eléctricos dentro de la muestra no irradiada de (PVC/HDPE)ZnO se muestra en la Fig. 11. La distribución del campo eléctrico dentro de la muestra no es uniforme a 1 mm de longitud de arco. La distribución del campo eléctrico para la irradiación (PVC/HDPE)ZnO/agua se está volviendo uniforme y disminuye constantemente desde el interior hacia el exterior, como se muestra en la Fig. 12. Esto se debe a la capacidad de los nuevos grupos de funciones C=O para mantener una distribución uniforme. campo eléctrico mientras se reduce la tensión electrostática.

Distribución de campo eléctrico en media tensión de (PVC/HDPE)ZnO no irradiado.

Distribución de campo eléctrico en cables de media tensión de agua (PVC/HDPE)ZnO irradiada.

El ZnO se irradió a una dosis de 25 kGy para mejorar sus propiedades fisicoquímicas. El espectro Vis-UV de ZnO muestra un pico de absorción a una longitud de onda de 373 nm que se desplazó ligeramente al rojo a 375 nm para una muestra irradiada de ZnO a una dosis de 25 kGy debido al defecto de la estructura cristalina por la vacante de oxígeno durante las radiaciones gamma.

Este crecimiento del sitio del defecto conduce a una disminución de las brechas de energía de 3,8 a 2,08 eV.

El ángulo de contacto de la muestra irradiada aumenta de 54,36° a 65,25° en comparación con la muestra en blanco.

Se investigó la modificación superficial del (PVC/HDPE)ZnO con tratamiento de radiación gamma.

El proceso de irradiación gamma a una dosis de 25 kGy se realizó en cuatro medios diferentes como (cera de parafina, aceite de Si, NaSi y agua) para mejorar la superficie de un grupo funcionalizado de muestras de PVC/HDPE)ZnO.

Los espectros FTIR revelaron un cambio químico en la superficie de (PVC/HDPE)ZnO después del tratamiento con radiación gamma en agua y NaSi.

Los picos de C=O aparecieron en el FTIR esperado, lo que confirma la alteración de la superficie de la muestra.

La superficie de la muestra de (PVC/HDPE)ZnO mejora su capacidad de eliminación de aceite en comparación con las muestras en blanco.

La absorción por adsorción de aceite de motor aumentó del 26 %, 56 %, 64 %, 73 % y 75 % para muestras irradiadas modificadas en aire, cera, aceite de Si, agua y NaSi.

La mayor capacidad de adsorción de los aceites se observó en muestras funcionalizadas por grupos C=O.

Según COMSOL Multiphysics, la muestra de ZnO (PVC/HDPE) irradiado en agua muestra una distribución uniforme del campo eléctrico en el cable de media tensión (22.000 v).

El trabajo futuro de la muestra de ZnO (PVC/HDPE) modificada en la superficie se puede expandir al uso de (PVC/HDPE)ZnO en función de su conductividad de CA que fue una mejora.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Departamento de Investigación de Radiación de Química de Polímeros, Centro Nacional de Investigación y Tecnología de Radiación (NCRRT), Autoridad de Energía Atómica de Egipto (EAEA), El Cairo, Egipto

Mohamed Mohamady Ghobashy y Ahmed M. Elbarbary

Facultad de Ingeniería, Universidad de Zagazig, Zagazig, Egipto

Amal. F. Abd El-Gawad, MA Farahat y MI Ismail

Departamento de Aceleradores y Estado Sólido, Centro Nacional de Investigación y Tecnología de la Radiación (NCRRT), Autoridad de Energía Atómica de Egipto (EAEA), El Cairo, Egipto

SA Fayek y AI Sharshir

Facultad de Computación e Informática, Universidad Zagazig, Zagazig, Egipto

Amal. F.Abd El-Gawad

Facultad de Ingeniería, Egipto Universidad de Informática, El Cairo, Egipto

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Todos los autores contribuyeron sustancialmente a la concepción y diseño del trabajo y al análisis e interpretación de los datos. Todos los autores contribuyeron a las revisiones y aprobaron el borrador final. Todos los autores aceptan ser responsables de todos los aspectos del trabajo para garantizar que cualquier pregunta relacionada con la precisión o integridad de cualquier parte del trabajo se investigue y resuelva adecuadamente. Contribuciones individuales específicas además de las anteriores: AIS dirigió la redacción del documento y contribuyó a la extracción de datos. SAF contribuyó a la búsqueda bibliográfica y la extracción de datos. AFAE-G. contribuido a la búsqueda de literatura y secciones de redacción del manuscrito. MAF y MII contribuyeron a la extracción de datos, redacción de datos y preparación de figuras y tablas. AME contribuyó a la medición de FTIR. MMG contribuyó a resolver los resultados de la extracción de datos y la Introducción y la redacción de datos. El autor principal (AIS, garante del manuscrito) afirma que el manuscrito es un relato honesto, preciso y transparente del estudio que se informa. No se han omitido aspectos importantes del estudio; y que se hayan explicado todas las discrepancias del estudio planificado (y, si corresponde, registrado).

Correspondencia a AI Sharshir.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ghobashy, MM, F. Abd El-Gawad, A., A. Fayek, S. et al. Modificación superficial inducida por irradiación gamma de nanocompuestos (PVC/HDPE)/ZnO para mejorar la remoción de aceite y la conductividad usando COMSOL multifísica. Informe científico 13, 7514 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34583-0

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Recibido: 04 noviembre 2022

Aceptado: 03 mayo 2023

Publicado: 09 mayo 2023

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

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