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

413 アクセス

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。

油水分離は科学研究にとって重要な研究テーマであり、環境、経済、社会に関係します。 一方で、今日世界で最も蔓延している汚染は、鉄鋼、アルミニウム、食品、繊維、皮革、石油化学、金属仕上げなどの産業から発生する油性廃水です。 一方で、頻繁に発生する油漏れ事故は、その排出により多大なエネルギー損失や壊滅的な環境悪化を引き起こす可能性があるため、非常に懸念されています。 さらに、燃料油は少量でも輸送の安全を脅かす可能性があるため、自動車、船舶、航空業界では燃料油から水を排除することが不可欠です。 これらの巨大な障害に対処するために、科学者は油と水の分離のための新しい方法と材料を作成することに一貫して焦点を当ててきました。 現在、重力分離、遠心分離、超音波分離、空気浮選、電場、凝固、生物学的処理などの多くの一般的な分離技術が使用されています。 これらの方法は、物理的、化学的、生物学的技術を慎重に統合することにより、ほとんどの分離要件に対応できます。 超疎水性、高い表面積、化学的不活性性、低密度、リサイクル性、および選択性により、膜ベースのカーボン ナノチューブは、Parangusan らによって流出油浄化用に開発されました 32。 カーボンナノチューブを添加すると、トンネリング距離の減少により絶縁体から半導体に突然転移し、ポリマー複合材料の導電率が大幅に向上します33、34、35。

ガンマ線照射を使用して、ZnO ナノ粒子が埋め込まれた PVC/HDPE からなる高分散ポリマーベースのナノ複合材料を調製することは、現在の研究の主な目的の 1 つです。 ガンマ線が ZnO ナノ粒子の物理化学的特性にどのような影響を与えるかについて研究が行われています。 効果的な流出油の分離という緊急対応のニーズを満たすために、さまざまな媒体（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）でサンプルを照射することによって混合表面の疎水性を高める方法も検討されました。 現在の研究の新規性は、油の除去と表面改質による中電圧ケーブル内の電界分布の均一化という二重の機能として機能する、(PVC/導電性 HDPE)/ZnO 特性のナノ複合材料ブレンドが開発されたことです。

ポリ塩化ビニル (PVC) はエジプトの Misrelhegaz 社から供給され、高密度ポリエチレン (HDPE) はサウジアラビアの Sabic 社から、表 1 の技術データ概要とともに市場から供給され、さらに精製することなく使用されました。 ケイ酸ナトリウム溶液（Na2OxSiO2）MW 184〜254、パラフィンワックス（CnH2n+2 融点：50〜57℃）、シリコンオイル（Xiameter PMX-200 Silicone）などの薬品は市場から供給され、そのまま使用しました。

二軸押出機（ＣＴＷ１００Ｐ；Ｈａａｋｅ Ｐｏｌｙ ｌａｂ Ｒｈｅｏｍｉｘ、ドイツ）を使用して、ポリ塩化ビニルをＨＤＰＥと比（３０／７０）ｗｔ／ｗｔ％で溶融混合した。 ＺｎＯの含有量は５重量％であり、ＰＶＣとＨＤＰＥの溶融ブレンドに添加し、押出機内の回転スクリュー速度は１２０ｒｐｍであった。 二軸押出機から得られた押出物を 170 °C で 7 分間 2 ロール粉砕し (Lab Tech Engineering Co.、タイ、バンコク)、その後ホットプレス (Lab Tech Engineering Co.、タイ、バンコク) で圧縮成形しました。 170℃、150kg/cm2の圧力で4分間。 成形された (PVC/HDPE)/ZnO 複合材料は、さらなる実験評価のために試験片に切断されました。

典型的な実験では、従来のゾルゲルプロセスを使用して ZnO ナノ粒子を作成しました。 亜鉛塩の溶液Ａは、２０．１９６ｇ（０．１０モル）の酢酸亜鉛を６００ｍＬの水／エタノール（８０／２０ｖ／ｖ％比）に溶解し、それを室温で６０分間撹拌することによって作成した。 シュウ酸無水物 0.20 mol の溶液は、2.520 g を水/エタノール 800 mL (比率 80/20 v/v%) に溶解することによって得られ、50 °C の温度で 60 分間撹拌して溶液 B を作成しました。溶液Ｂを滴下しながら、Ａを１時間絶えず混合した。 白色のゾルが得られ、熟成してゲルを作成し、その後 100 °C で 24 時間乾燥させました。 ZnO は、600 °C で 3 時間の焼成温度での熱処理を使用して最終的に生成されました。

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) での放射線誘起表面改質のもう 1 つの利点は、表面改質のみを与える光およびプラズマ開始とは異なり、表面から主鎖ポリマーのバルクに至るまでの範囲に合わせた改質が可能であることです。 。 改質プロセスにより、(PVC/HDPE)/ZnO サンプルの親水性または疎水性、あるいは導電性を改善したり、油の吸着性を改善したりできます。 照射済み (PVC/HDPE)/ZnO サンプルのシートをストリップサンプルに切断し、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) 中で 25 kGy のγ線を再照射します。 照射プロセスは周囲条件下で実行され、Co-60 線源を使用して 0.67 kGy/h の線量率が維持されます (照射は NCRR、AEAE で実行されます)。

紫外 (UV) 可視分光光度計 (Ultraviolet-3600、Schimadzu) を使用して、200 ～ 500 nm の走査範囲で合成 ZnO と照射 ZnO のバンド ギャブの特性を監視しました。 フーリエ変換赤外分光法 (FTIR/ATR) (ATR-FTIR) Vertex 70 (Bruker Optik GmbH、エットリンゲン、ドイツ) は、表面改質 (PVC/HDPE)/ZnO ナノ複合材料の化学変化構造を取得するために使用される技術です。 粉末 X 線回折 (XRD) 技術には、XRD-7000 (Schimadzu、ドイツ) を使用しました。 Cukα 放射線 (λ = 1.5418 Å) による ZnO の結晶分析プロセス。 得られた変性（ＰＶＣ／ＨＤＰＥ）ＺｎＯサンプルのダンベル形状の機械的特性および引張特性を、ＡＳＴＭ Ｄ６３８（モデル５５６９）に基づいてイントロン機械試験機を使用して測定した。 (PVC/HDPE)ZnO サンプルの表面形態は、英国の ZEISS EVO 15 SEM の走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して検査されました。 合成された ZnO と照射された ZnO の接触角は、KRÜSS EasyDrop DSA20 機器によって水平面上で測定されました。 AC 導電率 σAC(ω) は、LCR ブリッジ モデル Hioki 3532 によって測定されました。これは、サンプル (PVC/HDPE)/ZnO および表面修飾されたサンプルのインピーダンス Z と、印加 AC 電圧と結果として生じる電流の間の位相角を測定するために使用されました。 (PVC/HDPE)/ZnO。 周波数は 0.00 ～ 500 Hz の範囲でした。 周囲温度での周波数による AC 伝導率の変化 (ln-ln) スケール。 インピーダンス Z、サンプル静電容量 Cp、および損失正接 Tanδ は、プログラム可能な自動 3532 LCR メーターを使用して測定されました。 抵抗 R は、ブリッジのスクリーンから取得したすべての静電容量値 Cp と平行でした。 配電システムにおける COMSOL マルチフィジックス ソフトウェア V5.2 のモジュールは、地下中電圧ケーブル (XLPE) を使用します。 分析テストの動作層は、半径 3.5 mm の銅導体、内側の半導体 4.5 mm、XLPE 絶縁 10.5 mm、外側の半導体 11.25 mm です。 すべての半径は銅の導体の中央から推定されています。 物理特性: 有限要素法を使用した AC/DC 銅線、メッシュ処理: より細かく、コンピューター RAM: 8 GB。 COMSOL ソフトウェアでの溶液処理の相対許容誤差は、(PVC/HDPE)/ZnO では 0 kGy で 2.147、25 kGy では 2.22 です。

25 kGyの線量で未照射および照射したZnOの2つのサンプルのナノ粒子粉末の光学特性を図1に示します。Vis-UVスペクトルは、波長242 nm、271 nmでZnO (0 kGy)の特徴的な吸収ピークを示します。 373 nm は、価電子帯から伝導帯への電子遷移 (O2 → Zn3d) による ZnO-NP の固有のバンドギャップ吸収に起因すると考えられます 36。ZnO-NP の吸収スペクトルは、狭いナノ幅であることも示唆しています。サイズ粒子分布。 ZnO NP のバンドギャップ エネルギーは、次の式に従って推定できます。

ここで、板の定数 (h) は (6.626 × 10−34 J s)、光の速度 (c) は (3 × 108 ms−1)、λ (373 nm) は波長です。 ZnO NP のバンドギャップ エネルギーは 3.8 eV と計算されました。

(a) 0 kGy および (b) 25 kGy の線量における未照射および照射済みの ZnO NP の光学特性。

25 kGy の照射線量の後、波長 373 nm での ZnO NP の特徴的な吸収ピークは、375 nm の吸収極大と比較してわずかに赤方偏移しました。 これは、ガンマ線照射時の酸素欠損による結晶構造の欠陥によるものと考えられます。 この欠陥サイトの成長により、エネルギーギャップが減少し、25 kGy の照射線量で 3.8 eV から 2.08 eV になります。 欠陥状態の発生は、ZnO 膜の圧縮応力の減少によって引き起こされる可能性があります。 照射された ZnO の圧縮応力の減少は、よく整列した ZnO 六方晶系ナノ粒子に起因すると考えられます 37。

図 2 は、25 kGy での未照射および照射後の ZnO ナノ粒子の XRD 分析を示しています。 XRD 曲線は、2θ = 31.57°、34.13°、36.00°、47.57°、56.45°、62.72°、および 67.70°に位置する 7 つの強度ピークを示しており、38 に従って ZnO NP の六方晶系ウルツ鉱構造が確認されています。 ガンマ線照射後、31.57°、34.13°、36.00°の2θは31.66°、34.31°、36.15°にシフトしました。 また、d 間隔も (2.831、2.617、2.489) Å から (2.823、2.611、2.482) Å にそれぞれ減少しました。 ガンマ線照射後の d 間隔の減少は、金属酸化物の欠陥と原子置換現象により予想されます 39,40。

未照射および25 kGyの線量で照射したZnOナノ粒子のXRD分析。

ZnOの接触角に対する25 kGyの線量でのガンマ線照射の影響を調査しました。 図 3 は、水滴の接触角を測定することにより、未照射および照射済みの ZnO ナノ粒子の濡れ性特性を示しています。 照射されたサンプルの接触角は、ブランクサンプルと比較して 54.36° から 65.25° に増加しました。 照射されたサンプルの接触角の増加は、バンド ギャブ データ分析と XRD データ分析によって確認されたように、ZnO 配向の増加とよく整列した ZnO 六方晶系ナノ粒子によるものです。

線量 25 kGy での未照射および照射後の ZnO ナノ粒子の接触角を示します。

図 4 は、ZnO ナノ粒子の 2 つの照射線量 (0 ～ 25) kGy における交流導電率の変化を ln 周波数の関数として示しています。 2 つのサンプルは、測定周波数の全範囲にわたって異なる値を持つ異なる AC 導電率位相を示すことが観察されます。 照射されたサンプルの Ac 導電率は、未照射のサンプルよりも高くなります。 ZnO の結晶構造上の欠陥の増加の可能性と ZnO 粒子間の伝導ルートの拡大は、AC 伝導率の増加に関連しています。 バルク導電率は、より多くの電荷キャリアがトンネリングによって「ジャンプ」できるため上昇する可能性があり、またガンマ線照射にさらされると上昇します 41,42。 表 2 は、照射済みおよび未照射の ZnO サンプルの物理化学的特性の主な変化を概説しています。

25 kGy での未照射および照射後の ZnO ナノ粒子の AC 導電率を示します。

5% ZnO と PVC/HDPE 混合物の SEM 画像を図 5a に示します。 ZnO ナノ複合材料の添加により、サンプルの表面がより粗くなったことは明らかです。 これは、サンプル表面への油の吸着を高めるのに役立ちます。 同じ結果は、Dai ら、Haq らによって得られた結果と一致しました。 およびBarroso-Solaresら。 Dai ら 43 は、ポリ（乳酸）（PLA）繊維の表面粗さは、（ZIF-8）の金属骨格中の Zn2+ の含有量を増やすことで制御できることを発見しました。 (PLA/ZIF-8) 繊維表面の粗さが大きいため、油の吸着が促進されます。 Haq et al.44 が調製した油吸着性樹脂系には、さまざまなナノクレイ量を含む (不飽和ポリエステル + エポキシ化大豆油 + ナノクレイ) が含まれています。 彼と共著者は明らかに、ナノクレイの添加により表面の粗さが増大することを明らかにしている。 Barroso-Solares ら 45 は、2 つのポリマー、ポリ（メタクリル酸メチル）（PMMA）とポリカプロラクトン（PCL）の重量比 70/30、50/50、および 30/70 に 1 wt% の酸化ケイ素ヒュームドナノ粒子。 50/50 PMMA/PCL サンプルは、油吸収能力、油選択性、および機械的特性の間で最も有望な妥協点を示していることが注目されました。これは、他の繊維と比較して 50/50 PMMA/PCL 繊維の粗さが増加しているためです。 2 つのサンプル (70/30 および 30/70)。 図 5b は、ZnO の主要元素として Zn と O、および (PVC/HDPE) ZnO ナノ複合材料の場合は (PVC/HDPE) ブレンドからの C と Cl の元素 EDX マッピングによって得られた ZnO ナノ粒子の分布に関するより良い証拠を示しています。 これら 2 つの元素 (Zn と O) は、PVC/HDPE マトリックスで確認された表面に十分に分布して存在します。 EDX/マッピング分析では、他の微量元素の証拠は得られませんでした。

(PVC/HDPE)ZnO ナノ複合材料の SEM (a) および EDX/マッピング (b)。

得られた (PVC/HDPE) ZnO の相溶性ブレンドに、油/水の分離に使用するブレンド表面の疎水性修飾の効率的な方法として、さまざまな媒体 (パラフィン ワックス、シリコン オイル、ケイ酸ナトリウム、水) で照射しました。 表面改質とは、ブランクサンプルとは異なる化学的および物理的特性をもたらすことによって、(PVC/HDPE) ZnO ブレンドの表面を改質することです。 表面改質 (PVC/HDPE) ZnO ブレンドの物理化学的特性は、FTIR、機械的特性、XRD などの他の特性を使用して実行されました。 FTIR分光法を使用した(PVC/HDPE)ZnOブレンドフィルムの表面改質の化学構造を図6に示します。2918cm-1と623cm-1に位置する2つのFTIRピークは、C-HおよびCの特徴的なピークです。それぞれPVC分子の-Cl結合。 1290 cm-1 のピークは、ポリエチレン分子のトランス CH3 に起因すると考えられます 46。 Ｃ＝Ｏ基に起因する１７２３ｃｍ−１のピークが、未照射（ＰＶＣ／ＨＤＰＥ）ＺｎＯサンプルおよびケイ酸ナトリウムおよび水媒体での照射サンプルで観察された。 一方、(PVC/HDPE) ZnO サンプルをパラフィンワックスとシリコンオイル中で照射した場合、C=O 基は完全に消失しました。 1290cm-1のピーク強度は、1250cm-147、48、49でのSi-CH3の形成により、シリコンオイルおよびケイ酸ナトリウム媒体で照射されたサンプルの場合に増加した。

PVC/HDPE の FTIR スペクトル (a) 未照射、(b) 25 kGy 照射、(c) パラフィンワックス中、(d) シリコンオイル中、(e) ケイ酸ナトリウム中、(f) 水中。

図 7 は、ブランクと 25 kGy の線量で照射された (PVC/HDPE) の改質表面の X 線回折 (XRD) パターンを示しています。 (PVC/HDPE)/ZnO の表面改質のため、図 7a、b の線量 0 kGy および 25 kGy の (PVC/HDPE) サンプルでは、​​ZnO の XRD ピークが明確ではないことに注意してください。これにより、図7c〜fのサンプルの大部分と同様に、プラスチックシートの表面にナノ粒子が集中します。 HDPE の特徴的な XRD ピークは約 21° と 23° に位置しており、それぞれ (110) と (200) 反射面の斜方晶系単位格子の典型的な半結晶質の性質に対応します 50、51、52。 図 7 は、すべての改質 (PVC/HDPE) サンプルで面 (110) の回折ピークがほぼ変化していることを確認しています。 これは、変更されたサーフェスが HDPE53 の平面 (110) 上に配置されることを意味します。 また、図 7 は、14° ～ 24° の範囲の非常に幅広い PVC の XRD ピークを示しています。 これは、PVC が非晶質であることを示しています54。 また、図7のXRDは、2∂ = 31.45°、34.22°、35.96°、42.42°、47.31°、56.26°、62.72°、67.70°、67.84°、68.96°、および72.45°に位置するZnOナノ粒子のXRDパターンを表しています。 °は結晶面 100、002、101、102、110、103、200、112、201、004、202 からの反射に対応します。これにより、純粋な六方晶系ウルツ鉱相での ZnO の形成が確実になります 38。

(PVC/HDPE)ZnO ブレンドの (a) 未照射、(b) 照射 (25 kGy)、(c) パラフィンワックス中、(d) シリコンオイル、(e) ケイ酸ナトリウム、および (f) 水の XRD スペクトル。

図 8 の棒グラフから、未照射 (PVC/HDPE)ZnO ブレンドの力 (N)、伸び (mm)、およびヤング率 (MPa) が、すべての照射済み (PVC/HDPE)ZnO ブレンドよりもはるかに大きいことがわかります。サンプルをブレンドします。 ブランク (PVC/HDPE)ZnO (0 kGy) および (25 kGy) のヤング率と力は、それぞれ 51.7 MPa、193.66 N および 24.22 MPa、104.3 N でした。 ガンマ線照射後、ガンマ線照射によって誘発されたブレンド内の原子結合の欠陥状態により、ヤング率と力が減少することが観察されました。 一方、ヤング率と力は、表面処理後のすべての処理サンプルで減少することが観察されました。 これらの結果は、表面改質が表面の化学構造の変化に寄与したことを正当化します。 機械的特性の低下は、ブレンド鎖のバルクと表面の間の界面結合が低いことが原因である可能性があります。 処理されたブレンドチェーンのバルクと表面の間の強力な界面結合により、ブランクサンプルと比較して伸びが増加する可能性があります。 さらに、Na-Si でガンマ線照射処理された (PVC/HDPE)ZnO ブレンドの機械的特性は、他の処理された (PVC/HDPE)ZnO ブレンドサンプルよりも高いヤング率と力値を示します。 これは、より硬い物理的結合効果と、(PVC/HDPE)ZnO ブレンド表面上での弱い結合の形成に起因すると考えられます。

力、伸び、ヤング率に関する機械的特性の比較。

表面現象により油が表面に吸着します。 その結果、吸着剤は広大な表面積を持ち、そのほとんどは高多孔質材料の巨大な細孔と毛細管を取り囲む内面です。 図9に示すように、(PVC/HDPE)/ZnOの油吸着力は照射後に減少します。 最も大きな理由の 1 つは、ガンマ線照射による架橋反応により、多孔質吸着剤が小さくなり、効率的に吸着する能力が低下することです。 表面改質後、4 つの改質 (PVC/HDPE)/ZnO は 6 種類の異なる油に対して幅広い吸着能力を示します。 吸着剤の性能特性は、表面の化学組成や表面疎水性などの粒子内特性に大きく関係します。 一般に、修飾サンプルの疎水性表面積と、細孔サイズおよび表面粗さに関する基の官能化分布が、吸着能力の主な決定要因となります。

6 種類の油を除去するための 6 つの異なる改質照射 (PVC/HDPE) ZnO 複合材料の吸着能力。

一方、除去油の密度と API 番号 (米国石油協会の番号は油井とガス井を識別するために使用されます) を考慮する必要があります。 石油の吸着能に対する API の影響は逆相関関係にあった。 図 9 に示すように、オイルの吸着容量のパーセンテージは、API 値の減少に正比例して増加し、官能基の存在による修飾 (PVC/HDPE)ZnO サンプルの官能化部位が少ない場合には反比例して増加することが観察されました。原油中に含まれている55。 以前の文献によると、原油には、過剰な硫黄と窒素を含む –C=C-、C=O、OH を含む他の基が存在します56。 ヒマシ油の場合、水媒体中で 25 kGy で照射した (PVC/HDPE)/ZnO の吸着剤サンプルは、25 kGy で照射したブランク サンプルと比較して 73 から 157% 増加しました。 図9に示すように、吸着剤の種類により吸着量が異なることが観察されました。 水および NaSi 溶液中で 25 kGy で照射されたサンプルから表面の官能化部位が増加するにつれて、油の吸着取り込みは一貫して増加しました。 モーターオイルの吸着量は、空気、ワックス、Si オイル、水、NaSi 中での改質照射サンプルでは 26%、56%、64%、73%、75% と増加しました。 油の最も高い吸着能力は、C=O 基で官能化されたサンプルで観察されました。 吸着表面上の官能基部位の利用可能性により、油除去能力が強化されました。 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。

図 10 は、(PVC/HDPE)/ZnO の AC 導電率を示しています。これは、表面修飾および官能基形成の種類に関係なく、同じ挙動で変化しました。 ただし、各サンプルのパーコレーション閾値は、異なる溶液のガンマ線照射条件に依存することに注意してください。 図 10 は、(PVC/HDPE)/ZnO の未照射サンプルの最も低い導電率が、25 kGy での照射後に 2 倍増加したことを示しています。 これは、正孔形成後の電子遷移を増加させる原子移動によるガンマ線照射誘発欠陥によるものです。 さらに、ガンマ線照射によって PVC 分子が脱塩酸されると、共役二重結合が形成される場合があります。 これらの共役を通じて、電子は移動可能になります。 その結果、電子の移動度は材料全体の導電率に寄与します57,58。

表面改質 (PVC/HDPE)/ZnO の AC 導電率。

一方、水および NaSi 溶液中の (PVC/HDPE)/ZnO の 2 つの照射サンプルは、同じ周波数でより高い導電率値を示しました。 これは、FTIR データによって検出された改質表面に新しい官能基が形成されるためです。 官能基は電子遷移のホストマトリックスとして機能します。

MV ケーブル内の電界分布をシミュレーションするには、COMSOL Multiphysics を利用します。 (PVC/HDPE)ZnO の未照射サンプル内の電界分布を図 11 に示します。サンプル内の電界分布はアーク長 1 mm では均一ではありません。 図 12 に示すように、照射 (PVC/HDPE)ZnO/水の電場分布は均一になり、内部から外部に向かって着実に減少します。これは、新しい C=O 官能基が均一な電場を維持する能力によるものです。静電張力を低下させながら電場を軽減します。

未照射 (PVC/HDPE)ZnO の中電圧での電界分布。

照射された (PVC/HDPE)ZnO 水の中電圧ケーブル内の電界分布。

ZnO は、物理化学的特性を改善するために 25 kGy の線量で照射されました。ZnO の Vis-UV スペクトルは、373 nm の波長で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。ガンマ線照射時の酸素空孔による結晶構造の欠陥により、25 kGy。

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。

照射されたサンプルの接触角は、ブランクサンプルと比較して 54.36° から 65.25° に増加しました。

ガンマ線照射処理による (PVC/HDPE)ZnO の表面改質を調査しました。

線量 25 kGy のガンマ線照射プロセスは、PVC/HDPE)ZnO サンプルの官能化基によって表面を改善するために、(パラフィン ワックス、シリコン オイル、NaSi、水) などの 4 つの異なる媒体で実行されました。

FTIR スペクトルにより、水および NaSi 中でのガンマ線照射処理後の (PVC/HDPE)ZnO 表面の化学変化が明らかになりました。

C=O ピークが予想された FTIR に現れ、サンプル表面の変化が確認されました。

(PVC/HDPE)ZnO サンプルの表面は、ブランク サンプルと比較して油除去能力を高めます。

モーターオイルの吸着量は、空気、ワックス、Si オイル、水、NaSi 中での改質照射サンプルでは 26%、56%、64%、73%、75% と増加しました。

油の最も高い吸着能力は、C=O 基で官能化されたサンプルで観察されました。

COMSOL Multiphysics によると、水中で照射された (PVC/HDPE)ZnO サンプルは、中電圧ケーブル (22,000 v) 内で均一な電場分布を示します。

表面改質された (PVC/HDPE)ZnO サンプルの将来の研究は、強化された AC 導電率に基づいて (PVC/HDPE)ZnO の使用を拡張することができます。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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科学技術イノベーション資金庁 (STDF) がエジプト知識銀行 (EKB) と協力して提供するオープンアクセス資金。 この研究は、科学技術イノベーション資金庁 (STDF) のプロジェクト番号 46339 によって資金提供されています。

エジプト原子力庁 (EAEA)、国立放射線研究技術センター (NCRRT)、高分子化学部門の放射線研究 (エジプト、カイロ)

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アマル。 F. アブド・エル・ガワド、MA ファラハット、MI イスマイル

エジプト原子力庁 (EAEA)、国立放射線研究技術センター (NCRRT)、固体および加速器部門、エジプト、カイロ

SAファイエク＆AIシャルシール

ザガジグ大学コンピュータ情報学部、ザガジグ、エジプト

アマル。 F.アブド・エル・ガワド

エジプト工学部、カイロ、エジプト情報大学

MI イスマイル

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すべての著者は、作品の構想と設計、およびデータの分析と解釈に多大な貢献をしました。 すべての著者が改訂に貢献し、最終草案を承認しました。 すべての著者は、作品のあらゆる部分の正確性または完全性に関連する疑問が適切に調査され、解決されることを保証するために、作品のあらゆる側面に対して責任を負うことに同意します。 上記に加え、具体的な個人の貢献: AIS は論文の起草を主導し、データ抽出に貢献しました。 SAF は文献検索とデータ抽出に貢献しました。 AFAE-G. 文献検索と原稿の草稿セクションに貢献しました。 MAF と MII は、データの抽出、データの書き込み、図と表の作成に貢献しました。 AMEはFTIR測定に貢献しました。 MMG は、データ抽出の結果と、導入とデータの書き込みの解決に貢献しました。 筆頭著者（AIS、原稿の保証人）は、この原稿が報告されている研究についての正直で正確かつ透明な説明であることを断言します。 研究の重要な側面は省略されていません。 そして、計画どおり（および関連する場合は記録された）研究との矛盾が説明されていること。

AIシャルシールへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Ghobashy、MM、F. Abd El-Gawad、A.、A. Fayek、S. 他 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。 Sci Rep 13、7514 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34583-0

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受信日: 2022 年 11 月 4 日

受理日: 2023 年 5 月 3 日

公開日: 2023 年 5 月 9 日

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

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