Modification de surface induite par irradiation gamma d'un nanocomposite (PVC/HDPE)/ZnO pour améliorer l'élimination de l'huile et la conductivité à l'aide de COMSOL multiphysics

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7514 (2023) Citer cet article

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Un film nanocomposite mélangé a été préparé en chargeant du ZnO irradié dans des rapports de (5 % en poids) à l'intérieur de la matrice PVC/PEHD à l'aide d'une technique d'extrudeuse thermofusible. Les propriétés physiques et chimiques des échantillons de ZnO irradiés et non irradiés sont comparées. Le spectre Vis-UV du ZnO montre un pic d'absorption à une longueur d'onde de 373 nm légèrement décalé vers le rouge à 375 nm pour un échantillon irradié de ZnO à une dose de 25 kGy en raison du défaut de structure cristalline par la lacune d'oxygène lors des irradiations gamma. Cette croissance du site du défaut conduit à une diminution des écarts d'énergie de 3,8 à 2,08 eV. La conductivité AC de l'échantillon de ZnO a augmenté après le processus d'irradiation gamma (25 kGy). Les nanocomposites (PVC/PEHD)/ZnO ont été ré-irradiés par des rayons γ à 25 kGy en présence de quatre milieux différents (huile de silicium, silicate de sodium, cire de paraffine et eau). FTIR et XRD ont été effectués pour surveiller les changements de composition chimique. Le nouveau pic à 1 723 cm-1 attribué aux groupes C=O a été observé dans des échantillons de ZnO (PVC/HDPE) irradiés uniquement avec du silicate de sodium et de l'eau. Ce processus a induit de nouveaux groupes de fonctions à la surface de l'échantillon de mélange (PVC/HDPE)/ZnO. Ce travail vise à développer (PVC/HDPE)ZnO pour la séparation huile/eau. La capacité d'adsorption d'huile la plus élevée a été observée dans les échantillons fonctionnalisés par des groupes C = O basés sur les différentes huiles testées. Les résultats suggèrent que la caractérisation de surface du (PVC/HDPE)/ZnO peut être modifiée pour améliorer le potentiel d'adsorption d'huile. En outre, la dose d'irradiation gamma a considérablement amélioré la conductivité AC par rapport à l'échantillon non irradié. Selon COMSOL Multiphysics, l'échantillon irradié (PVC/HDPE)ZnO dans l'eau montre une distribution uniforme parfaite du champ électrique dans les câbles moyenne tension (22.000 V).

La production de polymères avec des propriétés physico-chimiques spécifiées combinées aux caractéristiques accordées par les modifications de surface est devenue possible grâce à la modification de surface fascinante et pratique des matériaux polymères1,2,3,4. Il existe différentes manières de modifier les propriétés des polymères, notamment le mélange, le greffage et le durcissement. Le mélange physique de deux polymères (ou plus) donne les caractéristiques souhaitées. Dans le procédé connu sous le nom de "greffage", les monomères sont liés de manière covalente (modifiés) à la chaîne polymère. En revanche, un mélange d'oligomères est polymérisé pendant le durcissement pour générer un revêtement physiquement attaché au substrat. Le greffage est une approche prometteuse pour ajouter des groupes fonctionnels uniques aux polymères afin de modifier leurs propriétés d'origine et d'élargir la gamme de leurs applications5,6.

Après le processus d'irradiation, certains atomes et groupes tels que les atomes d'hydrogène et les groupes carbone-hydrogène sont libérés des polymères, il y a un changement considérable dans la stoechiométrie du polymère. Si elles sont présentes dans les chaînes polymères, d'autres espèces atomiques (O, F, Cl, N, etc.) sont également expulsées7,8,9. Il est bien connu qu'après exposition aux rayonnements, les polymères perdent de l'hydrogène, ce qui a pour effet les propriétés physiques des polymères. La scission de chaîne produit des unités et une chaîne oligomère plus petites, une profusion de doubles liaisons et l'émergence de radicaux. Ces petites particules enrichies en carbone peuvent s'agréger en amas électriquement conducteurs en raison de leur attraction électrostatique9.

Les polymères mélangent les caractéristiques physiochimiques et la conductivité électrique peuvent être améliorées en ajoutant des nanocharges comme les nanoparticules de ZnO dans divers rapports10,11,12,13,14. Parangusan et al.15 ont étudié les propriétés piézoélectriques de nanofibres électrofilées fabriquées à partir d'hexafluoropropylène de fluorure de polyvinylidène pur (PVDF-HFP) et de PVDF-HFP/Co-ZnO. Il a été observé que les nanofibres PVDF-HFP et PVDF-HFP/2% en poids de Co-ZnO ont des constantes diélectriques de 8 et 38, respectivement. Ces résultats suggèrent que le nanocomposite rapporté peut créer des systèmes électriques flexibles, portables et auto-alimentés. Les polymères thermoplastiques tels que le nanocomposite de polyéthylène haute densité (PEHD) peuvent être renforcés avec des nanoplaquettes de graphite, des nanodiamants et des nanotubes de carbone pour improviser les propriétés rhéologiques, thermiques et mécaniques16,17,18,19. Dans le passé, la modification de la surface du PVC était réalisée par plasma, décharge corona, greffage chimique, décharge électrique, dépôt en phase vapeur de métal (MVD), traitement à la flamme ou modification chimique directe (oxydation, hydrolyse, etc.), et même certaines modifications physiques de la surface. Cette étude vise à augmenter l'hydrophilie du PVC dans du (PVC/HDPE)ZnO qui a été irradié avec des rayons Ɣ sur divers supports, y compris l'eau, la cire de paraffine, l'huile de silicone et les solutions de silicate de sodium. L'irradiation gamma présente plusieurs avantages par rapport aux autres techniques, notamment un pouvoir de pénétration élevé, un traitement rapide, une distribution de dose uniforme, la flexibilité du système et la possibilité d'être utilisée dans divers environnements20,21,22,23,24,25. L'irradiation gamma est une méthode écologique et la plus productive26,27,28,29,30,31. Cette étude vise également à augmenter l'hydrophilie du (PVC/HDPE) pour les applications de séparation huile/eau. Les applications de séparation huile-eau sont cruciales pour les processus industriels tels que ceux impliquant le pétrole, le travail des métaux, l'eau de cale des navires et l'industrie alimentaire, qui utilise des graisses, des huiles et des graisses, entre autres.

La séparation huile/eau est un sujet d'étude crucial pour la recherche scientifique et concerne l'environnement, l'économie et la société. D'une part, la pollution la plus répandue dans le monde aujourd'hui est les eaux usées huileuses produites par des industries telles que l'acier, l'aluminium, l'alimentation, le textile, le cuir, la pétrochimie et la finition des métaux. D'autre part, les fréquents accidents de fuite d'huile sont extrêmement préoccupants car la décharge peut entraîner une perte d'énergie importante et une dégradation catastrophique de l'environnement. De plus, étant donné que même une petite quantité de mazout pourrait compromettre la sécurité des transports, l'expulsion de l'eau du mazout est essentielle dans les industries des véhicules, des navires et de l'aviation. En réponse à ces énormes obstacles, les scientifiques se sont constamment concentrés sur la création de nouvelles méthodes et de nouveaux matériaux pour la séparation huile/eau. De nombreuses technologies de séparation courantes sont utilisées aujourd'hui, notamment la séparation par gravité, la centrifugation, la séparation par ultrasons, la flottation à l'air, le champ électrique, la coagulation et le traitement biologique. Ces méthodes peuvent répondre à la plupart des exigences de séparation en intégrant soigneusement des techniques physiques, chimiques et biologiques. En raison de leur superhydrophobicité, de leur grande surface, de leur inertie chimique, de leur faible densité, de leur recyclabilité et de leur sélectivité, les nanotubes de carbone à base de membranes ont été développés pour le nettoyage des déversements d'hydrocarbures par Parangusan et al.32. L'ajout de nanotubes de carbone améliore considérablement la conductivité électrique des composites polymères avec une transition soudaine d'un isolant à un semi-conducteur en raison de la diminution de la distance d'effet tunnel33,34,35.

La préparation de nanocomposites à base de polymères hautement dispersés constitués de PVC/HDPE incrustés de nanoparticules de ZnO à l'aide d'une irradiation gamma est l'un des principaux objectifs de la présente étude. Des recherches ont été menées sur la manière dont le rayonnement gamma affecte les caractéristiques physiochimiques des nanoparticules de ZnO. Pour répondre aux besoins d'intervention d'urgence d'une séparation efficace des déversements d'hydrocarbures, il a également été examiné comment augmenter l'hydrophobicité des surfaces mélangées en irradiant des échantillons dans divers milieux (eau, cire de paraffine, huile de silicone et solutions de silicate de sodium). La nouveauté de la recherche actuelle est le mélange nanocomposite développé de propriétés (PVC/conductivité HDPE)/ZnO pour agir comme double fonction d'élimination de l'huile et uniformiser la distribution du champ électrique dans les câbles moyenne tension par modification de surface.

le polychlorure de vinyle (PVC) a été fourni par la société Misrelhegaz, en Égypte, et le polyéthylène haute densité (HDPE) a été fourni par la société Sabic, en Arabie saoudite, avec les données techniques indiquées dans le tableau 1 du marché et utilisé sans autre purification. Des produits chimiques tels que des solutions de silicate de sodium (Na2OxSiO2) MW 184–254, de la cire de paraffine (CnH2n+2 point de fusion : 50–57 °C) et de l'huile de silicone (Xiameter PMX-200 Silicone) ont été fournis par le marché et utilisés tels quels.

Du chlorure de polyvinyle a été mélangé à l'état fondu avec du HDPE dans le rapport (30/70) % en poids/poids à l'aide d'une extrudeuse à double vis (CTW100P ; Haake Poly lab Rheomix, Allemagne). La teneur en ZnO était de 5 % en poids et l'ajout dans les mélanges fondus de PVC et de HDPE et la vitesse de rotation de la vis dans l'extrudeuse était de 120 tr/min. Les extrudats obtenus à partir de l'extrudeuse à double vis ont été broyés à deux rouleaux (Lab Tech Engineering Co., Bangkok, Thaïlande) à 170 ° C pendant 7 min avant moulage par compression avec une presse à chaud (Lab Tech Engineering Co., Bangkok, Thaïlande) à 170 ° C avec une pression de 150 kg / cm2 pendant 4 min. Le composite moulé (PVC/HDPE)/ZnO a été découpé en éprouvettes pour une évaluation expérimentale plus poussée.

Une expérience typique a créé des nanoparticules de ZnO en utilisant le procédé sol-gel traditionnel. La solution, A de sel de zing, a été créée en dissolvant 20,196 g (0,10 mol) d'acétate de zinc dans 600 mL d'eau/éthanol dans un rapport 80/20 v/v % et en l'agitant pendant 60 min à température ambiante. Une solution de 0,20 mol d'acide oxalique déshydraté a été obtenue en dissolvant 2,520 g dans 800 mL d'eau/éthanol dans un rapport 80/20 % v/v et agitée à une température de 50 °C pendant 60 min pour créer la solution B. La solution chaude A a été constamment mélangée pendant une heure tandis que la solution B était ajoutée goutte à goutte. Un sol blanc a été obtenu, vieilli pour créer un gel, puis séché pendant 24 h à 100 °C. Le ZnO a finalement été produit par traitement thermique à des températures de calcination de 600 °C pendant 3 h.

Un autre avantage de la modification de surface radio-induite dans quatre milieux différents (huile de silicium, cire de paraffine de silicate de sodium et eau) est qu'elle permet des modifications sur mesure allant de la surface à la masse des polymères du squelette, contrairement à l'initiation photo et plasma, qui n'apporte que des modifications de surface. Le procédé de modification peut améliorer l'hydrophilie ou l'hydrophobicité des échantillons de (PVC/HDPE)/ZnO ou leur conductivité ou modifier son adsorption d'huile. Des feuilles d'échantillons irradiés (PVC/HDPE)/ZnO sont découpées en bandes et ré-irradiées avec des rayons γ à 25 kGy dans quatre milieux différents (huile de silicone, cire de paraffine de silicate de sodium et eau). Le processus d'irradiation est effectué dans des conditions ambiantes et un débit de dose de 0,67 kGy/h est maintenu en utilisant une source Co-60 (l'irradiation est effectuée NCRR, AEAE).

Un spectrophotomètre ultraviolet (UV)-visible (Ultraviolet-3600, Schimadzu) a été utilisé pour surveiller la caractérisation de la bande gab du ZnO synthétisé et du ZnO irradié à une plage de balayage de 200 à 500 nm. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR/ATR) (ATR-FTIR) Vertex 70, Bruker Optik GmbH, Ettlingen, Allemagne est une technique utilisée pour obtenir la structure de changement chimique du nanocomposite modifié en surface (PVC/HDPE)/ZnO. La technique de diffraction des rayons X sur poudre (XRD) a utilisé le XRD-7000 (Schimadzu, Allemagne). Le procédé d'analyse cristalline du ZnO avec rayonnement Cukα (λ = 1,5418 Å). Les propriétés mécaniques et les caractéristiques de traction en forme d'haltères des échantillons de ZnO modifiés (PVC/HDPE) obtenus ont été mesurées à l'aide d'une machine d'essai mécanique Intron selon la norme ASTM D638 (modèle 5569). La morphologie de surface de l'échantillon de (PVC/HDPE) ZnO a été examinée à l'aide d'un microscope électronique à balayage (SEM) de ZEISS EVO 15 SEM, Royaume-Uni. L'angle de contact du ZnO synthétisé et du ZnO irradié a été mesuré sur une surface horizontale par un instrument KRÜSS EasyDrop DSA20. La conductivité AC σAC(ω) a été mesurée par le modèle de pont LCR Hioki 3532 qui a été utilisé pour mesurer l'impédance Z et l'angle de phase entre la tension AC appliquée et le courant résultant dans les échantillons d'échantillon (PVC/HDPE)/ZnO et surface modifiée (PVC/HDPE)/ZnO. La fréquence variait de 0,00 à 500 Hz. La variation de la conductivité AC avec une fréquence à température ambiante sur l'échelle (ln-ln). L'impédance Z, la capacité de l'échantillon Cp et la tangente de perte Tanδ ont été mesurées à l'aide d'un compteur LCR automatique programmable 3532. La résistance R était parallèle à toutes les valeurs de capacité Cp a été prélevée sur l'écran du pont. Le module du logiciel COMSOL multiphysique de V5.2 dans les réseaux de distribution est utilisé en câble moyenne tension souterrain (XLPE). La couche de travail dans le test d'analyse est un conducteur en cuivre avec un rayon de 3,5 mm, un semi-conducteur interne de 4,5 mm, une isolation XLPE de 10,5 mm et un semi-conducteur externe de 11,25 mm. Tous les rayons ont été estimés à partir du milieu du conducteur de cuivre. Les propriétés physiques : Cuivre AC/DC utilisant la méthode des éléments finis, traitement du maillage : plus fin et RAM de l'ordinateur : 8 Go. La tolérance relative dans le traitement de la solution dans le logiciel COMSOL est de 2,147 pour (PVC/HDPE)/ZnO à 0 kGy et de 2,22 à 25 kGy.

Les propriétés optiques de la poudre de nanoparticules de deux échantillons de ZnO non irradié et irradié à une dose de 25 kGy ont été représentées sur la Fig. 2 → Zn3d)36, Le spectre d'absorption des ZnO–NPs a également suggéré la distribution étroite des particules de taille nanométrique. L'énergie de la bande interdite des NP ZnO peut être estimée selon la formule

où la constante de planche (h) est (6,626 × 10−34 J s), la vitesse de la lumière (c) est (3 × 108 ms−1) et λ (373 nm) est la longueur d'onde. L'énergie de la bande interdite des NP ZnO a été calculée à 3,8 eV.

Les propriétés optiques des NP ZnO non irradiées et irradiées à une dose de (a) 0 kGy et (b) 25 kGy.

Après une dose d'irradiation de 25 kGy, le pic d'absorption caractéristique des NP de ZnO à la longueur d'onde de 373 nm était légèrement décalé vers le rouge par rapport au maximum d'absorption de 375 nm. Elle peut être due au défaut de structure cristalline par la lacune d'oxygène lors des irradiations gamma. Cette croissance du site du défaut conduit à une diminution des écarts d'énergie pour passer de 3,8 eV à 2,08 avec une dose d'irradiation de 25 kGy. Le développement de l'état de défaut pourrait être causé par la réduction de la contrainte de compression dans les films de ZnO. La contrainte de compression réduite du ZnO irradié peut être attribuée aux nanoparticules hexagonales de ZnO bien alignées37.

La figure 2 montre l'analyse XRD de nanoparticules de ZnO non irradiées et irradiées à 25 kGy. La courbe DRX montre 7 pics d'intensité situés à 2θ = 31,57°, 34,13°, 36,00°, 47,57°, 56,45°, 62,72° et 67,70°, confirmant la structure hexagonale wurtzite des NP ZnO selon38. Après irradiation gamma, les 2θ de 31,57°, 34,13°, 36,00° ont été décalés à 31,66°, 34,31°, 36,15°. De plus, l'espacement d a été réduit de (2,831, 2,617, 2,489) Å à (2,823, 2,611 et 2,482) Å, respectivement. La diminution de l'espacement d après irradiation gamma est attendue en raison du défaut d'oxyde métallique et des phénomènes de déplacement d'atomes39,40.

L'analyse XRD de nanoparticules de ZnO non irradiées et irradiées à la dose de 25 kGy.

L'effet de l'irradiation gamma à une dose de 25 kGy sur les angles de contact du ZnO a été étudié. La figure 3 montre le caractère de mouillabilité des nanoparticules de ZnO non irradiées et irradiées en mesurant les angles de contact de la goutte d'eau. L'angle de contact de l'échantillon irradié est augmenté de 54,36° à 65,25° par rapport à l'échantillon blanc. L'angle de contact accru de l'échantillon irradié est dû à l'augmentation de l'orientation du ZnO et aux nanoparticules hexagonales de ZnO bien alignées, comme l'ont confirmé l'analyse des données de bande gab et l'analyse des données XRD.

Montrer l'angle de contact des nanoparticules de ZnO non irradiées et irradiées à une dose de 25 kGy.

La figure 4 montre la variation de la conductivité AC en fonction de la fréquence ln à deux doses d'irradiation (0 à 25) kGy pour les nanoparticules de ZnO. On observe que les deux échantillons présentent des phases de conductivité AC différentes avec des valeurs différentes sur toute la gamme de fréquence mesurée. La conductivité Ac de l'échantillon irradié est supérieure à celle des échantillons non irradiés. L'augmentation possible des défauts sur la structure cristalline de ZnO et l'expansion des voies de conduction entre les particules de ZnO sont liées à la croissance de la conductivité AC. La conductivité globale peut augmenter en raison du fait que davantage de porteurs de charge peuvent "sauter" par effet tunnel, et elle augmente également avec l'irradiation gamma exposée41,42. Le tableau 2 décrit le principal changement dans les propriétés physicochimiques de l'échantillon de ZnO irradié et non irradié.

Montre la conductivité électrique AC de nanoparticules de ZnO non irradiées et irradiées à 25 kGy.

Les images SEM de 5% de ZnO et d'un mélange PVC / HDPE sont présentées à la Fig. 5a. Il est tout à fait clair que l'ajout de nanocomposite ZnO a rendu la surface de l'échantillon plus rugueuse. Ceci est utile pour augmenter l'adsorption d'huile sur la surface de l'échantillon. Le même résultat concordait avec les résultats obtenus par Dai et al., Haq et al. et Barroso-Solares et al. Dai et al.43 ont découvert que la rugosité de surface des fibres de poly(acide lactique) (PLA) peut être contrôlée en augmentant la teneur en Zn2+ dans la structure métallique du (ZIF-8). L'adsorption d'huile s'accélère en raison de la plus grande rugosité de la surface des fibres (PLA/ZIF-8). Haq et al.44 ont préparé un système de résine absorbant l'huile (polyester insaturé + huile de soja époxydée + nanoargile) avec différentes quantités de nanoargile. Lui et co-auteur évidemment que la rugosité de la surface est augmentée en raison de l'ajout de nanoargile. Barroso-Solares et al.45 ont préparé des nanofibres mixtes de deux polymères, poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) et polycaprolactone (PCL), avec des rapports pondéraux de 70/30, 50/50 et 30/70 incorporés avec 1 % en poids de nanoparticules fumées d'oxyde de silicium. Il a été noté que l'échantillon 50/50 PMMA/PCL présente le compromis le plus prometteur entre la capacité d'absorption d'huile, la sélectivité de l'huile et les propriétés mécaniques, ceci est dû à la rugosité accrue des fibres 50/50 PMMA/PCL par rapport aux deux autres échantillons (70/30 et 30/70). La figure 5b montre de meilleures preuves concernant la distribution des nanoparticules de ZnO obtenues par cartographie EDX élémentaire de Zn et O en tant qu'éléments principaux de ZnO et de C et Cl du mélange (PVC/HDPE) dans le cas des nanocomposites (PVC/HDPE) ZnO. Ces deux éléments (Zn et O) sont présents en surface en bonne distribution identifiée dans la matrice PVC/HDPE. L'analyse EDX/cartographie n'a pas mis en évidence d'autres éléments traces.

MEB (a) et EDX/cartographie (b) du nanocomposite (PVC/HDPE)ZnO.

Les mélanges compatibles obtenus de (PVC/HDPE) ZnO irradiés sur différents supports (cire de paraffine, huile de silicone, silicate de sodium et eau) comme méthode efficace pour la modification de l'hydrophobicité de la surface des mélanges à utiliser dans la séparation huile/eau. La modification de surface consiste à modifier la surface des mélanges (PVC/HDPE) ZnO en apportant des propriétés chimiques et physiques différentes de l'échantillon vierge. Les propriétés physicochimiques des mélanges de ZnO modifiés en surface (PVC/HDPE) ont été déterminées en utilisant d'autres caractéristiques telles que FTIR, les propriétés mécaniques et XRD. La structure chimique de la modification de surface des films de mélange (PVC / HDPE) ZnO à l'aide de la spectroscopie FTIR est illustrée à la Fig. 6. Les deux pics FTIR situés à 2918 cm-1 et 623 cm-1 sont des pics caractéristiques des liaisons C – H et C – Cl des molécules de PVC, respectivement. Le pic à 1290 cm-1 est attribué au trans CH3 dans les molécules de polyéthylène46. Le pic à 1723 cm-1 attribué aux groupes C = O a été observé dans des échantillons de ZnO (PVC / HDPE) non irradiés et des échantillons irradiés dans des milieux de silicate de sodium et d'eau. D'autre part, les groupes C = O ont complètement disparu dans le cas où des échantillons de ZnO (PVC / HDPE) ont été irradiés dans de la cire de paraffine et de l'huile de silicone. L'intensité maximale de 1290 cm-1 a été augmentée dans le cas de l'échantillon irradié sur des milieux d'huile de silicium et de silicate de sodium en raison de la formation de Si-CH3 à 1250 cm-147,48,49.

Les spectres FTIR de PVC/HDPE (a) non irradié, (b) irradié 25 kGy, (c) dans de la cire de paraffine, (d) dans de l'huile de silicone, (e) dans du silicate de sodium et (f) dans de l'eau.

La figure 7 montre les diagrammes de diffraction des rayons X (XRD) de l'ébauche et de la surface modifiée de l'irradié (PVC/HDPE) à la dose de 25 kGy. Il est à noter que les pics XRD de ZnO ne sont pas clairs dans les échantillons des Fig. 7a, b de (PVC / HDPE) à la dose de 0 kGy et 25 kGy, respectivement en raison de la modification de surface de (PVC / HDPE) / ZnO conduisant à la concentration des nanoparticules à la surface de la feuille de plastique similaire à la masse des échantillons de la Fig. 7c – f. Les pics XRD caractéristiques du HDPE sont situés à ~ 21° et 23°, ce qui correspond à la nature semi-cristalline typique des cellules unitaires orthorhombiques des plans de réflexion (110) et (200), respectivement50,51,52. La figure 7 confirme que les pics de diffraction du plan (110) changent presque dans tous les échantillons modifiés (PVC/HDPE). Cela signifie que la surface modifiée est placée sur le plan (110) de HDPE53. De plus, la figure 7 montre un pic XRD très large de PVC allant de 14° à 24° ; ceci indique que le PVC est amorphe54. Aussi, XRD sur la Fig. 7 représente le diagramme XRD pour les nanoparticules de ZnO situées à 2∂ = 31,45°, 34,22°, 35,96°, 42,42°, 47,31°, 56,26°, 62,72°, 67,70°, 67,84°, 68,96° et 72,45° correspondent aux réflexions du plans cristallins 100, 002, 101, 102, 110, 103, 200, 112, 201, 004 et 202 Ceci assure la formation du ZnO dans une phase wurtzite hexagonale pure38.

Les spectres XRD (a) non irradiés, (b) irradiés (25 kGy), (c) dans de la cire de paraffine, (d) de l'huile de silicone, (e) du silicate de sodium et (f) de l'eau de mélanges (PVC/HDPE)ZnO.

D'après le graphique à barres de la Fig. 8, on peut percevoir que la force (N), l'allongement (mm) et les modules de Young (MPa) des mélanges de ZnO (PVC/HDPE) non irradiés sont bien supérieurs à tous les échantillons de mélanges de ZnO (PVC/HDPE) irradiés. Le module de Young et la force du blanc (PVC/PEHD) ZnO (0 kGy) et à (25 kGy) étaient de 51,7 MPa, 193,66 N et 24,22 MPa, 104,3 N, respectivement. Après irradiation gamma, on a observé que le module et la force de Young étaient diminués en raison de l'état de défaut des liaisons atomiques dans les mélanges induits par l'irradiation gamma. D'autre part, il a été observé que le module et la force de Young étaient diminués dans tous les échantillons traités après le traitement de surface. Ces résultats justifient que la modification de surface a contribué à des changements dans la structure chimique de la surface ; les chutes de propriétés mécaniques peuvent être dues à la faible liaison interfaciale entre la masse et la surface de la chaîne de mélange. La liaison interfaciale intense entre la masse et la surface de la chaîne de mélange traitée peut entraîner une augmentation de l'allongement par rapport aux échantillons vierges. De plus, les propriétés mécaniques de l'irradiation gamma du mélange (PVC/HDPE) ZnO traité dans Na – Si présentent un module de Young et une valeur de force plus élevés que les autres échantillons de mélange (PVC/HDPE) ZnO traités. Cela peut être attribué à un effet de liaison physique plus dur et à la formation de liaisons faibles sur la surface des mélanges (PVC/HDPE)ZnO.

Comparaison des propriétés mécaniques concernant la force, l'allongement et le module de Young.

Les huiles s'absorbent sur les surfaces en raison d'un phénomène de surface. En conséquence, les adsorbants ont de vastes surfaces, dont la plupart sont des surfaces intérieures qui renferment les pores massifs et les capillaires de matériaux hautement poreux. Comme le montre la figure 9, le pouvoir adsorbé sur l'huile de (PVC/HDPE)/ZnO est diminué après irradiation. L'une des principales raisons est que les adsorbants poreux deviennent plus petits et réduisent leur capacité d'adsorption efficace en raison des réactions réticulées induites par l'irradiation gamma. Alors qu'après modification de la surface, les quatre (PVC/HDPE)/ZnO modifiés présentent un large spectre de capacité d'adsorption pour les six différents types d'huiles. Les caractéristiques de performance des adsorbants sont largement liées à leurs propriétés intraparticulaires telles que les compositions chimiques de surface et l'hydrophobicité de surface. La surface hydrophobe des échantillons modifiés et la distribution fonctionnalisée des groupes concernant la taille des pores et la rugosité de surface sont généralement des déterminants primaires de la capacité d'adsorption.

La capacité d'adsorption de six différents composites ZnO irradiés modifiés (PVC/HDPE) pour l'élimination de six types d'huiles.

D'autre part, la densité du pétrole extrait et le numéro API (le numéro de l'American Petroleum Institute est utilisé pour identifier les puits de pétrole et de gaz) doivent être pris en compte. L'effet de l'API sur le potentiel d'adsorption du pétrole était en relations inverses. Comme le montre la Fig. 9, on a observé que le pourcentage de capacité d'adsorption des huiles augmentait en proportion directe avec une diminution de la valeur API et en proportion inverse avec des sites faiblement fonctionnalisés dans des échantillons de ZnO modifiés (PVC/HDPE) en raison de la présence de groupes fonctionnels trouvés dans les huiles brutes55. Selon la littérature antérieure, les pétroles bruts ont d'autres groupes contenant –C=C–, C=O et OH avec un excès de soufre et d'azote56. Pour l'huile de ricin, l'échantillon d'adsorbant de (PVC/PEHD)/ZnO irradié à 25 kGy dans un milieu aqueux est passé de 73 à 157 % par rapport à l'échantillon blanc irradié à 25 kGy. Comme représenté sur la figure 9, on a observé que l'absorption par adsorption était modifiée en fonction du type d'adsorbant. Au fur et à mesure que les sites fonctionnalisés à la surface augmentaient à partir d'échantillons irradiés à 25 kGy dans des solutions d'eau et de NaSi, l'absorption d'huile par adsorption augmentait de manière constante. L'absorption par adsorption de l'huile moteur a augmenté de 26 %, 56 %, 64 %, 73 % et 75 % pour les échantillons irradiés modifiés dans l'air, la cire, l'huile Si, l'eau et le NaSi. La capacité d'adsorption la plus élevée des huiles a été observée dans les échantillons fonctionnalisés par des groupes C=O. La disponibilité des sites de groupes fonctionnels sur la surface adsorbée a amélioré la capacité d'élimination de l'huile. Les résultats suggèrent que la caractérisation de surface du (PVC/HDPE)/ZnO peut être modifiée pour améliorer le potentiel d'adsorption d'huile.

La figure 10 montre la conductivité AC de (PVC/HDPE)/ZnO, qui variait dans le même comportement indépendamment de la modification de surface et du type de formation de groupe fonctionnel. Cependant, il convient de noter que le seuil de percolation de chaque échantillon dépend de la condition d'irradiation gamma dans différentes solutions. La figure 10 montre que la conductivité la plus faible des échantillons non irradiés de (PVC/HDPE)/ZnO semble augmenter deux fois après irradiation à 25 kGy. Cela est dû au défaut induit par l'irradiation gamma par déplacement d'atome qui a augmenté la transition électronique après la formation de trous. De plus, la déshydrochloration des molécules de PVC provoquée par l'irradiation gamma peut entraîner la formation de doubles liaisons conjuguées. Tout au long de ces conjugaisons, les électrons deviennent alors mobiles. Par conséquent, la mobilité des électrons contribue à la conductivité globale du matériau57,58.

La conductivité AC de la surface modifiée (PVC/HDPE)/ZnO.

D'autre part, les deux échantillons irradiés de (PVC/HDPE)/ZnO dans des solutions d'eau et de NaSi avaient des valeurs de conductivité plus élevées pour la même fréquence donnée. Cela est dû à la formation de nouveaux groupes de fonctions dans la surface modifiée détectée par les données FTIR. Les groupes fonctionnels peuvent servir de matrice hôte pour la transition électronique.

Pour simuler la distribution du champ électrique dans les câbles MT, utilisez COMSOL Multiphysics. La distribution des champs électriques à l'intérieur de l'échantillon non irradié (PVC / HDPE) ZnO est illustrée à la Fig. 11. La distribution du champ électrique à l'intérieur de l'échantillon n'est pas uniforme à 1 mm de longueur d'arc. La distribution du champ électrique pour l'irradiation (PVC/PEHD)ZnO/eau devient uniforme et diminue régulièrement de l'intérieur vers l'extérieur, comme le montre la Fig. 12. Cela est dû à la capacité des nouveaux groupes de fonctions C=O à maintenir un champ électrique uniforme tout en abaissant la tension électrostatique.

Répartition du champ électrique en moyenne tension du ZnO (PVC/HDPE) non irradié.

Répartition du champ électrique dans les câbles moyenne tension d'eau irradiée (PVC/HDPE)ZnO.

ZnO a été irradié à une dose de 25 kGy pour améliorer ses propriétés physiochimiques. Le spectre Vis-UV de ZnO montre un pic d'absorption à une longueur d'onde de 373 nm qui a été légèrement décalé vers le rouge à 375 nm pour un échantillon irradié de ZnO à une dose de 25 kGy en raison du défaut de structure cristalline par la lacune d'oxygène lors des irradiations gamma.

Cette croissance du site du défaut conduit à une diminution des écarts d'énergie de 3,8 à 2,08 eV.

L'angle de contact de l'échantillon irradié est augmenté de 54,36° à 65,25° par rapport à l'échantillon blanc.

La modification de surface du (PVC/HDPE)ZnO avec un traitement par irradiation gamma a été étudiée.

Le processus d'irradiation gamma à la dose de 25 kGy a été exécuté dans quatre milieux différents tels que (cire de paraffine, huile de Si, NaSi et eau) pour améliorer la surface par un groupe fonctionnalisé d'échantillons de PVC/HDPE)ZnO.

Les spectres FTIR ont révélé un changement chimique sur la surface (PVC/HDPE)ZnO après traitement par irradiation gamma dans l'eau et NaSi.

Les pics C = O sont apparus dans le FTIR attendu, confirmant l'altération de la surface de l'échantillon.

La surface de l'échantillon (PVC/HDPE)ZnO améliore sa capacité d'élimination de l'huile par rapport aux échantillons vierges.

L'absorption par adsorption de l'huile moteur a augmenté de 26 %, 56 %, 64 %, 73 % et 75 % pour les échantillons irradiés modifiés dans l'air, la cire, l'huile Si, l'eau et le NaSi.

La capacité d'adsorption la plus élevée des huiles a été observée dans les échantillons fonctionnalisés par des groupes C=O.

Selon COMSOL Multiphysics, l'échantillon de ZnO (PVC/HDPE) irradié dans l'eau montre une distribution de champ électrique uniforme dans un câble moyenne tension (22 000 v).

Les travaux futurs sur l'échantillon de ZnO modifié en surface (PVC/HDPE) peuvent être étendus à l'utilisation de (PVC/HDPE)ZnO en fonction de leur conductivité AC qui était une amélioration.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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MI Ismaïl

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Tous les auteurs ont contribué substantiellement à la conception et à la conception du travail ainsi qu'à l'analyse et à l'interprétation des données. Tous les auteurs ont contribué aux révisions et approuvé la version finale. Tous les auteurs acceptent d'être responsables de tous les aspects du travail en s'assurant que toutes les questions liées à l'exactitude ou à l'intégrité de toute partie du travail sont étudiées et résolues de manière appropriée. Contributions individuelles spécifiques en plus de ce qui précède : AIS a dirigé la rédaction du document et contribué à l'extraction des données. SAF a contribué à la recherche documentaire et à l'extraction des données. AFAE-G. contribué à la recherche documentaire et à la rédaction de sections du manuscrit. Le MAF et le MII ont contribué à l'extraction des données, à la rédaction des données et à la préparation des figures et des tableaux. AME a contribué à la mesure FTIR. MMG a contribué à résoudre les résultats de l'extraction des données et l'introduction et la rédaction des données. L'auteur principal (AIS, le garant du manuscrit) affirme que le manuscrit est un compte rendu honnête, précis et transparent de l'étude rapportée. Aucun aspect important de l'étude n'a été omis; et que toute divergence par rapport à l'étude prévue (et, le cas échéant, enregistrée) a été expliquée.

Correspondance à AI Sharshir.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Ghobashy, MM, F. Abd El-Gawad, A., A. Fayek, S. et al. Modification de surface induite par irradiation gamma d'un nanocomposite (PVC/HDPE)/ZnO pour améliorer l'élimination de l'huile et la conductivité à l'aide de COMSOL multiphysics. Sci Rep 13, 7514 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34583-0

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Reçu : 04 novembre 2022

Accepté : 03 mai 2023

Publié: 09 mai 2023

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

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