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May 27, 2023

Impacto de γ

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 19616 (2022) Citar este artículo

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Una corrección del autor de este artículo se publicó el 29 de diciembre de 2022

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En algunos casos, las mezclas que contienen PVC y LLDPE muestran una baja compatibilidad. Agregar caucho de estireno-butadieno a las mezclas de PVC/LLDPE conduce a un aumento notable en la resistencia a la tracción y la compatibilidad de las mezclas. Además, se observa una mejora en la resistencia a la tracción después de incorporar el compatibilizador SBR, lo que da como resultado dosis de radiación gamma completamente diferentes. Sin compatibilizador, la mezcla presenta una fase distribuida de PVC y LLDPE con tamaños y formas variables; incluso una parte considerable de los dominios se asemejan a gotitas. El caucho de estireno butadieno (SBR) y la radiación gamma hacen que las mezclas de (PVC/LLDPE) sean más compatibles. El estudio SEM de las mezclas demostró que agregar el compatibilizador resultó en morfologías de mezcla más finas con menos rugosidad. Al mismo tiempo, la radiación gamma redujo esta gota y dio una superficie más lisa. El poli(cloruro de vinilo) (PVC) se modificó químicamente con cuatro compuestos amino diferentes, que incluyen etilendiamina (EDA), anilina (An), p-anisidina (pA) y dimetilanilina (DMA) para mejorar la conductividad eléctrica y la capacidad de eliminación de aceite. del polímero de mezcla. Todos los ionómeros se prepararon mediante sustitución nucleófila en un sistema solvente/no solvente en condiciones suaves. Esta novedad de trabajo muestra una ruta sostenible para producir materiales de adsorción de aceite mediante el reciclaje de residuos plásticos. Después del proceso de aminación de poli(cloruro de vinilo), la adsorción de aceite mejoró significativamente.

Solo el 18% de los desechos plásticos se recicla y el 24% se quema a nivel mundial. El 58 % restante va a los vertederos o se libera en el medio ambiente, donde los plásticos se ensamblan y duran mucho tiempo1. Una de las mayores preocupaciones ahora es la cantidad de desechos plásticos que llegan a los océanos. Las fuentes de este material están estrechamente ligadas a la falta de infraestructura eficiente para el manejo de residuos2. Según estimaciones, solo 10 ríos en Asia o África aportan aproximadamente el 90% de los desechos plásticos en el océano. Un poco más de la mitad de todos los polímeros de desecho se componen de poli(cloruro de vinilo) (PVC) y polietileno (PE)3. Reciclar estos polímeros sería una solución deseable al problema medioambiental, que no hace más que empeorar4. Pero la elección de residuos de polímeros del mismo tipo genérico para el reciclaje añade un paso más costoso. Reciclar juntos los desechos de polímeros sería una solución deseable. El procesamiento y reprocesamiento de combinaciones de PVC/PE revela muchos problemas relacionados con dicho proceso5. Debido a la débil adhesión de las fases producida por la incompatibilidad termodinámica, es poco probable que el procesamiento de mezclas de PVC/PE proporcione productos con las cualidades mecánicas requeridas6. Hay formas de mejorar la situación mediante la alteración adecuada (compatibilidades) de los productos químicos que mejoran las condiciones interfaciales entre las fases7. Como resultado, se reduce la energía interfacial de las fases inmiscibles, lo que da como resultado una dispersión más fina durante la mezcla y una estabilidad más excelente frente a la separación de fases. Es crucial combinar PVC con LLDPE, que tiene buena estabilidad térmica y fluidez de fusión8. Sin embargo, la solución potencial y las propiedades del producto de las mezclas incompatibles de PVC/polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) no son deseables debido a las diferentes estructuras y la escasa compatibilidad8.

Las mezclas de polímeros se han abordado debido a su potencial teórico y práctico9. Las mezclas homogéneas, en las que los componentes son miscibles, y las mezclas heterogéneas, en las que los componentes son inmiscibles, son las dos clasificaciones principales de las mezclas de polímeros10. Debido a su baja entropía combinatoria y su alta entalpía de mezcla, la mayoría de las mezclas de polímeros son inmiscibles, lo que frecuentemente da como resultado malas cualidades mecánicas debido a la alta tensión interfacial y la adhesión11. Como resultado, se requiere compatibilización para mezclas de polímeros inmiscibles. Al agregar un tercer componente llamado "compatibilizador", la compatibilización puede convertirse en una mezcla binaria incompatible12. Un compatibilizador suele ser un copolímero de bloque o de injerto hecho de polímeros reactivos empleados como componente interfacial activo. Se prevé que funcionen como tensioactivos debido a su miscibilidad con los polímeros componentes13. Un plástico estándar que tiene varias características beneficiosas, incluida la no inflamabilidad, la asequibilidad y la flexibilidad de formulación, es el cloruro de polivinilo (PVC). El PVC enfrenta desafíos para expandir su aplicación debido a la débil estabilidad térmica durante el procesamiento, la baja tenacidad y la baja temperatura de ablandamiento por calor14. Los polímeros de plastificación y uso mejorado de distorsión térmica son solubles en PVC. Al mezclar PVC, se han creado mezclas de polímeros adecuadas15. Uno de los tipos de caucho sintético más populares es el caucho de estireno butadieno (SBR), que tiene capacidades de procesamiento y características físicas similares a las del caucho natural (NR)16. SBR funciona mejor que NR en algunas áreas, incluida la resistencia al desgaste, la resistencia al calor y la resistencia al envejecimiento. SBR se emplea aquí como agente compatibilizador debido a su excelente resistencia al desgaste17.

En general, es probable que el relleno con óxido de metal inorgánico modifique todas las propiedades del polímero puro18. De hecho, la combinación de un polímero con nanopartículas inorgánicas crea un nuevo material con propiedades fisicoquímicas novedosas18. Las características de las partes constituyentes, como el tipo de relleno y polímero, determinan los atributos del material compuesto final18. Estos estudios sugieren que la forma, el contenido de partículas, el tamaño de las partículas, el tamaño de los agregados, las características de la superficie y el grado de dispersión del relleno afectan significativamente la forma en que el relleno afecta las propiedades mecánicas y de otro tipo de los compuestos. Numerosos estudios han examinado específicamente el impacto del contenido de relleno en las características de los materiales compuestos. Las características mecánicas y de conductividad eléctrica de estos nanocompuestos estaban estrechamente relacionadas con la relación de aspecto del relleno19,20.

El cloruro de polivinilo (PVC) puede modificarse en su superficie o en la estructura de su estructura molecular dependiendo de la sustitución nucleófila de los átomos de Cl. La modificación química del comportamiento hidrofóbico de la superficie de PVC tiene varias aplicaciones, como superficies de alta adherencia, andamios de biomateriales y superficies autolimpiables. Este artículo sugiere una nueva tecnología de modificación de la superficie del PVC que ha reaccionado bajo un tratamiento de radiación gamma en diferentes dosis (se producen reacciones de entrecruzamiento). La adición de SBR en diferentes proporciones (0, 1, 2 y 3) % en peso en las mezclas de PVC y LLDPE a través de una extrusora en caliente permite la compatibilidad entre las matrices de PVC y LLDPE. Se investigará el efecto del contenido de SBR en la miscibilidad entre PVC y LLDPE. Las reacciones de modificación de aminación pueden lograr el ajuste de las propiedades de los polímeros (https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.04.024) como la superficie de PVC. El proceso de deshidrocloración, que es la base para la modificación química del PVC, implica la eliminación de átomos de Cl, seguido de resecciones de sustitución o la producción de dobles enlaces por eliminación de (-HCl), luego reacciones de adición. Esto se logró agregando grupos amino al PVC en láminas de PVC/LLDPE con etilendiamina, anilina, p-anisidina y dimetilanilina. Este artículo demostró que la modificación química afecta significativamente las propiedades fisicoquímicas de las láminas de PVC/LLDPE y su conductividad eléctrica. También descubrió su capacidad de eliminación de aceite después de la modificación química en comparación con la muestra en blanco de PVC/LLDPE.

El polvo de PVC y LLDPE reciclado se recogió del mercado sin tratamiento. Los agentes de aminación tales como etilendiamina (EDA-99,5 %), anilina (An-99 %), p-ansidina (pA 99 %) y N, N, dimetilanilina (DMA 99 %) se adquirieron todos de Sigma Aldrich. PetroChina Lanzhou Petrochemical Company suministró SBR 1500E (estireno al 23,5%). Se compró óxido de zinc (ZnO) a Shijiazhuang Zhiyi Zinc Industry Co. Ltd. de China.

Los residuos de PVC y LDPE se sumergen en aceite de silicona y se calientan durante 3 h. el objetivo de este paso es eliminar cualquier exceso de carga y pigmento que pudiera presentarse en el plástico de desecho. El color del aceite de silicona cambió y las partículas resultantes se granularon después de la fusión. La granulación de PVC y LLDPE finalmente se secó en estufa a 50 °C durante aproximadamente 12 h. Los componentes de PVC, LLDPE, SBR y ZnO se premezclaron manualmente en un contenedor; La Tabla 1 enumera la formulación real de las muestras. Se utilizó una extrusora con tornillos gemelos en un proceso de fusión y mezcla para crear todas las mezclas. Las temperaturas desde la tolva hasta la matriz se mantuvieron entre 160 y 290 °C y la velocidad del tornillo se mantuvo en aproximadamente 200 rpm. Las muestras se extruyeron y luego se colocaron en un molde calentado para producir una hoja de muestras de (PVC/LLDPE)ZnO. La muestra obtenida fue expuesta a (0, 10 y 20) kGy de radiación gamma.

El modelo de puente LCR Hioki 3532 se utilizó para medir la impedancia Z de la muestra (PVC/LLDPE)/ZnO y el ángulo de fase entre el voltaje de CA aplicado y la corriente resultante en las muestras de ZnO irradiado y modificado químicamente (PVC/LLDPE) para la conductividad de CA medida σAC(ω). La frecuencia osciló entre Hz y 600 Hz. La variación en la conductividad de CA con una frecuencia a temperatura ambiente en una 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 fue paralela a todos los valores de la capacitancia Cp que se tomaron de la pantalla del puente. La ecuación se utilizó para calcular la conductividad total σt (w).

donde L es la distancia entre los dos electrodos (el grosor de la muestra), Z es la impedancia de la muestra y A es el área de la sección transversal de la muestra. Usando la relación, la conductividad de CA σAc(w) se calcula de la siguiente manera:

donde σDC(w) se denomina conductividad DC.

Las películas se irradiaron con radiación γ- con dosis de rango (0, 10, 20) kGy, utilizando una fuente de radiación γ de Co60. El irradiador gamma está alojado en un edificio blindado construido sobre un suelo de hormigón de densidad estándar (2,36 g/cc), con un espesor de unos 120 cm, de forma que nadie recibe más de 10 mR de radiación durante 40 h/semana. , o la tasa de dosis máxima no excederá 0,2 mR en todos los accesibles cuando se utilice una fuente de radiación de cobalto de 1.000.000 curie.

Comenzando con el núcleo de cobre del cable y avanzando hacia su capa exterior de semiconductores, se investigó la distribución del campo eléctrico. Se aplicó una fuente de alimentación de CA constante de 2Uo = 24 kV 50 Hz a las capas del cable (Uo es la línea nominal del cable a la tensión neutra). A continuación, se estudiaron los efectos de los campos eléctricos utilizando COMSOL Multiphysics. En este trabajo, un cable subterráneo aislado de 22 kV de un solo núcleo fue la muestra de compresión. El análisis utiliza el conductor de cobre con un radio de 4,165 mm, el semiconductor interno con un diámetro de 4,95 mm, el aislante con un diámetro de 10,45 mm y el semiconductor extrínseco con un diámetro de 11,25 mm. Todos los radios se han calculado a partir del centro del conductor de cobre.

Usando una máquina de prueba mecánica Intron, se midieron las características de tracción de los especímenes en forma de mancuernas según la norma ASTM D638 (modelo 5569). Se usó una velocidad de cruceta de 10 mm/min para medir la resistencia a la tracción y el alargamiento. Usando un Mettler Toledo 823e DSC, se usó calorimetría diferencial de barrido para medir la temperatura de transición vítrea (Tg) (Mettler Toledo International Inc., EE. UU.). En bandejas de aluminio, las muestras que pesaban alrededor de 10 mg se precalentaron entre 100 y 190 °C a una velocidad de 10 °C/min con un período de mantenimiento isotérmico de dos minutos a 190 °C. Luego, las muestras se enfriaron a 100 °C una vez más y luego se calentaron a 100 °C a una velocidad de 5 °C/min. Como guía, se utilizó una bandeja vacía. Antes de las corridas, se utilizó nitrógeno líquido para enfriar las muestras. Espectroscopia infrarroja utilizando la transformada de Fourier (FTIR) La investigación FTIR se realizó utilizando un espectrómetro Bomem-MB102 (ABB-Bomem, EE. UU.). El espectro se registró entre 4000 y 650 cm1 con una resolución de 4 cm-1. Con un voltaje de aceleración de 10 kV, se utilizó un SEM (JSM-7500F, JEOL, Japón) para observar la morfología de la fractura por fatiga dinámica de SBR. Los especímenes fueron tratados con aspersión de oro antes de ser observados y luego adheridos a las cintas conductoras. Para la realización de la DRX se utilizó el difractómetro Philips PW 1830. El haz de rayos X se hizo funcionar a 40 kV y 30 mA con radiación Cu K (= 0,1541 nm) con filtro de níquel. Del 5 al 85, los datos correspondientes se recopilaron en incrementos de 0,02 pasos. Un método es la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR/ATR) para producir un espectro infrarrojo de muestras sólidas.

Este artículo investigó la influencia de SBR y las dosis de radiación gamma en la compatibilidad de los compuestos de PVC y LLDPE. Las irradiaciones de mezclas de polímeros inmiscibles se compatibilizan principalmente después de la irradiación21. Numerosos estudios han demostrado que los rayos γ penetran más profundamente y producen radicales que desencadenan procesos de reticulación. En comparación con la radiación E-Beam, los rayos γ tienen un mayor poder de penetración22,23,24,25. Las partículas de carga negativa de la radiación E-Beam limitan su poder de penetración26,27,28,29,30.

La Figura 1 muestra cómo las dosis de radiación gamma y el contenido de SBR afectan la compatibilidad de PVC y LLDPE. Las diferentes concentraciones de compatibilizador SBR producen morfologías completamente distintas. Sin compatibilizador, la mezcla exhibe una fase dispersa de PVC y LDPE con tamaños y formas variables; incluso una parte considerable de los dominios se asemejan a gotitas. Los compatibilizadores SBR dieron como resultado dominios de PVC con condiciones comunes y medidas esencialmente consistentes. Los compatibilizadores empleados tienen un impacto significativo en los tamaños de dominio de PVC. En general, se reconoce que un compatibilizador desempeña dos funciones críticas en el manejo de la morfología de una mezcla: la prevención de la coalescencia y la reducción de la tensión interfacial. Debido al papel de los compatibilizadores en la estabilidad estérica, se supone que la homogeneidad del tamaño y la forma de los dominios de PVC generada por su adición resulta de una disminución en la coalescencia. Las muestras en blanco (0 kGy) contienen más matriz de gotas con más cavidades, como se ve en la Fig. 1. El análisis SEM de las mezclas mostró que la adición del compatibilizador SBR y el método de irradiación produjeron morfologías de mezcla más finas con menos rugosidad. En las mezclas de PVC/LLDPE, el compatibilizador SBR redujo la coalescencia de las gotas y ayudó a estabilizar la morfología fina. La compatibilidad entre las matrices de LLDPE y PVC mejoró significativamente con el nivel de compatibilizador SBR del 3% en peso. Además, la radiación gamma mejora ligeramente la compatibilidad en lugar de solo el impacto de SBR. La coalescencia de las gotas producidas recientemente se vuelve más significativa cuando aumenta la concentración de SBR.

El efecto de las dosis de irradiación y el contenido de SBR en la morfología superficial de las mezclas de (PVC/LLDPE)ZnO.

Debido a su baja adhesión interfásica y alta tensión interfacial, el PVC y el LLDPE forman combinaciones incompatibles, como se reporta en varias publicaciones académicas31,32,33. Las propiedades mecánicas del PVC y el LLDPE son casi inferiores33 y pueden mejorarse mediante la adición de SBR y el proceso de irradiación gamma. La Figura 2 demuestra cómo los procesos de SBR y de irradiación mejoran la resistencia a la tracción y el alargamiento de las mezclas. Este resultado se debe a la mayor compatibilidad del PVC con el LLDPE. Con base en los estándares de ASTM, se trazó una prueba de estrés en la Fig. 2a en diferentes contenidos de compatibilizador SBR y dosis de radiación gamma. La fuerza de fuerza de las muestras de (PVC/LLDPE)ZnO se mejora después de agregar SBR y la exposición a la radiación gamma que las muestras en blanco. El compatibilizador (SBR) tiene un buen efecto en la unión interfacial después del proceso de irradiación y aumenta la fuerza de fuerza de las mezclas de (PVC/LLDPE)ZnO. La adición de SBR aumenta la resistencia de la fuerza y ​​exhibe una resistencia superior del material después de la irradiación gamma debido a la reticulación de SBR34 inducida por la radiación gamma. En la Fig. 2b, el alargamiento (mm) aumenta aproximadamente un 21 %, 30 % y 52 % con un aumento del contenido de SBR del 1 %, 2 % y 3 % a 0 kGy, respectivamente. Esta diferencia se debe al efecto plastificante de las cadenas SBR en la muestra de mezclas. Según la definición de plastificación, la elongación debería aumentar con un aumento en la concentración de plastificante35,36,37,38. Después del proceso de irradiación gamma, el alargamiento disminuye. Por ejemplo, al 3% de SBR, el alargamiento disminuyó del 11 al 16,8% para dosis de irradiación de 10 kGy y 20 kGy, respectivamente. Esto, debido a la radiación gamma, indujo más reacciones de entrecruzamiento y, por lo tanto, disminuyó el movimiento de las cadenas y la elongación39,40.

El efecto del contenido de SBR y las dosis de irradiación en las propiedades mecánicas de la mezcla de (PVC/LLDPE)ZnO.

El poli(cloruro de vinilo) (PVC) se modificó químicamente con cuatro compuestos amino diferentes, que incluyen etilendiamina (EDA), anilina (An), p-anisidina (pA) y dimetilanilina (DMA) para mejorar la conductividad eléctrica y la capacidad de eliminación de aceite. del polímero de mezcla. La estructura química y el mecanismo propuesto de aminación de PVC se representan en la Fig. 3. Después de las reacciones de aminación, todas las muestras de (PVC/LLDPE)ZnO-b modificado exhiben un grado de coloración que varía de marrón a marrón oscuro. Todos los ionómeros se prepararon por sustitución nucleófila en un sistema solvente/no solvente en condiciones suaves (Tabla 1). La modificación química del PVC por nucleófilos se llevó a cabo en un matraz de fondo redondo de tres bocas de 100 ml equipado con un agitador magnético y un condensador. Prácticamente, se añadió gota a gota 90% v% de etilendiamina (EDA) disuelta en etanol a 5 g (PVC/LLDPE)/tira de ZnO empapada en 20 ml de soluciones de etanol. La mezcla se calentó a 80 °C durante 3 h y luego la tira modificada (PVC/LLDPE)/ZnO se sumergió en una mezcla de hielo y agua en equilibrio térmico. El nuevo (PVC/LLDPE)/ZnO-EDA modificado se obtuvo y se mantuvo en condiciones secas para estudios experimentales adicionales. Una mezcla de 5 g de (PVC/LLDPE)/ZnO y 10 ml de anilina disueltos en 10 ml de disolvente etanol se agitó durante aproximadamente una hora ya una temperatura de 90 °C. Después de eso, la anilina modificada (PVC/LLDPE)/ZnO se lavó con una mezcla de etanol/agua. Para el (PVC/LLDPE)/ZnO modificado con p-anisidina, se continuó agitando una mezcla de reacción de 5 gy 10 g, respectivamente, en 10 ml de etanol durante aproximadamente 12 ha temperatura ambiente. El polímero en tira modificado resultante (PVC/LLDPE)/ZnO-pA se lavó y se secó. Una mezcla de dimetilanilina (30 ml) disuelta en 10 ml de etanol que contiene 5 g de (PVC/LLDPE)/tira de ZnO. La mezcla se sometió a reflujo en un matraz de fondo redondo de tres bocas de 100 ml durante 4 ha una temperatura de 80 °C. El (PVC/LLDPE)/ZnO-DMA obtenido se lavó varias veces con una mezcla de etanol/agua. La Figura 3 muestra las reacciones del mecanismo propuesto del poli(cloruro de vinilo) (PVC) con cuatro compuestos amino diferentes, que incluyen etilendiamina (EDA), anilina (An), p-anisidina (pA) y dimetilanilina (DMA). El PVC amínico funcionalizado se formó por el ataque nucleofílico del átomo (N) sobre el átomo de cloro que contiene carbono en la cadena polimérica del PVC, iniciando el proceso. El anión cloruro quedó como un buen grupo saliente (-HCl).

poli(cloruro de vinilo/polietileno lineal de baja densidad)/ZnO funcionalizado con amina propuesto con las cuatro aminas diferentes seleccionadas; (a) etilendiamina EDA, (c) anilina An, (d) p-anisidina pA, (e) N, N dimetilanilina DMA y (b) un posible mecanismo de entrecruzamiento para dos productos funcionalizados por precursores de diamina. La foto de abajo muestra el cambio de color de las muestras después de la reacción de aminación (a) (PVC/LLDPE)ZnO-b, (b) (PVC/LLDPE)ZnO-EDA, (c) (PVC/LLDPE)ZnO-An ( d) (PVC/LLDPE)ZnO-pA y (e) (PVC/LLDPE)ZnO-DMA.

Después de la fácil modificación química por grupos de aminación de moléculas de PVC en (PVC/LLDPE)ZnO-b a través de reacciones químicas nucleófilas. La Figura 4 muestra las curvas FTIR de un nuevo grupo de PVC funcionalizado con amina formado en las muestras de (PVC/LLDPE)ZnO-b. La estructura química del (PVC/LLDPE)ZnO modificado se realizó mediante FTIR, y cada uno de los (PVC/LLDPE)ZnO modificados mostró sus picos FTIR característicos según su estructura química. La modificación exitosa del PVC con cuatro aminas diferentes se puede demostrar mediante espectroscopía FTIR en la Fig. 4. Como se muestra en la Fig. 4a (PVC/LLDPE), las reacciones de entrecruzamiento de ZnO-b inducidas por irradiaciones gamma tienen lugar principalmente debido a las formaciones de radicales. y eliminación de iones de cloruro (p. ej., –HCl)41. Este proceso de decloración es responsable de formar cadenas poliméricas cortas que contienen fracciones C=O y –CH=CH–. A medida que avanza la irradiación de (PVC/LLDPE)ZnO-b, la formación de C=O y –CH=CH– se vuelve notablemente significativa. Por lo tanto, se utilizó espectroscopía FTIR para examinar el crecimiento de los picos de absorción correspondientes a los grupos C=O y –CH=CH– ubicados en 1651 cm-1 y 1602 cm-1, respectivamente. Los cambios en la posición de C=O y C=C para el (PVC/LLDPE)ZnO después de la modificación química se predicen como se muestra en las Figs. 4b-e. Quedó claro que los cambios en C=O y C=C fueron significativamente más significativos y más pronunciados en el caso del (PVC/LLDPE)ZnO-b. Además, los dos picos de FTIR en 2913 cm-1 y 2884 cm-1 corresponden a la vibración de estiramiento asimétrica y simétrica de –CH– es una unidad repetida en las moléculas de LLDPE y PVC. Los picos de FTIR a 722 cm-1 y 1462 cm-1 corresponden a la vibración de estiramiento de C–Cl y la vibración de flexión de –CH2 en moléculas de PVC y LLDPE, respectivamente. La Figura 4b muestra la curva FTIR de la muestra de (PVC/LLDPE)ZnO–EDA, los dos picos característicos ubicados en 1566 cm-1 y 820 cm-1 se asignan a la vibración de flexión de los enlaces (N–H) y (C–N) , respectivamente. El pico ubicado a 1330 cm-1 corresponde a la vibración de estiramiento de los enlaces (C–N) en la muestra de PVC/LLDPE)ZnO-EDA. Además, el pico ancho ubicado a 3410 cm-1 corresponde a la vibración de almidón de (N–H) en la amina primaria. El pico de ampliación de 3410 cm-1 se debe a los enlaces de hidrógeno intramoleculares excitados entre los grupos NH2, como se representa en la Fig. 3b. Además, el amplio pico de 3410 cm-1 confirma que las reacciones reticuladas in situ tienen lugar en la muestra de PVC/LLDPE)ZnO-EDA. La Figura 4c muestra los picos característicos de las moléculas de anilina en una muestra de ZnO-An (PVC/LLDPE). Los dos picos de FTIR ubicados en 3438 cm-1 y 1267 cm-1 corresponden a la vibración de estiramiento de los enlaces (N–H) y (C–N) en aminas secundarias debido a la reacción entre la anilina y las moléculas de PVC en (PVC/LLDPE ) ZnO-Una muestra. La Figura 4d muestra los picos característicos de FTIR de (PVC/LLDPE)ZnO-pA ubicados en 1609 cm-1 y 1047 cm-1 que se asignan a la vibración de estiramiento y flexión de los enlaces C-O y N-H en las moléculas de p-anisidina. La Figura 4e muestra los picos característicos de FTIR de (PVC/LLDPE) ZnO -DMA ubicados en 1223 cm-1 que se asignan a la vibración de estiramiento de CN de amina terciaria y 1612 cm-1 que se asignan a la vibración de estiramiento de C=C de un anillo de benceno sin pico de NH observado para moléculas de dimetilanilina.

Las curvas FTIR/ATR para PVC modificado con amina en (PVC/LLDPE).

La Figura 5a muestra el patrón XRD de LLDPE virgen en la muestra en blanco de (PVC/LLDPE) ZnO-b que apareció a 20,51° y 23,18°, que se asignan a las reflexiones 110 y 200 de LLDPE. Al mismo tiempo, no aparece el patrón XRD de la película de PVC virgen a 2θ ~ 17° y 26°. Esto podría deberse a la radiación gamma que puede causar la decloración (-HCl) de las moléculas de PVC42. La adición de nanopartículas de ZnO en la matriz (PVC/LLDPE) proporcionó nuevos picos XRD ubicados en 30,86°, 34,4°, 36,3°, 47,51°, 56,61°, 62,81°, 66,41°, 67,91°, 69,10°, 72,52°, 76,9° el indexado al patrón de ZnO de (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112), (201), (004) y (202). La Figura 5b-e muestra el patrón XRD de (PVC/LLDPE)ZnO-b modificado químicamente por el proceso de sustitución nucleofílica. En comparación con la Fig. 1a, las intensidades de los picos de difracción cambiaron significativamente después de la modificación química. La Figura 3b muestra los picos XRD de la muestra de (PVC/LLDPE) ZnO –EDA que casi exhibe solo dos picos a 7,02° y 17,3°. La Figura 5c muestra los picos XRD de (PVC/LLDPE)ZnO-An, que muestran los picos característicos nítidos de las moléculas de anilina con alta cristalinidad a 16,38°29. La Figura 5c,d muestra los picos XRD de ambos (PVC/LLDPE)ZnO–pA, (PVC/LLDPE)ZnO-DMA que exhiben los picos desplazados del patrón LLDPE y ZnO.

Las curvas XRD de PVC aminado modificado en muestras de (PVC/LLDPE)ZnO.

Se realizó calorimetría diferencial de barrido para determinar la temperatura de transición de fusión (Tm) y la temperatura de transición vítrea (Tg) de la mezcla reciclada de (PVC/LLDPE)ZnO-b y sus matrices de modificación química. Las dos temperaturas son un parámetro esencial en la caracterización de polímeros para evaluar el efecto del agente compatibilizante del SBR agregado a la muestra de (PVC/LLDPE)ZnO-b además de la modificación química. La figura 6 muestra la medición de DSC de muestras de (PVC/LLDPE)ZnO modificadas. En comparación con la muestra en blanco, las cuatro curvas de DSC de las muestras modificadas mostraron cambios en el punto de fusión del PVC. Los resultados obtenidos confirman que las reacciones de aminación tienen lugar en las moléculas de PVC por decloración. La Figura 6a muestra tres puntos de fusión (Tm) de muestra de ZnO-b (PVC/LLDPE) irradiada, dos puntos de fusión para LLDPE a la temperatura de 117 °C, 120 °C y 294 °C asignados a moléculas de PVC. El pico de fusión de LLDPE en picos dobles ubicados a 117 °C, 120 °C de las muestras irradiadas se debe a la presencia de regiones tanto irradiadas como no irradiadas que dan diferentes temperaturas de fusión. El punto de fusión más alto (Tm) a 120 °C se debe a las reacciones de reticulación del LLDPE inducidas por la radiación gamma. Como era de esperar, la temperatura de transición vítrea (Tg) del (PVC) a ~85–93 °C desapareció. Esto podría deberse al efecto del agente compatibilizante (SBR) como plastificante, que limita la temperatura vítrea del PVC43. La Figura 6b muestra la curva DSC de la muestra de (PVC/LLDPE) ZnO –EDA que exhibió un pico en el exterior a 82 °C, correspondiente al contenido de humedad. Los resultados indicaron que las reacciones de aminación por EDA son un método eficaz para aumentar la hidrofilia del PVC. Además, el aumento del punto de fusión (310 °C) de la muestra de (PVC/LLDPE) ZnO–EDA se debe a los enlaces H intramoleculares establecidos después de la modificación química, según lo confirmado por los datos de FTIR. La Figura 4 cd exhibe el DSC de las tres muestras ((PVC/LLDPE)ZnO-An, (PVC/LLDPE) ZnO-pA y (PVC/LLDPE)ZnO-DMA)) con una sola Tg a la temperatura de (98, 88 y 95) °C, respectivamente. El PVC tiene Tg a una temperatura de 93,5 °C según los datos DSC encontrados en la literatura44,45,46. Este hecho refuerza el efecto plastificante inducido por la p-anisidina, especialmente el porcentaje del 5% p de ZnO podría incrementar la Tg cuando actúa como relleno47,48. Además, cuando la anilina y N, N, dimetil anilina reaccionaron con moléculas de PVC, se produjo un aumento en su Tg debido a la restricción de la rotación libre y, por lo tanto, al movimiento segmentario restringido49. Por otro lado, el punto de fusión (Tm) del PVC disminuyó a la temperatura de 257 °C, 251 °C y 277 °C para ((PVC/LLDPE)ZnO-An, (PVC/LLDPE) ZnO-pA y (PVC/LLDPE)ZnO-DMA)) muestras, respectivamente. Los datos de DSC confirmaron la modificación por aminación química de las muestras de (PVC/LLDPE)ZnO-b.

Los termogramas DSC de PVC aminado modificado en (PVC/LLDPE)ZnO.

Entre los grupos aminantes que se utilizaron, la anilina (An), la p-anisidina y la dimetilanilina (DMA) parecen poseer la mejor capacidad de eliminación de aceite de motor (41, 38 y 43 %) %, respectivamente. Los datos obtenidos confirmaron que los tres reactivos de aminación (An, pA y DMA) se vuelven más efectivos en la eliminación de aceite de motor que la muestra en blanco debido al porcentaje del anillo de benceno aromático. Las dos muestras de (PVC/LLDPE)ZnO-b y (PVC/LLDPE)ZnO-EDA parecen ser las menos efectivas para esta tarea debido a la ausencia del anillo de benceno aromático y del grupo NH2 adicional en (PVC/LLDPE)ZnO- muestra EDA. Se observó una disminución en la capacidad de eliminación del aceite de motor en comparación con el aceite de ricino para todas las muestras debido a la adsorción del aceite de ricino en los grupos amino debido a la formación de enlaces H intermoleculares. Como se muestra en la Fig. 7a, se mejoró la capacidad de eliminación de aceite de ricino de la muestra en blanco (PVC/LLDPE) ZnO-b modificada por tres reactivos de amina (EDA, An y DMA). La muestra de (PVC/LLDPE)ZnO-EDA y otras dos muestras modificadas aminadas de (PVC/LLDPE)ZnO-An y (PVC/LLDPE)ZnO-DMA mostraron una alta capacidad de eliminación de aceite de ricino (53, 51 y 43) %, respectivamente . Los datos estructurales de la muestra de aceite de ricino y (PVC/LLDPE)ZnO-EDA modificado aminado demuestran la alta capacidad de adsorción debido a los enlaces de H intermoleculares establecidos entre los grupos C=O y OH en aceites de ricino con grupos NH2 en (PVC/LLDPE) ZnO-EDA como se resume en la Fig. 7b. Todos estos parámetros estructurales modificados parecen estar influenciados por la capacidad de adsorción de aceite. Esto destaca que la distribución de los sitios de amina en los adsorbentes es fundamental para un alto rendimiento de adsorción de aceite de ricino. La Figura 7c destaca que el anillo de benceno aromático en (PVC/LLDPE)ZnO-DMA proporciona sitios hidrófobos en la superficie del adsorbente, lo que es fundamental para el alto rendimiento de la adsorción de aceite de motor y el repelente al agua.

(a) la capacidad de adsorción de aceite de motor y aceite de ricino por PVC modificado aminado en (PVC/LLDPE)ZnO dependiendo de la naturaleza del reactivo de aminación, (b) la formación de enlaces H intermoleculares propuesta entre el aceite de Castro y los grupos NH2 en (PVC /LLDPE)ZnO-EDA muestras y (c) la eficiencia de la eliminación de aceite de motor por (PVC/LLDPE)ZnO-DMA.

La Figura 8a representa el blanco (PVC/LLDPE)ZnO-b irradiado por conductividad eléctrica y la muestra aminada modificada. Se observa que la mezcla de (PVC/LLDPE)ZnO-pA tenía una conductividad eléctrica más alta que otras muestras a cualquier frecuencia dada a pesar del aumento de la conductividad eléctrica del PVC con el aumento de la frecuencia. El aumento en la conductividad de la mezcla modificada podría atribuirse a la formación de sitios de amina que pueden estar en estado de protonación. La protonación es enlaces de H intermoleculares e intramoleculares formados químicamente como un proceso de dopaje inorgánico: se sabe que la protonación de los grupos amina es más conductora debido a un alto grado de conjugación. La permitividad ε' y la pérdida dieléctrica ε" para muestras de PVC modificado aminado se representaron en la Fig. 8b,c en un rango de frecuencia de 0,01 Hz hasta 600 Hz. Las mediciones se realizaron a temperatura ambiente (25 ± 1 °C). Fig. 8b,c, los valores de ε' disminuyen al aumentar la frecuencia aplicada mostrando una dispersión anómala. En tal rango, la permitividad tiene una contribución de la polarización de la orientación. Además, ε' y ε" aumentan en orden (PVC/LLDPE )ZnO-pA, (PVC/LLDPE)ZnO-EDA, (PVC/LLDPE)ZnO-DMA, (PVC/LLDPE)ZnO-An y (PVC/LLDPE)ZnO-b. Este aumento de ε' y ε" con la incorporación de grupos amino se debe al aumento de las interacciones dipolo-dipolo y de los enlaces H intramoleculares, lo que conduce a un aumento en la polarización de la orientación y también a la presencia de polarización interfacial. La mezcla plástica utilizada para fabricar cables de media tensión tiene muchas ventajas, como un bajo factor de disipación de alrededor del 0,03 % a 20 °C, una baja constante dieléctrica de 2,2–2,5, buenas propiedades termomecánicas y una alta temperatura de funcionamiento de alrededor de 90 °C50. aumentando la constante dieléctrica y la pérdida dieléctrica 51. En nuestras muestras, la pérdida dieléctrica es menor para las muestras puras (PVC/LLDPE)ZnO-b. Después de la modificación química, la pérdida dieléctrica aumenta sin el proceso de envejecimiento. Esto significa que la existencia de nanopartículas 52 y los sitios de amina en la mezcla de muestra aumentarán la pérdida dieléctrica, por lo que es posible postular que la modificación química aumentará la constante dieléctrica y la pérdida dieléctrica.

(a) La conductividad eléctrica de CA, (b) la permitividad εʹ y (c) la pérdida dieléctrica εʺ a temperatura ambiente ~ 25 °C de PVC modificado aminado en función de la frecuencia.

El cable era un cable de media tensión subterráneo blindado de 22 kV de un solo núcleo. COMSOL Multiphysics se utilizó para simular la distribución del campo eléctrico en cables de media tensión en este estudio. Se ha estudiado la distribución del campo eléctrico, desde el núcleo de cobre hasta la capa semiconductora exterior del cable. La Figura 9a muestra que a 1 mm de longitud de arco, la distribución del campo eléctrico dentro de los cables marcados con muestra de (PVC/LLDPE)ZnO-b no es uniforme. Para la muestra de (PVC/LLDPE)ZnO-pA, como se muestra en la Fig. 9b, la distribución del campo eléctrico comienza a volverse uniforme y disminuye gradualmente desde el interior hacia el exterior. Esto se debe a que la muestra de ZnO-pA rellena con p-anisidina (PVC/LLDPE) conserva un campo eléctrico uniforme y reduce la tensión electrostática, aumentando los valores de permitividad relativa para los semiconductores internos y externos de 2,05 a 2,23. La conductividad CA óptima (CA: 2,44 × 10–4 S/m) en la permitividad relativa mínima (2,23) se logró para (PVC/LLDPE)ZnO-pA irradiado a 20 kGy. La Figura 9c,d demuestra la distribución del potencial eléctrico de las muestras de (PVC/LLDPE)ZnO-b y (PVC/LLDPE)ZnO-pA, respectivamente, sin que se observe ningún cambio en la curva de comportamiento. La distribución del potencial eléctrico disminuye gradualmente para dos muestras de 22 000 a 0 V.

Distribución de campo eléctrico en cable de media tensión de (a) (PVC/LLDPE)ZnO-b. (b) (PVC/LLDPE)ZnO-pA. (c) (PVC/LLDPE)ZnO-b. (d) Muestra de (PVC/LLDPE)ZnO-pA.

La aminación de una matriz de PVC no funcional se realizó mediante un proceso de reacción química simple entre cuatro reactivos de amina diferentes y PVC para desarrollar un adsorbente para la eliminación de aceite de las fases acuosas. Las mezclas de PVC y LLDPE se compatibilizaron con éxito mediante SBR con radiación ionizante, es decir, radiación gamma en dosis de 0, 10 y 20 kGy. Las pruebas de tracción y estrés indicaron una notable mejora en las propiedades mecánicas después del proceso de irradiación gamma con un contenido creciente de SBR. En particular, el alargamiento (mm) aumenta aproximadamente un 21 %, 30 % y 52 % con un aumento del contenido de SBR del 1 %, 2 % y 3 % a 0 kGy, respectivamente. El uso de SBR evita la formación de agregados y el dominio ZnO tiene una distribución notablemente uniforme, lo que indica una mejor dispersión de partículas. Los resultados de FT-IR y XRD confirman las características aminadas del (PVC/LLDPE)ZnO. La DSC reveló una disminución de la Tg del PVC y una disminución de sus puntos de fusión con el grado de cristalinidad de las mezclas de (PVC/LLDPE)ZnO debido a la formación de cristales menos perfectos resultantes de la modificación por aminación del PVC. Al mismo tiempo, el punto de fusión del LLDPE se divide en dos picos debido a la presencia de regiones irradiadas y no irradiadas, lo que proporciona dos regiones de LLDPE. Las mezclas modificadas muestran una mejora significativa en la eliminación de aceite en comparación con la muestra no modificada. La conductividad eléctrica de las mezclas modificadas aumenta con la frecuencia. El aumento de la conductividad eléctrica del polímero objetivo, el PVC, se debe principalmente al proceso de deshidrocloración (Video complementario S1).

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

Se ha publicado una corrección de este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26900-w

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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

AI Sharshir y SA Fayek

Facultad de Ingeniería, Universidad de Zagazig, Zagazig, Egipto

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

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

Amal F. Abd El-Gawad

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

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Colaboradores 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: AI Sharshir dirigió la redacción del documento y contribuyó a la extracción de datos. : SA Fayek contribuyó a la búsqueda bibliográfica y la extracción de datos. Amal. F. Abd El-Gawad contribuyó a la búsqueda de literatura y redacción de las secciones del manuscrito. . MA Farahat contribuyó a la extracción de datos y preparación de figuras y tablas. MI Ismail contribuyó a la extracción de datos. Mohamed Mohamady Ghobashy contribuyó a resolver los resultados de la extracción de datos y la Introducción. El autor principal (AI Sharshir1, 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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Se revisó la versión original en línea de este artículo: La versión original de este artículo contenía un error en el nombre del autor AI Sharshir, que se proporcionó incorrectamente como Ahmed Ibrahim Sharshir.

Vídeo complementario 1.

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Sharshir, AI, Fayek, SA, El-Gawad, AFA et al. Impacto de la irradiación γ y el contenido de SBR en la compatibilidad de aminado (PVC/LLDPE)/ZnO para mejorar su conductividad AC y eliminación de aceite. Informe científico 12, 19616 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21999-3

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Recibido: 02 febrero 2022

Aceptado: 07 de octubre de 2022

Publicado: 15 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21999-3

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