Исследования DFT и QSAR нанокомпозита PTFE/ZnO/SiO2

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9696 (2023) Цитировать эту статью

378 Доступов

Подробности о метриках

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) является одним из наиболее важных фторполимеров, и одна из последних инициатив заключается в повышении его характеристик за счет использования оксидов металлов (МО). Следовательно, поверхностные модификации ПТФЭ двумя оксидами металлов (МО), SiO2 и ZnO, индивидуально и в виде смеси двух МО, были смоделированы с использованием теории функционала плотности (DFT). Модель B3LYPL/LANL2DZ использовалась в исследованиях, проведенных для отслеживания изменений электронных свойств. Полный дипольный момент (TDM) и энергия запрещенной зоны HOMO/LUMO (∆E) ПТФЭ, которые составляли 0,000 Дебая и 8,517 эВ соответственно, были увеличены до 13,008 Дебая и 0,690 эВ в случае ПТФЭ/4ZnO/4SiO2. Более того, с увеличением нанонаполнителя (PTFE/8ZnO/8SiO2) TDM изменялась до 10,605 Дебая, а ∆E уменьшалась до 0,273 эВ, что приводило к дальнейшему улучшению электронных свойств. Исследования молекулярного электростатического потенциала (MESP) и количественной зависимости структуры-активности (QSAR) показали, что модификация поверхности ПТФЭ ZnO и SiO2 повышает его электрическую и термическую стабильность. Таким образом, улучшенный композит PTFE/ZnO/SiO2 может быть использован в качестве самоочищающегося слоя для костюмов космонавтов, поскольку он обладает относительно высокой подвижностью, минимальной реактивностью по отношению к окружающей среде и термической стабильностью.

Полиэтиленнафталат (ПЭН), полиэтилентерефталат (ПЭТ) и политетрафторэтилен (ПТФЭ) относятся к числу хорошо известных полимеров благодаря своей коррозионной стойкости и электрическим характеристикам, а также низкому коэффициенту трения, высокой термостойкости и экономической эффективности1. Супергидрофобные материалы, такие как фторполимеры, стали исключительным преимуществом в ряде областей применения, включая самоочищение, защиту от обледенения, защиту от коррозии и защитные свойства, такие как высокая эффективность2,3. «Умный текстиль» также считается новой тенденцией, основанной на фторполимерах с наноматериалами, которые могут быть использованы для улучшения текстиля, такого как скафандры и перчатки, для медицинских применений, таких как хирургическая одежда, и для использования в «умных» больницах4,5. ПТФЭ представляет собой полимерную матрицу с низкой поверхностной энергией, химически и термически стабильную6. Инновации в области умных материалов могут быть использованы в космических приложениях, таких как скафандры и хранилища, путем модификации материалов так, чтобы они реагировали на изменения температуры окружающей среды или даже температуры тела7,8,9. Свойства ПТФЭ, такие как антикоррозионные свойства, становятся все более важными, особенно в аэрокосмической промышленности. Значимость обусловлена ​​его преимуществами, которые имеют решающее значение для защиты материалов от растрескивания и/или коррозии в суровых условиях аэрокосмической отрасли. Следовательно, использование антикоррозионного вещества для адекватной защиты и предотвращения ржавчины и коррозии костюмов космонавтов является новым подходом10,11,12. Эффективное производство широкого спектра сенсоров становится возможным благодаря использованию ПТФЭ в качестве подложки для роста нанотрубок ZnO, а также его механических, физических и химических характеристик13. Нанокремнезем — это тип керамического материала, который обладает рядом уникальных свойств, в том числе высокой твердостью, коррозионной стойкостью и превосходной электроизоляцией14. Все эти свойства в совокупности делают SiO2 и ПТФЭ уникальным материалом, который идеально подходит для широкого спектра технических применений15. Кроме того, сочетание SiO2 с полупроводниковыми оксидными материалами, такими как ZnO16, TiO217, Fe2O318 и CuO19, улучшает самоочищающиеся, антикоррозионные, антиотражающие и магнитные характеристики нанокомпозитных материалов.

Композит ПТФЭ/SiO2 имеет супергидрофобную поверхность по сравнению с мембранами из ПТФЭ20. Нановолокна PTFE/SiO2 зарекомендовали себя как надежное изобретение, обладающее превосходной термической и химической стабильностью21. Легирование ПТФЭ SiO2 уменьшает деформацию пористости ПТФЭ, одновременно увеличивая прочность и долговечность материала. По мере увеличения количества SiO2 в композите ПТФЭ/SiO2 увеличивались и механические характеристики22. Также была изучена трибологическая эффективность композитов ПТФЭ/SiO2/эпоксидная смола23. Было замечено, что воздействие нанопластинок Al2O3 на матрицу ПТФЭ увеличивает теплопроводность, термическую стабильность и улучшает механические свойства со значительно улучшенными электрическими свойствами24. Кроме того, электрические характеристики гибридных композитов ПАНИ/ПТФЭ/GO25 и ПТФЭ/CuO/G26 продемонстрировали улучшение, которое можно использовать при изготовлении электрохимических инструментов. Пленка ZnO/SiO2/PTFE поверх стекла обладает противообледенительными свойствами, коррозионной стойкостью и изоляционными свойствами, действуя таким образом как противообледенительная поверхность27. Кроме того, некоторые производные ПТФЭ, такие как тефлон FEP, используются в качестве терморегулирующих слоев для космического телескопа Хаббл (HST)28,29,30. Тефлоновый ФЭП подвержен коррозии в условиях космической среды на низкой околоземной орбите (НОО)31, что подвергает компоненты в космосе повреждениям и коррозии32,33.