Impact de γ

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19616 (2022) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 29 décembre 2022

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Dans certains cas, les mélanges contenant du PVC et du LLDPE présentent une faible compatibilité. L'ajout de caoutchouc styrène-butadiène aux mélanges PVC/LLDPE entraîne une augmentation notable de la résistance à la traction et de la compatibilité des mélanges. De plus, une amélioration de la résistance à la traction est observée après l'incorporation d'un compatibilisant SBR résultant en des doses d'irradiation gamma entièrement différentes. Sans compatibilisant, le mélange présente une phase PVC et LLDPE répartie de tailles et de formes variables ; même une partie importante des domaines ressemblent à des gouttelettes. Le caoutchouc styrène butadiène (SBR) et le rayonnement gamma rendent les mélanges de (PVC/LLDPE) plus compatibles. L'étude SEM des mélanges a démontré que l'ajout du compatibilisant entraînait des morphologies de mélange plus fines avec moins de rugosité. Dans le même temps, l'irradiation gamma a réduit cette gouttelette et a donné une surface plus lisse. Le poly(chlorure de vinyle) (PVC) a été modifié chimiquement avec quatre composés aminés différents, dont l'éthylène diamine (EDA), l'aniline (An), la p-anisidine (pA) et la diméthylaniline (DMA) pour améliorer la conductivité électrique et la capacité d'élimination de l'huile du polymère mélangé. Tous les ionomères ont été préparés par substitution nucléophile dans un système solvant/non-solvant dans des conditions douces. Cette nouveauté de travail montre une voie durable pour produire des matériaux d'adsorption d'huile en recyclant les déchets plastiques. Après le processus d'amination du poly(chlorure de vinyle), l'adsorption d'huile a été considérablement améliorée.

Seuls 18 % des déchets plastiques sont recyclés et 24 % sont brûlés dans le monde. Les 58 % restants sont soit mis en décharge, soit rejetés dans l'environnement, où les plastiques s'assemblent et durent très longtemps1. L'une des plus grandes inquiétudes est maintenant la quantité de débris plastiques qui se retrouvent dans les océans. Les sources de ces matières sont étroitement liées au manque d'infrastructures efficaces pour la gestion des déchets2. Selon les estimations, seuls 10 fleuves d'Asie ou d'Afrique contribuent à environ 90 % des déchets plastiques dans l'océan. Un peu plus de la moitié des déchets de polymères sont constitués de poly(chlorure de vinyle) (PVC) et de polyéthylène (PE)3. Le recyclage de ces polymères serait une solution souhaitable au problème environnemental qui ne fait que s'aggraver4. Mais choisir des déchets polymères du même type générique pour le recyclage ajoute une étape supplémentaire coûteuse. Recycler ensemble les déchets de polymères serait une solution souhaitable. Le traitement et le retraitement des combinaisons PVC/PE révèlent de nombreux enjeux liés à un tel procédé5. En raison de la faible adhésion des phases induite par l'incompatibilité thermodynamique, la mise en œuvre des mélanges PVC/PE est peu susceptible de donner des produits aux qualités mécaniques requises6. Il existe des moyens d'améliorer la situation en modifiant de manière appropriée (compatibilités) les produits chimiques qui améliorent les conditions interfaciales entre les phases7. En conséquence, l'énergie interfaciale des phases non miscibles est abaissée, ce qui se traduit par une dispersion plus fine lors du mélange et une stabilité plus excellente contre la séparation des phases. Il est crucial de combiner le PVC avec le LLDPE, qui a une bonne stabilité à la chaleur et une bonne fluidité à l'état fondu8. Cependant, la solution potentielle et les propriétés du produit des mélanges PVC/polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE) incompatibles ne sont pas souhaitables en raison de structures différentes et d'une mauvaise compatibilité8.

Les mélanges de polymères ont été abordés en raison de leur potentiel théorique et pratique9. Les mélanges homogènes, dans lesquels les composants sont miscibles, et les mélanges hétérogènes, dans lesquels les composants ne sont pas miscibles, sont les deux principales classifications des mélanges de polymères10. En raison de leur faible entropie combinatoire et de leur enthalpie de mélange élevée, la plupart des mélanges de polymères sont non miscibles, ce qui entraîne souvent de mauvaises qualités mécaniques en raison de la tension et de l'adhérence interfaciales élevées11. Par conséquent, une compatibilisation est requise pour les mélanges de polymères non miscibles. En ajoutant un troisième composant appelé "compatibilizer", la compatibilisation peut être forcée dans un mélange binaire incompatible12. Un compatibilisant est souvent un copolymère séquencé ou greffé constitué de polymères réactifs utilisés comme composant d'interface actif. On prédit qu'ils fonctionnent comme des tensioactifs en raison de leur miscibilité avec les composants polymères13. Un plastique standard ayant plusieurs caractéristiques bénéfiques, y compris l'ininflammabilité, l'abordabilité et la flexibilité de la formulation, est le chlorure de polyvinyle (PVC). Le PVC est confronté à des défis pour étendre son application en raison d'une faible stabilité thermique pendant le traitement, d'une faible ténacité et d'une faible température de ramollissement à la chaleur14. La plastification et l'amélioration de l'utilisation des polymères à distorsion thermique sont solubles dans le PVC. En mélangeant du PVC, des mélanges de polymères appropriés ont été créés15. L'un des types de caoutchouc synthétique les plus populaires est le caoutchouc styrène butadiène (SBR), qui a des capacités de traitement et des caractéristiques physiques similaires à celles du caoutchouc naturel (NR)16. Le SBR est plus performant que le NR dans certains domaines, notamment la résistance à l'usure, la résistance à la chaleur et la résistance au vieillissement. Le SBR est utilisé ici comme agent de compatibilité en raison de sa remarquable résistance à l'usure17.

En général, le remplissage avec un oxyde métallique inorganique modifiera probablement toutes les propriétés du polymère pur18. En effet, l'association d'un polymère à des nanoparticules inorganiques crée un nouveau matériau aux propriétés physico-chimiques inédites18. Les caractéristiques des éléments constitutifs, telles que le type de charge et de polymère, déterminent les attributs du matériau composite final18. Ces études suggèrent que la forme, la teneur en particules, la taille des particules, la taille des agrégats, les caractéristiques de surface et le degré de dispersion de la charge ont un impact significatif sur la façon dont la charge affecte les propriétés mécaniques et autres des composites. De nombreuses études ont spécifiquement examiné l'impact de la teneur en charges sur les caractéristiques des matériaux composites. Les caractéristiques de conductivité mécanique et électrique de ces nanocomposites étaient étroitement liées au rapport d'aspect de la charge19,20.

Le chlorure de polyvinyle (PVC) peut être modifié sur sa structure de surface ou de squelette moléculaire en fonction de la substitution nucléophile des atomes de Cl. La modification chimique du comportement hydrophobe de la surface en PVC a diverses applications telles que les surfaces hautement adhésives, les échafaudages de biomatériaux et les surfaces autonettoyantes. Cet article propose une nouvelle technologie de modification de surface du PVC mis à réagir sous irradiation gamma à différentes doses (des réactions de réticulation se produisent). L'ajout de SBR dans différents rapports (0, 1, 2 et 3) % en poids dans les mélanges de PVC et de LLDPE via une extrudeuse à chaud permet la compatibilité entre les matrices PVC et LLDPE. L'effet de la teneur en SBR sur la miscibilité entre le PVC et le LLDPE sera étudié. Les réactions de modification d'amination peuvent permettre un ajustement des propriétés des polymères (https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.04.024) tels que la surface du PVC. Le processus de déshydrochloration, qui est à la base de la modification chimique du PVC, implique l'élimination des atomes de Cl, suivie de résections de substitution ou de production de doubles liaisons par élimination de (–HCl), puis de réactions d'addition. Cela a été accompli en ajoutant des groupes amine au PVC dans des feuilles de PVC/LLDPE avec de l'éthylène diamine, de l'aniline, de la p-anisidine et de la diméthylaniline. Cet article a démontré que la modification chimique affecte de manière significative les propriétés physicochimiques des feuilles de PVC/LLDPE et leur conductivité électrique. A également découvert leur capacité d'élimination de l'huile après modification chimique par rapport à l'échantillon vierge de PVC/LLDPE.

La poudre de PVC recyclé et de LLDPE a été collectée sur le marché sans traitement. Les agents d'amination tels que l'éthylènediamine (EDA-99,5%), l'aniline (An-99%), la p-Ansidine (pA 99%) et la N, N, diméthylaniline (DMA 99%) ont tous été achetés chez Sigma Aldrich. PetroChina Lanzhou Petrochemical Company a fourni du SBR 1500E (styrène à 23,5%). De l'oxyde de zinc (ZnO) a été acheté auprès de la société chinoise Shijiazhuang Zhiyi Zinc Industry Co. Ltd.

Les déchets de PVC et de LDPE sont trempés dans de l'huile de silicone et chauffés pendant 3 h. le but de cette étape est d'éliminer tout excès de charge et de pigment qui pourrait se présenter dans les déchets plastiques. La couleur de l'huile de silicone a changé et les particules résultantes ont été pastillées après fusion. La granulation du PVC et du LLDPE a finalement été séchée au four à 50 ° C pendant environ 12 h. Les composants de PVC, LLDPE, SBR et ZnO ont été prémélangés manuellement dans un récipient ; Le tableau 1 énumère la formulation réelle des échantillons. Une extrudeuse à double vis a été utilisée dans un processus de fusion-mélange pour créer tous les mélanges. Les températures de la trémie à la filière ont été maintenues entre 160 et 290 °C et la vitesse de la vis a été maintenue à environ 200 tr/min. Les échantillons ont été extrudés puis placés dans un moule chauffé pour produire une feuille d'échantillons de (PVC/LLDPE)ZnO. L'échantillon obtenu a été exposé à (0, 10 et 20) kGy de rayonnement gamma.

Le modèle de pont LCR Hioki 3532 a été utilisé pour mesurer l'impédance Z de l'échantillon (PVC/LLDPE)/ZnO et l'angle de phase entre la tension alternative appliquée et le courant résultant dans les échantillons de ZnO irradié et chimiquement modifié (PVC/LLDPE) pour la mesure de la conductivité AC σAC(ω). La fréquence variait de Hz à 600 Hz. La variation de la conductivité AC avec une fréquence à température ambiante sur une 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. L'équation a été utilisée pour calculer la conductivité totale σt (w).

où L est la distance entre les deux électrodes (l'épaisseur de l'échantillon), Z est l'impédance de l'échantillon et A est la section transversale de l'échantillon. En utilisant la relation, la conductivité AC σAc(w) est calculée comme suit :

où σDC(w) est appelé la conductivité DC.

Les films ont été irradiés par un rayonnement γ avec des doses de gamme (0, 10, 20) kGy, en utilisant une source Co60 de rayonnement γ. L'irradiateur gamma est logé dans un bâtiment de blindage construit sur un sol en béton de densité standard (2,36 g/cc), d'une épaisseur d'environ 120 cm, de sorte que personne ne reçoive plus de 10 mR de rayonnement pendant 40 h/semaine, ou que le débit de dose maximal ne dépasse pas 0,2 mR sur tous les accessibles lorsqu'une source de rayonnement au cobalt de 1 000 000 curie est utilisée.

En commençant par l'âme en cuivre du câble et en se déplaçant vers sa couche semi-conductrice externe, la distribution du champ électrique a été étudiée. Une alimentation continue de 2Uo = 24 kV 50 Hz AC a été appliquée aux couches de câble (Uo est la ligne nominale du câble à la tension neutre). Les effets des champs électriques ont ensuite été étudiés à l'aide de COMSOL Multiphysics. Dans ce travail, un câble souterrain isolé unipolaire de 22 kV était l'échantillon de compression. L'analyse utilise le conducteur en cuivre d'un rayon de 4,165 mm, le semi-conducteur interne d'un diamètre de 4,95 mm, l'isolant d'un diamètre de 10,45 mm et le semi-conducteur extrinsèque d'un diamètre de 11,25 mm. Tous les rayons ont été calculés à partir du centre du conducteur en cuivre.

À l'aide d'une machine d'essai mécanique Intron, les caractéristiques de traction des éprouvettes en forme d'haltères ont été mesurées selon la norme ASTM D638 (modèle 5569). Une vitesse de traverse de 10 mm/min a été utilisée pour mesurer la résistance à la traction et l'allongement. À l'aide d'un DSC Mettler Toledo 823e, une calorimétrie à balayage différentiel a été utilisée pour mesurer la température de transition vitreuse (Tg) (Mettler Toledo International Inc., USA). Dans des casseroles en aluminium, des échantillons pesant environ 10 mg ont été préchauffés entre 100 et 190 °C à une vitesse de 10 °C/min avec une période de maintien isotherme de deux minutes à 190 °C. Les échantillons ont ensuite été refroidis à 100 °C une fois de plus puis chauffés à 100 °C à une vitesse de 5 °C/min. À titre indicatif, une casserole vide a été utilisée. Avant les essais, de l'azote liquide a été utilisé pour refroidir les échantillons. Spectroscopie infrarouge utilisant la transformée de Fourier (FTIR) La recherche FTIR a été menée à l'aide d'un spectromètre Bomem-MB102 (ABB-Bomem, USA). Le spectre a été enregistré entre 4000 et 650 cm1 avec une résolution de 4 cm-1. Avec une tension d'accélération de 10 kV, un MEB (JSM-7500F, JEOL, Japon) a été utilisé pour observer la morphologie de la rupture de fatigue dynamique du SBR. Les spécimens ont été traités par pulvérisation d'or avant d'être observés puis collés aux bandes conductrices. Le diffractomètre Philips PW 1830 a été utilisé pour effectuer la DRX. Le faisceau de rayons X fonctionnait à 40 kV et 30 mA avec un rayonnement de filtre de nickel Cu K (= 0,1541 nm). De 5 à 85, les données correspondantes ont été recueillies par incréments de 0,02. Une méthode est la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR/ATR) pour produire un spectre infrarouge d'échantillons solides.

Cet article a étudié l'influence du SBR et les doses d'irradiation gamma sur la compatibilité des composés PVC et LLDPE. Les irradiations de polymères mélangés non miscibles sont principalement compatibilisées après irradiation21. De nombreuses études ont montré que les rayons γ pénètrent plus profondément et produisent des radicaux qui déclenchent des processus réticulés. Par rapport au rayonnement E-Beam, les rayons γ ont un pouvoir de pénétration plus élevé22,23,24,25. Les particules de charge négative du rayonnement E-Beam limitent son pouvoir de pénétration26,27,28,29,30.

La figure 1 montre comment les doses de rayonnement gamma et la teneur en SBR affectent la compatibilité du PVC et du LLDPE. Différentes concentrations de compatibilisant SBR produisent des morphologies complètement distinctes. Sans compatibilisant, le mélange présente une phase dispersée PVC et LDPE de tailles et de formes variables ; même une partie importante des domaines ressemblent à des gouttelettes. Les compatibilisants SBR ont abouti à des domaines PVC avec des conditions communes et des mesures essentiellement cohérentes. Les compatibilisants employés ont un impact significatif sur les tailles de domaine PVC. Il est généralement reconnu qu'un compatibilisant joue deux rôles critiques dans la gestion de la morphologie d'un mélange : la prévention de la coalescence et la réduction de la tension interfaciale. Du fait du rôle des compatibilisants dans la stabilité stérique, on suppose que l'homogénéité de la taille et de la forme des domaines PVC générée par leur addition résulte d'une diminution de la coalescence. Les échantillons vierges (0 kGy) contiennent plus de matrice de gouttelettes avec plus de cavités, comme le montre la figure 1. L'analyse SEM des mélanges a montré que l'ajout du compatibilisant SBR et la méthode d'irradiation produisaient des morphologies de mélange plus fines avec moins de rugosité. Dans les mélanges PVC/LLDPE, le compatibilisant SBR a réduit la coalescence des gouttelettes et a aidé à stabiliser la morphologie fine. La compatibilité entre les matrices LLDPE et PVC a été considérablement améliorée par le niveau de compatibilisant SBR de 3 % en poids. De plus, l'irradiation gamma améliore légèrement la compatibilité plutôt que simplement l'impact SBR. La coalescence des gouttelettes récemment produites devient plus importante lorsque la concentration de SBR augmente.

L'effet des doses d'irradiation et de la teneur en SBR sur la morphologie de surface des mélanges (PVC/LLDPE)ZnO.

En raison de leur faible adhérence interphase et de leur tension interfaciale élevée, le PVC et le LLDPE forment des combinaisons incompatibles, comme indiqué dans plusieurs publications académiques31,32,33. Les propriétés mécaniques du PVC et du LLDPE sont presque inférieures33 et peuvent être améliorées par le procédé d'ajout de SBR et d'irradiation gamma. La figure 2 montre comment les procédés SBR et d'irradiation améliorent la résistance à la traction et l'allongement des mélanges. Ce résultat est dû à la compatibilité accrue du PVC avec le LLDPE. Sur la base des normes ASTM, un test de contrainte a été tracé sur la figure 2a sur différentes teneurs en compatibilisant SBR et doses d'irradiation gamma. La résistance à la force des échantillons de (PVC/LLDPE)ZnO est améliorée après l'ajout de SBR et l'exposition au rayonnement gamma par rapport aux échantillons vierges. Le compatibilisant (SBR) a un bon effet sur la liaison interfaciale après le processus d'irradiation et augmente la résistance à la force des mélanges (PVC/LLDPE)ZnO. L'ajout de SBR augmente la résistance à la force et présente une résistance supérieure du matériau après irradiation gamma en raison de la réticulation induite par l'irradiation gamma de SBR34. Sur la figure 2b, l'allongement (mm) augmente d'environ 21 %, 30 % et 52 % avec une augmentation de la teneur en SBR de 1 %, 2 % et 3 % à 0 kGy, respectivement. Cette différence est due à l'effet plastifiant des chaînes SBR dans l'échantillon de mélanges. Sur la base de la définition de la plastification, l'allongement devrait augmenter avec une augmentation de la concentration en plastifiant35,36,37,38. Après le processus d'irradiation gamma, l'allongement est diminué. Par exemple, à 3 % de SBR, l'allongement a diminué de 11 à 16,8 % pour des doses d'irradiation de 10 kGy et 20 kGy, respectivement. Ceci, en raison de l'irradiation gamma, a induit d'autres réactions réticulées et a ainsi diminué le mouvement des chaînes et l'allongement39,40.

L'effet de la teneur en SBR et des doses d'irradiation sur les propriétés mécaniques du mélange (PVC/LLDPE)ZnO.

Le poly(chlorure de vinyle) (PVC) a été modifié chimiquement avec quatre composés aminés différents, dont l'éthylène diamine (EDA), l'aniline (An), la p-anisidine (pA) et la diméthylaniline (DMA) pour améliorer la conductivité électrique et la capacité d'élimination de l'huile du polymère mélangé. La structure chimique et le mécanisme proposé d'amination du PVC sont représentés sur la figure 3. Après les réactions d'amination, tous les échantillons de (PVC/LLDPE) ZnO-b modifié présentent un degré de coloration variant du brun au brun foncé. Tous les ionomères ont été préparés par substitution nucléophile dans un système solvant/non-solvant dans des conditions douces (tableau 1). La modification chimique du PVC par des nucléophiles a été réalisée dans un ballon à fond rond tricol de 100 ml équipé d'un agitateur magnétique et d'un condenseur. Pratiquement, 90 % en volume d'éthylène diamine (EDA) dissous dans de l'éthanol ont été ajoutés goutte à goutte à 5 g de bande (PVC/LLDPE)/ZnO trempée dans 20 ml de solutions d'éthanol. Le mélange a été chauffé à 80 °C pendant 3 h, puis la bande modifiée (PVC/LLDPE)/ZnO a été immergée dans un mélange de glace et d'eau à l'équilibre thermique. Le nouveau (PVC/LLDPE)/ZnO-EDA modifié a été obtenu et conservé dans des conditions sèches pour d'autres études expérimentales. Un mélange de 5 g de (PVC/LLDPE)/ZnO et 10 ml d'aniline dissous dans 10 ml de solvant éthanol a été agité pendant environ une heure et à une température de 90°C. Après cela, l'aniline modifié (PVC/LLDPE)/ZnO a été lavé avec un mélange d'éthanol/eau. Pour le (PVC/LLDPE)/ZnO modifié avec p-Anisidine, un mélange réactionnel de 5 g et 10 g, respectivement, a été poursuivi en agitant dans 10 ml d'éthanol pendant environ 12 h à température ambiante. Le polymère en bande modifié résultant (PVC/LLDPE)/ZnO-pA a été lavé et séché. Un mélange de diméthylaniline (30 ml) dissous dans 10 ml d'éthanol contenant 5 g de bande (PVC/LLDPE)/ZnO. Le mélange est porté au reflux dans un ballon à fond rond tricol de 100 ml pendant 4 h à une température de 80 °C. Le (PVC/LLDPE)/ZnO-DMA obtenu a été lavé plusieurs fois avec un mélange éthanol/eau. La figure 3 montre les réactions de mécanisme proposées du poly(chlorure de vinyle) (PVC) avec quatre composés aminés différents, dont l'éthylène diamine (EDA), l'aniline (An), la p-anisidine (pA) et la diméthylaniline (DMA). L'amine fonctionnalisée PVC a été formée par l'attaque nucléophile de l'atome (N) sur l'atome de chlore porteur de carbone dans la chaîne polymère du PVC, déclenchant le processus. L'anion chlorure a été laissé comme un bon groupe partant (-HCl).

le poly (chlorure de vinyle/polyéthylène linéaire basse densité)/ZnO fonctionnalisé par une amine proposé avec les quatre amines différentes sélectionnées ; (a) éthylène diamine EDA, (c) aniline An, (d) p-anisidine pA, (e) N, N diméthyl aniline DMA et (b) un mécanisme de réticulation possible pour deux produits fonctionnalisés par des précurseurs de diamine. La photo en bas montre le changement de couleur des échantillons après la réaction d'amination (a) (PVC/LLDPE)ZnO-b, (b) (PVC/LLDPE)ZnO-EDA, (c) (PVC/LLDPE)ZnO-An (d) (PVC/LLDPE)ZnO-pA et (e) (PVC/LLDPE)ZnO-DMA.

Après la modification chimique facile par des groupements d'amination de molécules de PVC en (PVC/LLDPE)ZnO-b via les réactions chimiques nucléophiles. La figure 4 montre les courbes FTIR d'un nouveau groupe PVC fonctionnalisé par une amine formé sur les échantillons de (PVC/LLDPE)ZnO-b. La structure chimique du (PVC/LLDPE)ZnO modifié a été réalisée par FTIR, et chacun des (PVC/LLDPE)ZnO modifié a montré ses pics FTIR caractéristiques en fonction de sa structure chimique. La modification réussie du PVC avec quatre amines différentes peut être démontrée par spectroscopie FTIR sur la Fig. 4. Comme le montre la Fig. 4a (PVC/LLDPE), les réactions réticulées ZnO-b induites par les irradiations gamma se produisent principalement en raison des formations radicalaires et de l'élimination des ions chlorure (par exemple, -HCl)41. Ce processus de déchloration est responsable de la formation de courtes chaînes polymères contenant des fragments C=O et –CH=CH–. Au fur et à mesure que l'irradiation du (PVC/LLDPE)ZnO-b progresse, la formation de C=O et –CH=CH– devient significativement significative. Par conséquent, la spectroscopie FTIR a été utilisée pour examiner la croissance des pics d'absorption correspondant aux groupes C=O et -CH=CH- situés respectivement à 1651 cm-1 et 1602 cm-1. Les changements dans la position de C=O et C=C pour le (PVC/LLDPE)ZnO après modification chimique sont prédits comme le montrent les Fig. 4b-e. Il était clair que les changements de C = O et C = C étaient significativement plus significatifs et plus nets dans le cas du (PVC / LLDPE) ZnO-b. De plus, les deux pics FTIR à 2913 cm-1 et 2884 cm-1 correspondent à la vibration d'étirement asymétrique et symétrique de –CH– est une unité de répétition dans les molécules de LLDPE et de PVC. Les pics FTIR à 722 cm-1 et 1462 cm-1 correspondent respectivement à la vibration d'étirement de C–Cl et à la vibration de flexion de –CH2 dans les molécules de PVC et de LLDPE. La figure 4b montre la courbe FTIR de l'échantillon (PVC / LLDPE) ZnO – EDA, les deux pics caractéristiques situés à 1566 cm-1 et 820 cm-1 sont attribués à la vibration de flexion des liaisons (N – H) et (C – N), respectivement. Le pic situé à 1330 cm-1 correspond à la vibration d'étirement des liaisons (C–N) dans l'échantillon PVC/LLDPE)ZnO-EDA. De plus, le bec large situé à 3410 cm-1 correspond à la vibration d'amidon de (N–H) dans l'amine primaire. Le pic d'élargissement de 3410 cm-1 est dû aux liaisons hydrogène intramoléculaires excitées entre les groupes NH2, comme représenté sur la figure 3b. De plus, le large pic de 3410 cm-1 confirme les réactions réticulées in situ dans l'échantillon PVC/LLDPE)ZnO-EDA. La figure 4c montre les pics caractéristiques des molécules d'aniline dans un échantillon de (PVC/LLDPE) ZnO-An. Les deux pics FTIR situés à 3438 cm-1 et 1267 cm-1 correspondent à la vibration d'étirement des liaisons (N-H) et (C-N) dans les amines secondaires en raison de la réaction entre les molécules d'aniline et de PVC dans l'échantillon (PVC/LLDPE) ZnO-An. La figure 4d montre les pics FTIR caractéristiques de (PVC / LLDPE) ZnO-pA situés à 1609 cm-1 et 1047 cm-1 qui sont attribués à la vibration d'étirement et de flexion des liaisons C – O et N – H dans les molécules de p-anisidine. La figure 4e montre les pics FTIR caractéristiques de (PVC / LLDPE) ZnO -DMA situés à 1223 cm-1 que l'attribution à la vibration d'étirement du CN de l'amine tertiaire et à 1612 cm-1 que cette attribution à la vibration d'étirement de C = C d'un cycle benzénique sans pic NH observé pour les molécules de diméthylaniline.

Les courbes FTIR/ATR pour le PVC modifié aminé dans (PVC/LLDPE).

La figure 5a montre que le diagramme XRD du LLDPE vierge dans l'échantillon vierge de (PVC/LLDPE)ZnO-b est apparu à 20,51° et 23,18°, qui sont attribués aux réflexions 110 et 200 du LLDPE. Dans le même temps, le motif XRD du film PVC vierge à 2θ ~ 17° et 26° n'apparaît pas. Cela pourrait être dû à l'irradiation gamma qui peut provoquer une déchloration (–HCl) des molécules de PVC42. L'ajout de nanoparticules de ZnO dans la matrice (PVC/LLDPE) a fourni de nouveaux pics XRD situés à 30,86°, 34,4°, 36,3°, 47,51°, 56,61°, 62,81°, 66,41°, 67,91°, 69,10°, 72,52°, 76,9° indexés au motif ZnO de (1 00), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112), (201), (004) et (202). La figure 5b – e montre le schéma XRD du (PVC / LLDPE) ZnO-b modifié chimiquement par le processus de substitution nucléophile. Par rapport à la figure 1a, les intensités des pics de diffraction ont considérablement changé après la modification chimique. La figure 3b montre les pics XRD d'un échantillon de (PVC / LLDPE) ZnO -EDA qui ne présentent presque que deux pics à 7, 02 ° et 17, 3 °. La figure 5c montre les pics XRD de (PVC/LLDPE)ZnO-An, qui montrent les pics caractéristiques pointus des molécules d'aniline avec une cristallinité élevée à 16,38°29. Les figures 5c, d montrent les pics XRD des deux (PVC / LLDPE) ZnO – pA, (PVC / LLDPE) ZnO-DMA qui présentent les pics décalés du motif LLDPE et ZnO.

Les courbes XRD du PVC mopdfied aminé dans des échantillons de (PVC/LLDPE)ZnO.

Une calorimétrie à balayage différentiel a été réalisée pour déterminer la température de transition de fusion (Tm) et la température de transition vitreuse (Tg) du mélange recyclé (PVC/LLDPE)ZnO-b et leurs matrices de modification chimique. Les deux températures sont un paramètre essentiel dans la caractérisation des polymères pour évaluer l'effet d'agent compatibilisant du SBR ajouté à l'échantillon de (PVC/LLDPE)ZnO-b en plus de la modification chimique. La figure 6 montre la mesure DSC d'échantillons ZnO modifiés (PVC/LLDPE). Par rapport à l'échantillon blanc, les quatre courbes DSC d'échantillons modifiés ont présenté des changements dans le point de fusion du PVC. Les résultats obtenus confirment que les réactions d'amination ont lieu dans les molécules de PVC par déchloration. La figure 6a présente trois points de fusion (Tm) d'un échantillon de ZnO-b irradié (PVC/LLDPE), deux points de fusion pour le LLDPE à la température de 117 ° C, 120 ° C et 294 ° C attribués aux molécules de PVC. Le pic de fusion du LLDPE en doubles pics situés à 117 °C, 120 °C des échantillons irradiés est dû à la présence de régions irradiées et non irradiées qui donnent des températures de fusion différentes. Le point de fusion le plus élevé (Tm) à 120 ° C est dû aux réactions réticulées induites par l'irradiation gamma du LLDPE. Comme prévu, la température de transition vitreuse (Tg) du (PVC) à ~ 85–93 °C a disparu. Cela pourrait être dû à l'effet de l'agent compatibilisant (SBR) en tant que plastifiant, limitant la température vitreuse du PVC43. La figure 6b montre la courbe DSC d'un échantillon de (PVC/LLDPE) ZnO –EDA qui présentait un pic à l'étranger à 82 °C, correspondant à la teneur en humidité. Les résultats ont indiqué que les réactions d'amination par EDA sont une méthode efficace pour augmenter l'hydrophilie du PVC. De plus, l'augmentation du point de fusion (310 ° C) de l'échantillon (PVC / LLDPE) ZnO – EDA est due aux liaisons H intramoléculaires établies après modification chimique, comme le confirment les données FTIR. La figure 4 cd présente le DSC des trois échantillons ((PVC/LLDPE)ZnO-An, (PVC/LLDPE) ZnO-pA et (PVC/LLDPE)ZnO-DMA)) avec une seule Tg à la température de (98, 88 et 95) °C, respectivement. Le PVC a une Tg à une température de 93,5 °C selon les données DSC trouvées dans la littérature44,45,46. Ce fait renforce l'effet plastifiant induit par la p-anisidine, en particulier le pourcentage de 5% en poids de ZnO, il pourrait augmenter la Tg lorsqu'il agit comme une charge47,48. De plus, lorsque l'aniline et la N, N, diméthylaniline ont réagi avec des molécules de PVC, cela a provoqué une augmentation de leur Tg en raison de la restriction de la rotation libre et donc du mouvement segmentaire restreint49. D'autre part, le point de fusion (Tm) du PVC a diminué à la température de 257 °C, 251 °C et 277 °C pour les échantillons ((PVC/LLDPE)ZnO-An, (PVC/LLDPE) ZnO-pA et (PVC/LLDPE)ZnO-DMA)), respectivement. Les données DSC ont confirmé la modification par amination chimique des échantillons de (PVC/LLDPE)ZnO-b.

Les thermogrammes DSC du PVC modifié aminé en (PVC/LLDPE)ZnO.

Parmi les groupes d'amination qui ont été utilisés, l'aniline (An), la p-anisidine et la diméthylaniline (DMA) semblent posséder la meilleure capacité d'élimination de l'huile moteur (41, 38 et 43) %, respectivement. Les données obtenues ont confirmé que les trois réactifs d'amination (An, pA et DMA) deviennent plus efficaces pour éliminer l'huile moteur que l'échantillon à blanc en raison du pourcentage du cycle benzénique aromatique. Les deux échantillons de (PVC/LLDPE)ZnO-b et (PVC/LLDPE)ZnO-EDA semblent être les moins efficaces pour cette tâche en raison de l'absence de cycle benzénique aromatique et de groupe NH2 supplémentaire dans l'échantillon (PVC/LLDPE)ZnO-EDA. Une diminution de la capacité d'élimination de l'huile moteur par rapport à l'huile de ricin a été observée pour tous les échantillons en raison de l'adsorption de l'huile de ricin sur les groupes amine en raison de la formation de liaisons H intermoléculaires. Comme le montre la figure 7a, la capacité d'élimination de l'huile de ricin de l'échantillon à blanc (PVC / LLDPE) ZnO-b modifié par trois réactifs amines (EDA, An et DMA) a été améliorée. L'échantillon de (PVC/LLDPE)ZnO-EDA et deux autres échantillons modifiés aminés de (PVC/LLDPE)ZnO-An et (PVC/LLDPE)ZnO-DMA ont montré une capacité d'élimination élevée de l'huile de ricin (53, 51 et 43) %, respectivement. Les données structurelles de l'huile de ricin et de l'échantillon de ZnO-EDA modifié aminé (PVC / LLDPE) prouvent la capacité d'adsorption élevée due aux liaisons H intermoléculaires établies entre les groupes C = O et OH dans les huiles de ricin avec des groupes NH2 dans (PVC / LLDPE) ZnO-EDA comme résumé à la Fig. 7b. Tous ces paramètres structuraux modifiés semblent être influencés par la capacité d'adsorption de l'huile. Cela met en évidence que la distribution des sites amines sur les adsorbants est essentielle pour une performance d'adsorption élevée de l'huile de ricin. La figure 7c met en évidence que le cycle benzénique aromatique dans (PVC/LLDPE)ZnO-DMA donne des sites hydrophobes à la surface de l'adsorbant, ce qui est essentiel à la haute performance de l'adsorption de l'huile moteur et de l'hydrofugation.

(a) la capacité d'adsorption de l'huile moteur et de l'huile de ricin par le PVC modifié aminé dans (PVC/LLDPE)ZnO en fonction de la nature du réactif d'amination, (b) la formation de liaisons H intermoléculaires proposée entre l'huile Castro et les groupes NH2 dans les échantillons (PVC/LLDPE)ZnO-EDA et (c) l'efficacité de l'élimination de l'huile moteur par (PVC/LLDPE)ZnO-DMA.

La figure 8a représente le blanc irradié par conductivité électrique (PVC/LLDPE) ZnO-b et l'échantillon aminé modifié. On observe que le mélange (PVC/LLDPE) ZnO-pA avait une conductivité électrique plus élevée que les autres échantillons à une fréquence donnée malgré l'augmentation de la conductivité électrique du PVC avec l'augmentation de la fréquence. L'augmentation de la conductivité du mélange modifié pourrait être attribuée à la formation de sites amine qui peuvent être à l'état de protonation. La protonation est formée chimiquement de liaisons H intermoléculaires et intramoléculaires en tant que processus de dopage inorganique : la protonation des groupes amines est connue pour être plus conductrice en raison d'un degré élevé de conjugaison. La permittivité ε' et la perte diélectrique ε" pour les échantillons de PVC modifié aminé ont été représentées sur la Fig. 8b,c sur une plage de fréquences de 0,01 Hz à 600 Hz. Les mesures ont été effectuées à température ambiante (25 ± 1 °C). À partir de la Fig. 8b,c, les valeurs de ε' diminuent en augmentant la fréquence appliquée montrant une dispersion anormale. Dans une telle plage, la permittivité a une contribution de la polarisation d'orientation. De plus, ε' & ε" augmentation de l'ordre (PVC/LLDPE)ZnO-pA, (PVC/LLDPE)ZnO-EDA, (PVC/LLDPE)ZnO-DMA, (PVC/LLDPE)ZnO-An et (PVC/LLDPE)ZnO-b. Cette augmentation de ε' & ε" avec l'incorporation de groupes amino est due à l'augmentation des interactions dipôles-dipôles et des liaisons H intramoléculaires qui conduit à une augmentation de la polarisation d'orientation et également à la présence d'une polarisation interfaciale. température d'environ 90 °C50. Les échantillons vieillis montrent une constante diélectrique et une perte diélectrique croissantes. Dans nos échantillons, la perte diélectrique est plus mineure pour les échantillons purs (PVC/LLDPE)ZnO-b. Après modification chimique, la perte diélectrique est augmentée sans processus de vieillissement. Cela signifie que l'existence de nanoparticules52 et de sites amines sur le mélange d'échantillons augmentera la perte diélectrique. Il est donc possible de postuler que la modification chimique augmentera la constante diélectrique et la perte diélectrique.

(a) La conductivité électrique AC, (b) la permittivité εʹ et (c) la perte diélectrique εʺ à température ambiante ~ 25 °C du PVC modifié aminé en fonction de la fréquence.

Le câble était un câble moyenne tension souterrain blindé à un conducteur de 22 kV. COMSOL Multiphysics a été utilisé pour simuler la distribution du champ électrique dans les câbles moyenne tension dans cette étude. La distribution du champ électrique a été étudiée, en partant de l'âme en cuivre jusqu'à la couche semi-conductrice externe du câble. La figure 9a montre qu'à 1 mm de longueur d'arc, la distribution du champ électrique à l'intérieur des câbles marqués (PVC/LLDPE)ZnO-b n'est pas uniforme. Pour l'échantillon (PVC/LLDPE)ZnO-pA, comme le montre la figure 9b, la distribution du champ électrique commence à devenir uniforme et diminue progressivement de l'intérieur vers l'extérieur. En effet, l'échantillon de ZnO-pA rempli de p-anisidine (PVC/LLDPE) préserve un champ électrique uniforme et réduit la tension électrostatique, augmentant les valeurs de permittivité relative pour les semi-conducteurs internes et les semi-conducteurs externes de 2,05 à 2,23. La conductivité AC optimale (AC : 2,44 × 10–4 S/m) en permittivité relative minimale (2,23) a été atteinte pour le (PVC/LLDPE)ZnO-pA irradié à 20 kGy. Les figures 9c,d montrent la distribution du potentiel électrique des échantillons (PVC/LLDPE)ZnO-b et (PVC/LLDPE)ZnO-pA, respectivement, sans changement noté dans la courbe de comportement. La distribution du potentiel électrique diminue progressivement pour deux échantillons de 22 000 à 0 V.

Répartition du champ électrique dans un câble moyenne tension de (a) (PVC/LLDPE)ZnO-b. (b) (PVC/LLDPE)ZnO-pA. (c) (PVC/LLDPE)ZnO-b. (d) Échantillon de (PVC/LLDPE)ZnO-pA.

L'amination d'une matrice de PVC non fonctionnelle a été réalisée à l'aide d'un processus de réaction chimique simple entre quatre réactifs amine différents et du PVC pour développer un adsorbant pour l'élimination de l'huile des phases aqueuses. Les mélanges de PVC et de LLDPE ont été compatibilisés avec succès par SBR avec une irradiation ionisante, à savoir une irradiation gamma à la dose de 0, 10 et 20 kGy. Les tests de traction et de contrainte ont indiqué une amélioration remarquable des propriétés mécaniques après le processus d'irradiation gamma avec une teneur croissante en SBR. En particulier, l'allongement (mm) augmente d'environ 21 %, 30 % et 52 % avec une augmentation de la teneur en SBR de 1 %, 2 % et 3 % à 0 kGy, respectivement. L'utilisation de SBR empêche la formation d'agrégats et le domaine ZnO est une distribution remarquablement uniforme, indiquant ainsi une meilleure dispersion des particules. Les résultats FT-IR et XRD confirment les caractéristiques aminées du (PVC/LLDPE)ZnO. La DSC a révélé une diminution de la Tg du PVC et une diminution de leurs points de fusion avec le degré de cristallinité des mélanges (PVC/LLDPE)ZnO en raison de la formation de cristaux moins parfaits résultant de la modification par amination du PVC. Dans le même temps, le point de fusion du LLDPE est divisé en deux pics en raison de la présence de régions irradiées et non irradiées, fournissant deux régions LLDPE. Les mélanges modifiés montrent une amélioration significative de l'élimination de l'huile par rapport à l'échantillon non modifié. La conductivité électrique des mélanges modifiés augmente avec la fréquence. L'augmentation de la conductivité électrique du polymère cible, le PVC, est principalement due au processus de déshydrochloration (Vidéo supplémentaire S1).

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

Une correction à cet article a été publiée : https://doi.org/10.1038/s41598-022-26900-w

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Mohamed Mohamed Ghobashy

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Contributeurs 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 : AI Sharshir a dirigé la rédaction du document et a contribué à l'extraction des données. : SA Fayek a contribué à la recherche documentaire et à l'extraction des données. Amal. F. Abd El-Gawad a contribué à la recherche documentaire et à la rédaction des sections du manuscrit. . MA Farahat a contribué à l'extraction des données et à la préparation des figures et des tableaux. MI Ismail a contribué à l'extraction des données. Mohamed Mohamady Ghobashy a contribué à résoudre les résultats de l'extraction des données et l'introduction. L'auteur principal (AI Sharshir1, 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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La version originale en ligne de cet article a été révisée : la version originale de cet article contenait une erreur dans le nom de l'auteur AI Sharshir qui était incorrectement donné comme étant Ahmed Ibrahim Sharshir.

Vidéo supplémentaire 1.

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Réimpressions et autorisations

Sharshir, AI, Fayek, SA, El-Gawad, AFA et al. Impact de l'irradiation γ et de la teneur en SBR sur la compatibilité des amines (PVC/LLDPE)/ZnO pour améliorer leur conductivité AC et leur déshuilage. Sci Rep 12, 19616 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21999-3

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Reçu : 02 février 2022

Accepté : 07 octobre 2022

Publié: 15 novembre 2022

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

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