Études DFT et QSAR du nanocomposite PTFE/ZnO/SiO2

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9696 (2023) Citer cet article

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Le polytétrafluoroéthylène (PTFE) est l'un des fluoropolymères les plus importants, et l'une des initiatives les plus récentes consiste à augmenter ses performances en utilisant des oxydes métalliques (MO). Par conséquent, les modifications de surface du PTFE avec deux oxydes métalliques (MO), SiO2 et ZnO, individuellement et en tant que mélange des deux MO, ont été modélisées à l'aide de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Le modèle B3LYPL/LANL2DZ a été utilisé dans les études menées pour suivre l'évolution des propriétés électroniques. Le moment dipolaire total (TDM) et l'énergie de bande interdite HOMO/LUMO (∆E) du PTFE, qui étaient respectivement de 0,000 Debye et 8,517 eV, ont été améliorés à 13,008 Debye et 0,690 eV dans le cas du PTFE/4ZnO/4SiO2. De plus, avec l'augmentation de la charge nanométrique (PTFE/8ZnO/8SiO2), le TDM est passé à 10,605 Debye et le ∆E a diminué à 0,273 eV, entraînant une nouvelle amélioration des propriétés électroniques. Les études sur le potentiel électrostatique moléculaire (MESP) et la relation quantitative structure-activité (QSAR) ont révélé que la modification de la surface du PTFE avec du ZnO et du SiO2 augmentait sa stabilité électrique et thermique. Le composite PTFE/ZnO/SiO2 amélioré peut donc être utilisé comme couche autonettoyante pour les combinaisons d'astronautes sur la base des résultats d'une mobilité relativement élevée, d'une réactivité minimale à l'environnement et d'une stabilité thermique.

Le polyéthylène naphtalate (PEN), le polyéthylène téréphtalate (PET) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE) font partie des polymères bien connus en raison de leur résistance à la corrosion et de leurs caractéristiques électriques, ainsi que de leur faible coefficient de frottement, de leur résistance aux températures élevées et de leur rentabilité1. Les matériaux super hydrophobes tels que les polymères fluorés sont devenus un avantage extraordinaire dans un certain nombre d'applications, notamment en termes d'autonettoyage, d'antigivrage, d'anticorrosion et de propriétés protectrices telles qu'une efficacité élevée2,3. Les textiles intelligents sont également considérés comme une nouvelle tendance basée sur les fluoropolymères avec des nanomatériaux qui pourraient être utilisés pour améliorer les textiles tels que les combinaisons spatiales et les gants, les applications médicales telles que les vêtements chirurgicaux et leur utilisation dans les hôpitaux intelligents4,5. Le PTFE est une matrice polymère à faible énergie de surface et chimiquement et thermiquement stable6. L'innovation en matière de matériaux intelligents pourrait être utilisée dans des applications spatiales telles que les combinaisons spatiales et le stockage en modifiant les matériaux pour réagir aux changements de température ambiante ou même de température corporelle7,8,9. Les propriétés du PTFE telles que les propriétés anticorrosion deviennent de plus en plus importantes, notamment dans l'industrie aérospatiale. Son importance découle de ses avantages, qui sont essentiels pour protéger les matériaux contre la fissuration et/ou la corrosion dans l'environnement aérospatial rigoureux. Par conséquent, l’utilisation d’une substance anticorrosion pour protéger et empêcher adéquatement les combinaisons d’astronautes de la rouille et de la corrosion constitue une nouvelle approche10,11,12. La fabrication efficace d’une large gamme de capteurs est rendue possible par l’utilisation du PTFE comme substrat pour la croissance des nanotubes de ZnO, ainsi que par ses caractéristiques mécaniques, physiques et chimiques13. La nano-silice est un type de matériau céramique qui possède plusieurs propriétés uniques, notamment une dureté élevée, une résistance à la corrosion et une isolation électrique exceptionnelle14. Toutes ces propriétés se combinent pour faire du SiO2 et du PTFE un matériau unique, idéal pour un large éventail d'applications techniques15. De plus, la combinaison de SiO2 avec des matériaux oxydes semi-conducteurs tels que ZnO16, TiO217, Fe2O318 et CuO19 améliore les caractéristiques autonettoyantes, anticorrosion, antireflet et magnétiques des matériaux nanocomposites.

Le composite PTFE/SiO2 a une surface superhydrophobe par rapport aux membranes PTFE20. Les nanofibres PTFE/SiO2 se sont révélées être une invention fiable pour une excellente stabilité thermique et chimique21. Le dopage du PTFE avec SiO2 réduit la déformation de la porosité du PTFE tout en augmentant simultanément la résistance à la traction et l'endurance du matériau. À mesure que la quantité de SiO2 dans le composite PTFE/SiO2 augmentait, les caractéristiques mécaniques augmentaient également22. L’efficacité tribologique des composites PTFE/SiO2/Epoxy a également été étudiée23. Il a été observé que l’effet des nanoplaquettes d’Al2O3 sur la matrice PTFE augmente la conductivité thermique, la stabilité thermique et améliore les propriétés mécaniques avec des propriétés électriques considérablement améliorées24. De plus, les caractéristiques électriques des composites hybrides PANI/PTFE/GO25 et PTFE/CuO/G26 ont montré une amélioration susceptible d'être utilisée dans la fabrication d'instruments électrochimiques. Le film ZnO/SiO2/PTFE recouvrant le verre a été fabriqué avec des propriétés antigivrantes, une résistance à la corrosion et des propriétés isolantes, agissant ainsi comme une surface antigivrante27. De plus, certains dérivés du PTFE, tels que le Téflon FEP, sont utilisés comme couches de contrôle thermique pour le télescope spatial Hubble (HST)28,29,30. Le téflon FEP souffre de corrosion en raison de l'environnement spatial en orbite terrestre basse (LEO)31, exposant ainsi les composants dans l'espace à des dommages et à la corrosion32,33.