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PTFE/ZnO/SiO2 ナノ複合材料の DFT および QSAR 研究
Scientific Reports volume 13、記事番号: 9696 (2023) この記事を引用
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メトリクスの詳細
ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) は最も重要なフッ素ポリマーの 1 つであり、最新の取り組みの 1 つは金属酸化物 (MO) を使用してその性能を向上させることです。 その結果、2 つの金属酸化物 (MO)、SiO2 と ZnO を個別に、または 2 つの MO の混合物として使用した PTFE の表面修飾が、密度汎関数理論 (DFT) を使用してモデル化されました。 B3LYPL/LANL2DZ モデルは、電子特性の変化を追跡するために実施された研究で使用されました。 PTFE の全双極子モーメント (TDM) と HOMO/LUMO バンド ギャップ エネルギー (ΔE) は、それぞれ 0.000 デバイと 8.517 eV でしたが、PTFE/4ZnO/4SiO2 の場合、13.008 デバイと 0.690 eV に向上しました。 さらに、ナノフィラー (PTFE/8ZnO/8SiO2) を増やすと、TDM は 10.605 デバイに変化し、ΔE は 0.273 eV に減少し、電子特性がさらに向上しました。 分子静電ポテンシャル (MESP) および定量的構造活性相関 (QSAR) の研究により、ZnO および SiO2 による PTFE の表面修飾により、電気的および熱的安定性が向上することが明らかになりました。 したがって、改良された PTFE/ZnO/SiO2 複合材料は、比較的高い可動性、周囲環境に対する最小限の反応性、および熱安定性の知見に基づいて、宇宙飛行士のスーツの自浄層として使用できます。
ポリエチレン ナフタレート (PEN)、ポリエチレン テレフタレート (PET)、およびポリテトラフルオロエチレン (PTFE) は、耐食性と電気的特性に加え、低い摩擦係数、高温耐性、およびコスト効率の点でよく知られたポリマーです1。 フッ素ポリマーなどの超疎水性材料は、セルフクリーニング、氷結防止、腐食防止、高効率などの保護特性など、多くの用途で非常に優れた利点をもたらしています2、3。 スマート テキスタイルは、宇宙服や手袋などのテキスタイル、手術着などの医療用途、スマート病院での使用を改善するために使用できるナノマテリアルを含むフッ素ポリマーに基づく新しいトレンドとも考えられています4,5。 PTFE は表面エネルギーが低く、化学的および熱的に安定したポリマー マトリックスです6。 スマートマテリアルのイノベーションは、周囲温度や体温の変化に反応するようにマテリアルを変更することで、宇宙服や保管庫などの宇宙用途に採用される可能性があります7、8、9。 防食特性などの PTFE の特性は、特に航空宇宙産業においてますます重要になってきています。 その重要性は、過酷な航空宇宙環境における亀裂や腐食から材料を保護するために重要なその利点から生じます。 したがって、宇宙飛行士のスーツを錆や腐食から適切に保護および防止するために防食物質を利用することは、新しいアプローチである10、11、12。 ZnO ナノチューブの成長用基板として PTFE を使用することと、その機械的、物理的、化学的特性によって、幅広いセンサーの効果的な製造が可能になります13。 ナノシリカは、高硬度、耐食性、優れた電気絶縁性など、いくつかのユニークな特性を備えたセラミック材料の一種です14。 これらすべての特性が組み合わさって、SiO2 と PTFE は幅広い技術用途に理想的なユニークな材料となっています 15。 さらに、SiO2 を ZnO16、TiO217、Fe2O318、CuO19 などの半導体酸化物材料と組み合わせることで、ナノ複合材料のセルフクリーニング、耐腐食性、反射防止性、磁気特性が向上します。
PTFE/SiO2 複合材料は、PTFE 膜と比較すると超疎水性の表面を持っています20。 PTFE/SiO2 ナノファイバーは、優れた熱的安定性と化学的安定性を備えた信頼性の高い発明であることが示されています 21。 PTFE に SiO2 をドーピングすると、PTFE の多孔性変形が軽減され、同時に材料の引張強度と耐久性が向上します。 PTFE/SiO2 複合材料中の SiO2 の量が増加するにつれて、機械的特性も増加しました 22。 PTFE/SiO2/エポキシ複合材料の摩擦効率も研究されました23。 PTFE マトリックスに対する Al2O3 ナノプレートレットの効果は、熱伝導率と熱安定性を向上させ、電気的特性を大幅に向上させて機械的特性を向上させることが観察されました 24。 さらに、PANI/PTFE/GO25 および PTFE/CuO/G26 ハイブリッド複合材料の電気特性は、電気化学機器の製造に使用できる向上を示しています。 ガラス上の ZnO/SiO2/PTFE フィルムは、防氷性、耐食性、絶縁性を備えて作られており、防氷面として機能します27。 さらに、テフロン FEP などの PTFE の派生品のいくつかは、ハッブル宇宙望遠鏡 (HST) の熱制御層として使用されています 28、29、30。 テフロン FEP は、地球低軌道 (LEO) の宇宙環境により腐食を受けており 31、そのため、宇宙空間ではコンポーネントが損傷や腐食にさらされています 32、33。