PTFE/ZnO/SiO2 나노복합체의 DFT 및 QSAR 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9696(2023) 이 기사 인용

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폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 가장 중요한 불소중합체 중 하나이며, 가장 최근의 시도 중 하나는 금속 산화물(MO)을 사용하여 성능을 높이는 것입니다. 결과적으로 두 개의 금속 산화물(MO)인 SiO2와 ZnO를 개별적으로 그리고 두 MO의 혼합물로 사용하여 PTFE의 표면 변형을 밀도 함수 이론(DFT)을 사용하여 모델링했습니다. B3LYPL/LANL2DZ 모델은 전자 특성의 변화를 추적하기 위해 수행된 연구에 사용되었습니다. PTFE의 총 쌍극자 모멘트(TDM)와 HOMO/LUMO 밴드 갭 에너지(ΔE)는 각각 0.000 Debye 및 8.517eV였으며, PTFE/4ZnO/4SiO2의 경우 13.008 Debye 및 0.690eV로 향상되었습니다. 또한, 나노 필러(PTFE/8ZnO/8SiO2) 증가에 따라 TDM은 10.605 Debye로 변화하고 ΔE는 0.273 eV로 감소하여 전자 특성이 더욱 향상되었습니다. 분자 정전기 전위(MESP)와 정량적 구조 활성 관계(QSAR) 연구에 따르면 ZnO 및 SiO2를 사용한 PTFE의 표면 변형이 전기적 및 열적 안정성을 증가시키는 것으로 나타났습니다. 따라서 개선된 PTFE/ZnO/SiO2 복합재는 상대적으로 높은 이동성, 주변 환경에 대한 최소 반응성 및 열 안정성에 대한 연구 결과를 바탕으로 우주복의 자가 세척 층으로 사용될 수 있습니다.

폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 내식성 및 전기적 특성은 물론 낮은 마찰계수, 고온 저항 및 비용 효율성으로 인해 잘 알려진 폴리머 중 하나입니다1. 불소중합체와 같은 초소수성 재료는 자가 세척, 결빙 방지, 부식 방지 및 고효율과 같은 보호 특성을 포함한 다양한 응용 분야에서 탁월한 이점이 되었습니다2,3. 스마트 직물은 또한 우주복, 장갑과 같은 직물, 수술복과 같은 의료 응용 분야 및 스마트 병원에서의 사용을 개선하는 데 사용될 수 있는 나노물질이 포함된 불소중합체를 기반으로 하는 새로운 트렌드로 간주됩니다4,5. PTFE는 표면 에너지가 낮은 폴리머 매트릭스이며 화학적, 열적으로 안정적입니다6. 스마트 소재 혁신은 주변 온도 또는 체온 변화에 반응하도록 소재를 수정하여 우주복 및 보관함과 같은 우주 응용 분야에 사용될 수 있습니다7,8,9. 부식 방지 특성과 같은 PTFE 특성은 특히 항공우주 산업에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 그 중요성은 혹독한 항공우주 환경에서 재료의 균열 및/또는 부식을 방지하는 데 중요한 이점에서 비롯됩니다. 결과적으로, 부식 방지 물질을 활용하여 우주복을 녹과 부식으로부터 적절하게 보호하고 방지하는 것은 새로운 접근 방식입니다. 광범위한 센서의 효과적인 제조는 PTFE를 ZnO 나노튜브의 성장을 위한 기판으로 사용하고 기계적, 물리적, 화학적 특성을 통해 가능해집니다. 나노 실리카는 높은 경도, 내식성, 뛰어난 전기 절연성 등 여러 가지 독특한 특성을 지닌 세라믹 소재의 일종입니다14. 이러한 모든 특성이 결합되어 SiO2와 PTFE는 광범위한 기술 응용 분야에 이상적인 고유한 재료가 됩니다15. 또한, SiO2를 ZnO16, TiO217, Fe2O318, CuO19 등의 반도체 산화물 소재와 결합하면 나노복합 소재의 자기 세척성, 부식 방지성, 반사 방지성, 자기적 특성이 향상됩니다.

PTFE/SiO2 복합재는 PTFE 멤브레인과 비교할 때 초소수성 표면을 가지고 있습니다20. PTFE/SiO2 나노섬유는 탁월한 열적, 화학적 안정성을 제공하는 신뢰할 수 있는 발명품인 것으로 나타났습니다21. SiO2로 PTFE를 도핑하면 PTFE 다공성 변형이 감소하는 동시에 재료의 인장 강도와 내구성이 향상됩니다. PTFE/SiO2 복합체에서 SiO2의 양이 증가함에 따라 기계적 특성도 증가했습니다22. PTFE/SiO2/에폭시 복합재의 마찰공학적 효율성도 연구되었습니다23. PTFE 매트릭스에 대한 Al2O3 나노판의 효과는 열 전도성, 열 안정성을 증가시키고 전기적 특성을 크게 향상시켜 기계적 특성을 향상시키는 것으로 관찰되었습니다24. 또한, PANI/PTFE/GO25 및 PTFE/CuO/G26 하이브리드 복합재의 전기적 특성은 전기화학 기기 제작에 사용될 수 있는 개선을 보여주었습니다. 유리 위의 ZnO/SiO2/PTFE 필름은 결빙 방지 특성, 내식성 및 절연 특성을 갖도록 만들어져 결빙 방지 표면 역할을 합니다. 또한 Teflon FEP와 같은 일부 PTFE 파생물은 허블 우주 망원경(HST)28,29,30의 열 제어 레이어로 사용됩니다. Teflon FEP는 저궤도(LEO)31의 우주 환경으로 인해 부식이 발생하여 우주의 구성 요소가 손상 및 부식에 노출됩니다32,33.