Nanokomposit Grafena Oksida Terditir Nanotubus Titanat: Meningkatkan Ketahanan Api dan Fotodegradasi PVC Fleksibel
Abstrak
Sebagian besar polimer menunjukkan kemampalan tinggi dan degradasi yang buruk, yang membatasi aplikasi mereka dan menyebabkan masalah lingkungan serius seperti "polusi putih." Oleh karena itu, nanotubus titanat (TNTs) digunakan untuk menghiasi grafena oksida (GO) melalui metode larutan sederhana untuk menghasilkan nanokomposit TNTs/GO dengan potensi dalam meningkatkan ketahanan api dan fotodegradasi polivinil klorida (PVC) fleksibel. Hasil menunjukkan bahwa TNTs/GO yang disiapkan dapat secara efektif meningkatkan stabilitas termal dan ketahanan api dibandingkan dengan TNTs dan GO, khususnya, laju pelepasan panas puncak dan total pelepasan panas berkurang sebesar 20 dan 29% dengan pemuatan hanya 2,5 wt.%. Lebih lanjut, TNTs/GO juga meningkatkan fotodegradasi PVC dibandingkan dengan PVC murni. Alasannya dapat dikaitkan dengan efek sinergis anti-api dan fotokatalitik antara TNTs dan GO. Penelitian saat ini dapat berkontribusi dalam membuka jalur yang dapat dijalankan untuk konstruksi komposit matriks polimer dengan ketahanan api dan fotodegradasi yang diinginkan, sehingga membantu mengeliminasi polusi putih yang disebabkan oleh polimer.
Latar Belakang
Bahan berbasis polimer digunakan secara luas dalam kehidupan sehari-hari dan banyak bidang industri, karena properti yang baik seperti rasio berat terhadap kekuatan yang rendah, biaya yang relatif rendah, dan stabilitas fisik dan kimia yang baik. Namun, sebagian besar polimer mudah terbakar dan dapat menyebabkan potensi bahaya bagi nyawa dan properti manusia, karena sifat organiknya [1,2,3,4]. Dalam waktu yang sama, mereka biasanya menunjukkan inersia kimia dan non-biodegradasi, sehingga menghasilkan polusi putih yang parah untuk mencemari tanah dan air [5,6,7,8]. Untuk mengatasi masalah ini, banyak peneliti telah berusaha untuk membangun anti-api baru guna meningkatkan ketahanan api dan mengurangi polusi limbah polimer.
Untuk mengatasi kemampalan polimer, peneliti telah mengeksplorasi berbagai strategi dalam beberapa dekade terakhir [9]. Ditemukan bahwa pemasukkan pengisi nano efektif dalam meningkatkan ketahanan api matriks polimer, dan aditif anti-api non-toksik dan ramah lingkungan sangat berarti dalam merespon kekhawatiran lingkungan masyarakat. Di antara berbagai aditif non-toksik dan ramah lingkungan, bahan berbasis grafena potensial menarik, karena grafena dan grafena oksida (GO) dengan struktur berlapis dan luas permukaan spesifik tinggi dapat bertindak sebagai penghalang untuk menghambat pelepasan panas dan mencegah gas pembakaran kontak dengan api [10,11,12]. Khususnya, grafena atau GO sebagai aditif penting dapat digabungkan dengan nanomaterial anorganik untuk memberikan calon anti-api yang menjanjikan [13,14,15]. Ini disebabkan oleh kenyataan bahwa kombinasi dua atau lebih komponen sering kali dapat menunjukkan sinergisme atau mengintegrasikan berbagai model anti-api, sehingga menawarkan peningkatan yang tidak terduga dalam properti komposit. Misalnya, pengisi nano anorganik, logam atau nanomaterial turunan logam, seperti Ce-MnO2 [16], TiO2 [17, 18], MoS2 [19], hidroksoid berlapis ganda [20], dan ZnSn(OH)6 [21] dapat dengan mudah digabungkan dengan grafena untuk memberikan anti-api berbasis grafena.
Strategi sinergis di atas bermakna dalam meningkatkan ketahanan api polimer. Namun, ini masih akan tidak terlayak dalam teknik kecuali polusi putih polimer sekaligus dikurangi atau bahkan dihilangkan. Jalur yang tersedia saat ini untuk mengatasi polusi putih polimer mencakup pembuangan di tanah dan pembakaran. Namun, pembuangan di tanah dan pembakaran sering kali dapat menyebabkan polusi sekunder yang serius, seperti pencemaran tanah dan air oleh pembuangan di tanah serta pelepasan gas beracun selama pembakaran. Bottleneck ini, untungnya, dapat diatasi dengan menerapkan sinar matahari untuk fotodegradasi limbah polimer dalam mode yang efisien dan dapat diterima lingkungan [5]. Misalnya, TiO2, katalis fotofasa padat penting, dapat diimpor dalam polistiren untuk menghasilkan film nanokomposit polistiren-TiO2 yang dapat terdegradasi fotokatalitik secara efisien di bawah sinar ultraviolet (UV) di udara [22, 23]. TiO2 yang dimodifikasi Vitamin C (VC) dapat memberikan film nanokomposit polistiren-TiO2 yang dapat difotodegradasi dengan efisiensi fotodegradasi tinggi, yang disebabkan oleh pembentukan kompleks transfer muatan TiIV–VC dengan struktur chelate cincang lima anggota yang dapat memprolongkan pemisahan muatan yang dihasilkan foto dengan cepat [24].
Dalam penelitian saat ini, kami mencoba menggabungkan aditif anti-api yang tepat dengan aditif fotodegradasi untuk sekaligus meningkatkan ketahanan api dan fotodegradasi PVC fleksibel, termoplastik yang digunakan secara luas dalam bidang industri elektronik, alat rumah tangga, dan bahan bangunan. Kami memberikan perhatian khusus pada nanotubus titanat satu dimensi (TNTs) daripada nanopartikel titania dengan luas permukaan relatif kecil, karena TNTs yang digabungkan dengan GO dapat memiliki properti anti-api yang diinginkan dan aktivitas fotokatalitik terhadap polimer [17, 24]. Strategi kombinasi ini mungkin dapat dijalankan, karena TNTs dapat memukulkan dan membentuk struktur jaringan yang bertindak sebagai penghalang efektif untuk menahan pelepasan gas mudah terbakar dan mengubah jalur degradasi [25, 26]. Dalam waktu yang sama, TNTs dengan efek penyerapan radikal menunjukkan kemampuan menahan asap yang baik serta aktivitas fotokatalitik yang baik terhadap Rhodamine B atau pengolahan air limbah. Artikel ini melaporkan persiapan nanokomposit grafena oksida yang dihiasi TNTs (TNTs/GO) melalui rute reaksi larutan sederhana. Ini juga membahas ketahanan api dan fotodegradasi komposit TNTs/GO-PVC, dengan penekanan pada strategi untuk sekaligus meningkatkan ketahanan api dan mengurangi polusi putih polimer.
Metode
Bahan-Bahan
PVC (untuk cetak injeksi) dibeli dari Tianjin Botian Chemical Company Limited (Tianjin, China). Nanotubus titanat natrium komersial (NaTA) disediakan oleh Engineering Technology Research Center for Nanomaterials (Jiyuan, China). Bubuk grafit (murni spektral) dibeli dari Sinopharm Chemical Reagent Company Limited (Shanghai, China). Etanol (C2H5OH) dibeli dari Anhui Ante Food Company Limited (Suzhou, China). Asam sulfur konsentrat grade reagen (98%), larutan H2O2 30%, asam klorida, dan 1,2-etandiamin (C2H4(NH2)2) disediakan oleh Tianjin Kermel Chemical Reagent Company (Tianjin, China). Air deionisasi disiapkan di laboratorium kami. Semua reagen digunakan seperti yang diterima tanpa pemurnian lebih lanjut.
Persiapan Lembar Nanos GO dan Pengisi Nano TNTs/GO
Lembar nanos GO disiapkan dari grafit alami yang difurnikan melalui metode yang dilaporkan oleh Hummers dan Offeman [27, 28]. Pengisi nano TNTs/GO disiapkan melalui metode larutan sederhana dan praktis. Dalam prosedur umum, 1,5 g NaTA ditambahkan ke 150 mL H2O di bawah pengacuan halus dengan bantuan ultrasonik, dan pH larutan disesuaikan menjadi 1,6 dengan asam klorida. Setelah 30 menit pengacuan, 0,1 g GO yang disiapkan ditambahkan ke larutan dan diultrasonik selama 1 jam untuk menghasilkan suspensi seragam. Suspensi dipindahkan ke kolong 250 mL dan dipertahankan pada 70 °C selama 5 jam. Setelah reaksi selesai, endapan dikumpulkan melalui filtrasi dan dicuci beberapa kali dengan air destilasi dan etil alkohol untuk menghilangkan sisa pengotor. Endapan yang diperoleh dikeringkan pada 60 °C selama 18 jam untuk menyediakan pengisi nano TNTs/GO.
Persiapan Komposit TNTs/GO-PVC
Komposit TNTs/GO-PVC yang diisi dengan berbagai kandungan pengisi nano TNTs/GO disiapkan dengan metode yang dilaporkan dalam penelitian kami sebelumnya [29]. Seri komposit PVC yang ditandai sebagai PVC 0.5, PVC 1.5, PVC 2.5, dan PVC 3.5 (fraksi massa; sama di sini kecuali untuk penjelasan) disiapkan dengan cara yang sama kecuali bahwa berbagai dosis TNTs/GO diimpor. Selain itu, komposit PVC dengan 2,5% TNTs dan GO (TNTs-PVC dan GO-PVC) juga disiapkan dalam kondisi yang sama untuk studi perbandingan.
Persiapan Film TNTs/GO-PVC
Bubuk PVC (39 g) disuspensi dalam 30 mL tetrahydrofuran di bawah getaran ultrasonik selama 2 jam; kemudian, TNTs/GO (1 g) dilarutkan dalam suspensi di bawah pengacuan kencang berkelanjutan selama 24 jam. Setelah pengacuan selesai, campuran disebarkan pada piring kaca dan dikeringkan selama 72 jam dalam ruang vakum tertutup untuk menghasilkan film TNTs/GO-PVC.
Karakterisasi
Pola difraksi bubuk sinar X (XRD) dikumpulkan dengan difraktometer X' Pert Pro (radiasi Cu Kα; λ = 0,15418 nm, tegangan operasional 40 kV, arus 40 mA). Mikroskop transmisi elektron JEM-2010 (TEM) dilakukan untuk mengamati morfologi dan mikrostruktur berbagai produk. Analisis spektroskopi fotoelektron sinar X (XPS) dilakukan pada spektrometer fotoelektron sinar X multifungsi Axis Ultra, menggunakan radiasi eksitasi Al Kα (hv = 1486,6 eV). Spektra Raman direkam pada spectrometer Renishaw inVia, cahaya eksitasi laser pada 532 nm. Analisis termogravimetri (TGA) dan analisis termal diferensial (DTA) dilakukan dengan analyzer termal DSC6200 pada laju pemindaian 10 °C/min. Meter indeks oksigen JF-3 digunakan untuk mengukur nilai LOI spesimen dengan dimensi 100 × 6,5 × 3 mm3. Mesin pengujian universal elektronik mikrokomputer WDW-10D (Jinan Test Machine Company Limited; Jinan, China) dilakukan untuk menentukan kekuatan tarik komposit matriks PVC. Uji kalorimeter kon (Fire Testing Technology, UK) dilakukan mengikuti prosedur yang dijelaskan dalam ISO5660. Setiap spesimen dengan dimensi 100 × 100 × 3 mm3 diekspos pada flux panas 35 kW/m2. Status dispersi aditif dalam matriks PVC dan topografi sisa arang diamati dengan mikroskop skaning elektron Nova Nano SEM 450 (SEM). Penguji cuaca percepat UV (UV-II, Shanghai Pushen Chemical Machinery Co. Ltd.; Shanghai, China) dijalankan untuk menilai perilaku degradasi fotokatalitik film nanokomposit matriks PVC persegi panjang (ukuran 7,5 cm × 15 cm) pada 45 °C dan 40% kelembaban.
Hasil dan Pembahasan
Mikrostruktur Pengisi Nano TNTs/GO
Gambar 1a menunjukkan pola XRD GO, NaTA, dan pengisi nano TNTs/GO. GO memiliki puncak difraksi utama (001) pada 2θ = 10,3°, yang sesuai dengan jarang interplanar 0,84 nm [30]. Ini berarti grafit telah dioksidasi dan diekfoliasi sepenuhnya menjadi lembar. Puncak difraksi NaTA dapat diindeks dengan baik ke Na2 − xHxTi2O5·H2O, seperti dilaporkan di tempat lain [31]. Pola diffraksi nanokomposit TNTs/GO mirip dengan NaTA. Namun, intensitas puncak nanokomposit TNTs/GO pada 28° lebih rendah dari NaTA, yang dapat dikaitkan dengan transformasi bertahap dalam struktur kristal NaTA yang menghasilkan TNTs selama pembuatan nanokomposit [32]. Artinya, penggantian Na+ dengan H+ menyebabkan penurunan rasio Na:H titanat dalam proses ini [31]. Selain itu, nanokomposit TNTs/GO tidak menunjukkan sinyal fase GO lainnya, yang mungkin disebabkan karena TNTs disisipkan ke dalam lapisan GO yang menyebabkan ekfoliasi GO yang ditingkatkan [33]. Data XRD ini menunjukkan bahwa pemasangan TNTs pada lembar nanos GO berkontribusi untuk mencegah agregasi dan restacking GO yang disintesis.
Pola XRD a dan pola Raman b dari GO, NaTA, dan nanokomposit TNTs/GO. Pola XRD menunjukkan bahwa GO diekfoliasi menjadi lembar. Pola Raman memverifikasi kehadiran GO dan membuktikan bahwa TNTs berhasil disisipkan ke dalam lembar nanos GO untuk menyediakan nanokomposit TNTs/GO.
Spektral pencaharan Raman direkam untuk menyelidiki perubahan dalam struktur bahan karbon yang disiapkan. Gambar 1b menunjukkan spektral Raman GO, NaTA, dan nanokomposit TNTs/GO. GO dan nanokomposit TNTs/GO menunjukkan dua puncak tipikal GO pada sekitar 1588 cm−1 (pita G; berasal dari getaran dalam bidang atom karbon terikat sp2) dan puncak pada 1338 cm−1 (pita D; terkait dengan getaran atom karbon dengan konfigurasi elektronik sp3 grafen yang tidak teratur.) [34]. Selain itu, rasio intensitas puncak D terhadap puncak G (ID/IG) adalah 1,2 untuk GO tetapi 1,6 untuk nanokomposit TNTs/GO, yang juga membuktikan bahwa TNTs berhasil disisipkan ke dalam lembar nanos GO untuk menyediakan nanokomposit TNTs/GO melalui pembentukan ikatan Ti–C dan Ti–O–C serta reduksi GO, dan mereka teramati dengan baik dalam data FTIR (lihat File Tambahan 1: Gambar S1) [35, 36]. Selain itu, di luar puncak Raman utama GO, nanokomposit TNTs/GO menunjukkan puncak karakteristik NaTA, dan ini lebih lanjut menunjukkan bahwa TNTs berhasil disisipkan ke dalam lembar nanos GO, yang sangat sesuai dengan XRD yang relevan.
Gambar 2 menunjukkan morfologi dan mikrostruktur TEM GO dan nanokomposit TNTs/GO. Lembar nanos GO menunjukkan struktur berlapis dan morfologi kusut tipikal (Gambar 2a), karena luas permukaan spesifik dan energi permukaan yang tinggi. Dan lembar GO sekitar tumpukan satu-dua lapis (seperti ditampilkan dalam File Tambahan 1: Gambar S2). Permukaan nanokomposit TNTs/GO, sebaliknya, relatif halus dan berisi sejumlah kerutan yang tidak terlihat dan halus, dan agregasi serta restacking GO seem mencegah secara efektif dibandingkan dengan GO murni (Gambar 2b). Ini menyiratkan bahwa integrasi TNTs dapat mencegah agregasi dan restacking lembar nanos GO dengan baik.
Gambar TEM a GO dan b nanokomposit TNTs/GO. Lembar nanos GO menunjukkan struktur berlapis dan morfologi kusut tipikal, sedangkan permukaan nanokomposit TNTs/GO relatif halus dan berisi sejumlah kerutan yang tidak terlihat dan halus, menyiratkan bahwa integrasi TNTs dapat mencegah agregasi dan restacking lembar nanos GO dengan baik.
Untuk menjelaskan lebih lanjut interaksi antara GO dan TNTs dalam nanokomposit TNTs/GO, kami melakukan pengukuran XPS. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 3, spektrum C1s XPS GO dipecahkan menjadi tiga puncak yang dikaitkan dengan karbon terikat sp2 (C–C, C=C, 284,7 eV), epoksi/hidroksil (C–O, 286,9 eV), dan karboksil (C(O)O, 288,5 eV), masing-masing [37]. Puncak C1s pada 284,7 eV membuktikan kehadiran struktur karbon 2D, dan puncak C1s pada 286,9 eV dan 288,5 eV menunjukkan persentase tinggi grup fungsi yang mengandung oksigen. dapat diamati bahwa grup yang mengandung oksigen GO dan TNTs/GO telah berubah selama proses sintesis. Untuk mengonfirmasi dan membandingkan secara kuantitatif perubahan grup yang mengandung oksigen, kami menghitung rasio luas puncak grup yang mengandung oksigen terhadap total ikatan karbon. Seperti tercantum dalam Tabel 1 (catatan: A = ACC + ACO + AC(O) + ATiC), persentase ikatan C–O TNTs/GO sangat lebih rendah dari GO, dan persentase karbon terikat sp2 meningkat dari 46,25% GO menjadi 63,13% nanokomposit TNTs/GO. Ini menunjukkan bahwa GO sebagian direduksi dan sebagian besar grup yang mengandung oksigen dihapus dari GO selama pembentukan nanokomposit TNTs/GO, yang juga didukung oleh data Raman yang relevan (rasio ID/IG GO lebih kecil dari nanokomposit TNTs/GO). Alasannya mungkin terletak pada fakta bahwa TNTs dapat mengurangi GO menjadi grafen dalam proses fotokatalitik UV atau cahaya terlihat [38, 39]. Selain itu, nanokomposit TNTs/GO menunjukkan puncak C1s lemah pada 283,2 eV, dan puncak ini dikaitkan dengan ikatan Ti–C (puncak Ti(2p3/2) dan Ti(2p1/3) yang sesuai muncul pada 460,4 dan 465,9 eV) [36].
a–d Spektra XPS GO dan nanokomposit TNTs/GO. Ikatan Ti–C terbentuk antara GO dan TNTs untuk menyediakan nanokomposit TNTs/GO melalui pemasungan kimia yang stabil daripada penyerapan fisik.
Proses pembentukan yang mungkin dari ikatan Ti–C dapat dijelaskan sebagai berikut. TNTs memiliki struktur nanotubus jenis gulungan, dan faceta (100) mereka merupakan struktur permukaan tangga yang terdiri dari atom Ti dan O yang terbuka [40]. Dalam larutan asam dengan pH = 1,6, dinding TNTs akan mengalami dehidrasi dan transformasi struktur untuk menghasilkan cacat [32, 41]. Akibatnya, ikatan Ti–C terbentuk antara GO dan TNTs untuk menyediakan nanokomposit TNTs/GO melalui pemasungan kimia yang stabil daripada penyerapan fisik. Karena ikatan Ti–C dapat memfasilitasi transfer muatan antarmuka antara TiO2 dan grafen [42], proporsi tinggi ikatan Ti–C dapat berarti khusus untuk aplikasi nanokomposit TNTs/GO dalam katalisis fotodegradasi.
Stabilitas Termal dan Properti Mekanis Komposit PVC Fleksibel
Kurva TGA dan DTG PVC dan komposit matriks PVC yang diisi dengan berbagai kandungan TNTs/GO ditampilkan dalam Gambar 4. Data termogravimetri yang sesuai diringkas dalam Tabel 2, di mana suhu di mana kehilangan massa 5% (T5%), 50% (T50%), dan maksimum (Tmax) terjadi digambarkan sebagai suhu degradasi awal, suhu degradasi setengah, dan suhu degradasi maksimum, masing-masing. dapat dilihat bahwa T5%, T50%, dan Tmax komposit PVC yang diisi TNTs/GO sedikit lebih tinggi daripada PVC murni; dan khususnya, nanokomposit matriks PVC dengan 2,5% pengisi nano TNTs/GO memiliki Tmax yang jauh lebih tinggi daripada PVC perawan. Data ini menunjukkan bahwa pengisi nano TNTs/GO dapat meningkatkan stabilitas termal PVC. Ini dapat dikaitkan dengan status dispersi yang baik TNTs/GO dalam matriks PVC (lihat File Tambahan 1: Gambar S3), interaksi antarmuka yang baik antara TNTs/GO dan molekul PVC, dan efek sinergis antara TNTs dan GO. Artinya, dispersi yang baik TNTs/GO dapat mempromosikan penyilang rantai PVC; lembar nanos GO dapat bertindak sebagai penghalang fisik untuk menghambat transportasi panas dan massa dengan bantuan TNTs; TNTs dapat memukulkan dan memancar di arang untuk meningkatkan stabilitas sisa arang. Akibatnya, matriks PVC yang di bawahnya terlindungi, dan stabilitas termal nanokomposit matriks PVC ditingkatkan.
Kurva TGA a dan DTG b dari PVC fleksibel dan komposit matriks PVC dalam suasana udara. Stabilitas termal nanokomposit matriks PVC ditingkatkan, yang dapat dikaitkan dengan efek sinergis antara TNTs dan GO.
Kekuatan tarik pada putus PVC murni dan kompositnya dengan berbagai kandungan pengisi nano TNTs/GO ditampilkan dalam Gambar 5a, dan dari PVC yang diisi TNTs saja atau GO saja ditampilkan dalam Gambar 5b untuk perbandingan. dapat dilihat bahwa integrasi TNTs atau GO menyebabkan penurunan kekuatan tarik matriks PVC, yang disebabkan karena pengisi anorganik menunjukkan kompatibilitas yang buruk dan interaksi lemah dengan matriks PVC. Para kami terkejut, meskipun peregangan pada putus komposit matriks PVC cenderung menurun seiring meningkatnya kandungan pengisi nano TNTs/GO, kekuatan tarik komposit matriks PVC selalu lebih tinggi daripada PVC murni baik kandungan pengisi nano TNTs/GO tinggi atau rendah. Ini mungkin karena pengisi nano TNTs/GO menunjukkan ekfoliasi dan dispersi yang baik serta adesi antarmuka yang ditingkatkan dengan matriks PVC dan dapat mentransfer stres secara efektif.
Kekuatan tarik dan peregangan pada putus PVC fleksibel dan komposit matriks PVC dengan berbagai kandungan TNTs/GO (a, c) dan dengan 2,5 wt.% GO atau TNTs dan TNTs/GO (b, d). Integrasi TNTs/GO ke PVC dapat meningkatkan kekuatan tarik komposit matriks PVC, karena pengisi nano TNTs/GO menunjukkan ekfoliasi dan dispersi yang baik yang meningkatkan adesi antarmuka dengan matriks PVC.
Ketahanan Api Komposit PVC Fleksibel
Indeks oksigen terbatas (LOI) adalah kriteria untuk penyaringan bahan tidak mudah terbakar. Data LOI PVC dan komposit matriks PVC ditampilkan dalam Gambar 6. Nilai LOI PVC murni adalah 25,8, yang sesuai dengan kemampalan bawaan. Nilai LOI PVC yang diisi GO saja atau TNTs saja adalah 26,2 dan 26,0, masing-masing, yang menunjukkan bahwa GO dan TNTs dapat secara terpisah meningkatkan ketahanan api PVC dalam beberapa hal. Ini karena GO menunjukkan efek penghalang, sementara TNTs dapat memukulkan pembentukan arang dan menunjukkan efek penyerapan serta efek penyerapan radikal. Untuk komposit PVC yang diisi TNTs/GO, nilai LOI cenderung meningkat seiring meningkatnya kandungan pengisi nano hingga fraksi massa 2,5%. Khususnya, nanokomposit matriks PVC yang mengandung 2,5% pengisi nano TNTs/GO menunjukkan LOI maksimum 27,4, lebih tinggi dari PVC yang diisi GO saja atau TNTs saja. Ini menunjukkan bahwa ada efek anti-api sinergis antara TNTs dan GO.
Nilai LOI PVC fleksibel dan komposit matriks PVC dengan berbagai kandungan TNTs/GO (a) dan dengan 2,5 wt.% GO atau TNTs dan TNTs/GO (b). Nanokomposit matriks PVC yang mengandung 2,5% pengisi nano TNTs/GO menunjukkan LOI maksimum 27,4, lebih tinggi dari PVC yang diisi GO saja atau TNTs saja. Ini menunjukkan bahwa ada efek anti-api sinergis antara TNTs dan GO.
Laju pelepasan panas puncak (pHRR), total pelepasan panas (THR), total pelepasan asap (TSR), dan laju massa spesifik rata-rata (AMLR) adalah parameter penting untuk menilai kemampalan berbagai bahan dalam kondisi kebakaran dunia nyata, dan dapat diperoleh dari uji kalorimeter kon. Hasil uji yang sesuai ditunjukkan dalam Gambar 7, dan data diringkas dalam Tabel 3. dapat dilihat bahwa PVC murni memiliki puncak HRR tajam dengan nilai pHRR 355,4 kW m−2 (Gambar 7a). Integrasi 2,5% TNTs ke dalam PVC menurunkan nilai pHRR menjadi 233,7 kW m−2, dan penurunan sebesar 34,2% ini disebabkan oleh muktuk cepat pada permukaan PVC yang diisi di bawah aksi katalitik TNTs. Namun, kurva HRR PVC yang diisi TNTs memiliki puncak kedua sekitar 230 s, yang berarti arang tidak stabil dan dapat dihancurkan dengan mudah. Sebaliknya, nanokomposit PVC yang diisi 2,5% TNTs/GO memiliki nilai pHRR 282,4 kW m−2, penurunan sebesar 20,5% dibandingkan dengan PVC murni. Selain itu, pHRR nanokomposit PVC yang diisi TNTs/GO menurun dengan cepat ke nilai rendah pada 130 s dan tetap stabil seiring berlangsungnya waktu. Ini menunjukkan bahwa arang pada permukaan komposit PVC yang diisi TNTs/GO sangat stabil dan dapat bertindak sebagai penghalang fisik untuk menghambat transmisi panas, sehingga mengarah pada THR, TSR, dan AMLR yang sangat menurun.
Kurva HRR a, THR b, SPR c, dan TSR d versus waktu dari PVC fleksibel murni dan komposit matriks PVC yang diperoleh dari uji kalorimeter kon pada 35 kW m−2. Kurva HRR PVC yang diisi TNTs memiliki puncak kedua sekitar 230 s, yang berarti arang tidak stabil dan dapat dihancurkan dengan mudah. TNTs/GO menghambat puncak pelepasan panas kedua, dan dengan kandungan 2,5%, nilai pHRR adalah 282,4 kW m−2, penurunan sebesar 20,5% dibandingkan dengan PVC murni. Ini menunjukkan bahwa arang pada permukaan komposit PVC yang diisi TNTs/GO sangat stabil dan dapat bertindak sebagai penghalang fisik untuk menghambat transmisi panas.
Untuk mengonfirmasi lebih lanjut mekanisme anti-api komposit matriks PVC, kami melakukan analisis SEM pada sisa arang. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 8a–c, semua arang eksternal memiliki lubang dengan ukuran dan distribusi yang berbeda. Ini berarti bahwa lubang pada PVC murni menempati area yang luas dan cukup dalam untuk menembus inti. Arang eksternal TNTs-PVC mirip dengan PVC murni, tetapi lubang pada yang pertama jauh lebih besar. Lubang ini dapat bertindak sebagai saluran transportasi panas dan massa. Oleh karena itu, PVC murni dan TNTs-PVC memungkinkan panas mudah berpindah dari permukaan pembakaran ke matriks polimer dan volátil organik mudah terbakar melarikan diri dari matriks yang di bawahnya ke zona pembakaran. Sebaliknya, arang eksternal TNTs/GO-PVC berisi lubang yang lebih sedikit yang sebagian besar tidak berfungsi. Ini berarti bahwa saluran untuk transportasi panas dan massa terputus. Arang dalam TNTs/GO-PVC (Gambar 8f) padat dan kontinu di permukaan dan berisi dioksida titan yang dicancangkan di dalam, sementara pada PVC murni dan TNTs-PVC berisi banyak retakan kecil atau lubang. Ini, dikaitkan dengan ID/IG yang jauh lebih kecil TNTs/GO-PVC (1,1) dibandingkan dengan PVC murni (1,6; lihat File Tambahan 1: Gambar S4), menyiratkan bahwa TNTs/GO dapat mengubah sumber karbon menjadi arang, sehingga menambah ketahanan api komposit matriks PVC. Dalam satu kata, lapisan arang yang stabil, padat, dan kontinu komposit TNTs/GO-PVC dapat bertindak sebagai penghalang fisik yang baik untuk mengurangi pHRR, THR, SPR, dan TSR dan menahan kejutan termal.
Gambar SEM morfologi eksternal dan internal sisa arang PVC (a, d) TNTs-PVC (b, e) dan TNTs/GO-PVC (c, f) komposit. Arang TNTs/GO-PVC lebih padat dan kontinu daripada PVC murni atau TNTs-PVC.
Efek anti-api sinergis antara TNTs dan GO secara skematis diilustrasikan dalam Gambar 9. Pertama, TNTs yang dihiasi pada permukaan lembar nanos GO menekan restacking GO dan mempromosikan dispersi seragam TNTs/GO dalam matriks PVC, sehingga meningkatkan stabilitas termal PVC. Kedua, TNTs dan GO dengan luas permukaan besar memberikan kontribusi dalam menyerap gas pirolisis selama pembakaran, memperpanjang jalur difusi gas berlebih, dan meningkatkan waktu tinggal katalis, sehingga memungkinkan transformasi mudah gas pirolisis menjadi arang karbonik di bawah aksi katalitik TNTs. Ketiga, kerangka GO dapat bertindak sebagai cetakan untuk arang karbonik dan mempromosikan pembentukan arang ganda dengan bantuan TNTs, sehingga menghasilkan lapisan arang yang kontinu dan padat. Terakhir, dioksida titan yang ditransformasi dari TNTs selama pembakaran (lihat File Tambahan 1: Gambar S4 untuk lebih banyak detail) dapat dicancangkan dalam lapisan arang untuk meningkatkan stabilitas termal lapisan arang, yang membuat lapisan arang dapat secara lebih efektif menahan kejutan termal pada puncak kedua, mencegah panas, dan mengurangi pelepasan asap. Faktor-faktor ganda ini secara bersama-sama berfungsi dan menjelaskan peningkatan ketahanan api komposit matriks PVC.
Ilustrasi skematis mekanisme anti-api dan degradasi fotokatalitik TNTs/GO
Fotodegradasi Film PVC yang Diisi TNTs/GO
Seperti disebutkan sebelumnya, pengisi nano TNTs/GO dapat bertindak sebagai katalis fotokatalitik untuk degradasi PVC. Gambar 10 menunjukkan penurunan berat film TNTs-PVC dan film TNTs/GO-PVC di bawah sinar UV. Penurunan berat film TNTs/GO-PVC menurun secara bertahap seiring bertambahnya waktu radiasi dan mengalami pengurangan sebesar 4,6% dalam 216 jam, sementara film PVC hanya mengalami penurunan berat sebesar 2,5% dalam kondisi eksperimen yang sama. Selain itu, laju penurunan berat film TNTs/GO-PVC lebih tinggi daripada film PVC dan film TNTs-PVC. Ini dapat dikaitkan dengan dua aspek. Pertama, lembar nanos grafen oksida yang direduksi memiliki luas permukaan besar, menyediakan luas kontak antarmuka yang besar dan interaksi kuat dengan TNT yang membantu mengurangi resistensi muatan dan laju rekombinasi muatan, sehingga memungkinkan lembar nanos grafen oksida yang direduksi bertindak sebagai penerima elektron yang baik dan mentransfer muatan dengan baik [43,44,45,46]. Kedua, ikatan Ti–C juga dapat mempromosikan transfer muatan antarmuka, sehingga mempercepat degradasi film nanokomposit TNTs/GO-PVC di bawah radiasi UV [42]. Efisiensi katalitik pengisi nano TNTs/GO, namun, cukup rendah. Ini mungkin karena lembar nanos GO yang tidak tereduksi sepenuhnya memiliki sejumlah besar grup fungsi yang mengandung oksigen dan cacat yang menghambat transportasi muatan sementara dehidrasi TNTs pada pH = 1,6 juga menyebabkan cacat dalam nanotubus untuk memfasilitasi rekombinasi muatan. Oleh karena itu, grup fungsi yang mengandung oksigen pada permukaan lembar nanos grafen secara bersamaan bermanfaat untuk ketahanan api dan fotodegradasi komposit matriks PVC.
Penurunan berat film PVC murni dan film nanokomposit matriks PVC di bawah radiasi cahaya UV (40% kelembaban). Integrasi TNTs/GO ke PVC dapat mempercepat fotodegradasi PVC. Luas kontak antarmuka yang besar dan interaksi kuat antara TNT dan GO dapat membantu mengurangi resistensi muatan dan laju rekombinasi muatan, dan ikatan Ti–C juga dapat mempromosikan transfer muatan antarmuka, sehingga mempercepat degradasi film nanokomposit TNTs/GO-PVC di bawah radiasi UV
Gambar 11 menunjukkan morfologi permukaan film PVC dan film nanokomposit matriks PVC sebelum dan setelah 216 jam radiasi UV. dapat dilihat bahwa kedua jenis film PVC halus sebelum radiasi UV. Setelah radiasi UV, banyak lubang terbentuk pada permukaan film PVC (Gambar 11c, d), yang menunjukkan bahwa film mengalami dekomposisi yang nyata di bawah radiasi UV. Dalam waktu yang sama, lebih banyak dan rongga yang besar terbentuk pada permukaan film TNTs/GO-PVC setelah radiasi UV (Gambar 11d), yang menunjukkan bahwa pengisi nano TNTs/GO memang mempromosikan degradasi fotokatalitik PVC di bawah radiasi UV.
Gambar SEM morfologi PVC (a, c) dan film TNTs/GO-PVC (b, d) sebelum dan setelah 72 jam radiasi UV. Lebih banyak dan rongga yang besar terbentuk pada permukaan film TNTs/GO-PVC setelah radiasi UV, yang menunjukkan bahwa TNTs/GO dapat mempromosikan degradasi fotokatalitik PVC di bawah radiasi UV
Grup fungsi dalam film nanokomposit matriks PVC juga dipantau dengan analisis FTIR. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 12a, puncak Raman grup karbonil (C=O) pada 1680–1800 cm−1 membuktikan bahwa film nanokomposit TNTs/GO-PVC memang mengalami reaksi degradasi selama radiasi UV. Selain itu, intensitas puncak serapan C=O meningkat terus-menerus seiring bertambahnya waktu radiasi; dan peningkatan intensitas puncak serapan C=O lebih jelas pada film TNTs/GO-PVC dibandingkan dengan film PVC murni dan film TNTs-PVC (Gambar 12b). Ini lebih lanjut membuktikan bahwa pengisi nano TNTs/GO memang dapat mempromosikan reaksi fotooksidasi matriks PVC.
Spektral FTIR grup karbonil (C=O) film TNTs/GO-PVC versus waktu radiasi UV (a) dan sebelum dan setelah fotodegradasi (b). Intensitas puncak serapan C=O film TNTs/GO-PVC meningkat terus-menerus seiring bertambahnya waktu radiasi; ini lebih jelas daripada film PVC murni dan film TNTs-PVC. Ini lebih lanjut membuktikan bahwa pengisi nano TNTs/GO memang dapat mempromosikan reaksi fotooksidasi matriks PVC
Kesimpulan
Secara ringkasan, nanokomposit TNTs/GO disiapkan melalui metode larutan sederhana. Pengisi nano TNTs/GO yang disiapkan dapat sekaligus meningkatkan ketahanan api dan fotodegradasi PVC, yang dapat dikaitkan dengan efek sinergis antara TNTs dan GO. Pertama, TNTs dapat menekan restacking GO dan mempromosikan dispersi seragam TNTs/GO dalam matriks PVC; lembar nanos GO dapat bertindak sebagai penerima elektron untuk mengurangi resistensi muatan dan laju rekombinasi muatan, dan kerangka GO juga dapat bertindak sebagai cetakan untuk arang karbonik dan mempromosikan pembentukan arang ganda dengan bantuan TNTs. Kedua, dioksida titan yang ditransformasi dari TNTs selama pembakaran dapat dicancangkan dalam lapisan arang untuk meningkatkan stabilitas termal lapisan arang dan mempercepat fotodegradasi matriks PVC di bawah radiasi UV. Akibatnya, komposit TNTs/GO-PVC menunjukkan ketahanan api dan fotodegradasi yang ditingkatkan dibandingkan dengan TNTs-PVC dan GO-PVC sejenis. Penelitian saat ini, diharapkan, dapat membantu memberikan strategi yang menjanjikan untuk konstruksi komposit matriks polimer dengan peningkatan sekaligus ketahanan api dan fotodegradasi, sehingga memberikan wawasan dalam menangani polusi putih polimer yang umum digunakan. Penelitian lebih lanjut perlu dilakukan terkait peningkatan efisiensi anti-api dan fotodegradasi pengisi nano TNTs/GO.
