РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИДИМЕТИЛСИЛОКСАНА, ПОЛИУРЕТАНА С НАПОЛНИТЕЛЯМИ ИЗ НАНОПОРОШКОВ ZnO/TiO2

В последние несколько десятилетий наблюдается быстрый рост использования радиоактивных материалов в различных областях, включая медицину, фундаментальную науку, гражданскую и военную промышленность, энергетику

Для создания эффективных экранирующих покрытий, способных снизить воздействие гамма-излучения, можно применять материалы с большой атомной массой, например, свинец или определенные типы бетонов. Свинцовые материалы превосходят аналоги благодаря своей высокой плотности, большому атомному весу и низкой стоимости. Однако свинец обладает недостатками, которые ограничивают его применение: высокая токсичность и масса, низкая механическая и химическая стабильность

Полимерные композиты обладают рядом преимуществ перед традиционными видами экранирующих материалов: гибкость, дешевизна, легкость, механическая и химическая стабильность

В данном исследовании для изготовления полимерных композитов в качестве полимерных матриц выбраны полидиметилсилоксан (PDMS – polydimethylsiloxane) и полиуретан (PU – polyurethane). Наполнитель для матриц – нанопорошки оксида титана (TiO2) и оксида цинка (ZnO).

Проводимые расчетно-экспериментальные исследования комбинированных радиационно-защитных материалов направлены на реализацию одного из основных принципов радиационной защиты – принципа оптимизации

Образцы полимеров изготовлены путем смешивания 20 мл ацетона, используемого в качестве растворителя, и 20 г полиуретана (C27H36N2O10). К готовой смеси в чашках Петри добавлялись порошки оксидов металлов. После образцы подвергли вращению с частотой 6 оборотов в секунду, добавив к смеси магнитную полосу для ускорения процесса гомогенизации. Далее образцы дегазировались ультразвуком, в целях удаления пузырьков воздуха с поверхности. Затем образцы были оставлены на стенде до затвердевания на 24 часа.

В таблице 1 приведены плотности образцов, измеренные на электронном денсиметре MH-300A, и массовые доли каждого из элементов, полученные в программе XCOM

Образцы полимеров изготовлены путем смешивания 20 мл ацетона, используемого в качестве растворителя, и 20 г полиуретана (C27H36N2O10). К готовой смеси в чашках Петри добавлялись порошки оксидов металлов. После образцы подвергли вращению с частотой 6 оборотов в секунду, добавив к смеси магнитную полосу для ускорения процесса гомогенизации. Далее образцы дегазировались ультразвуком, в целях удаления пузырьков воздуха с поверхности. Затем образцы были оставлены на стенде до затвердевания на 24 часа.

В таблице 1 приведены плотности образцов, измеренные на электронном денсиметре MH-300A, и массовые доли каждого из элементов, полученные в программе XCOM

Образцы полидиметилсилоксана (C2H6OSi) были изготовлены путем смешивания базового силиконового эластомера и отвердителя в массовом соотношении 10:1 соответственно. Готовая смесь разливалась в чашки Петри. С помощью микровесов взвешивались и добавлялись порции нанопорошков TiO2. После доведения до однородного состояния путём перемешивания образцы помещались в вакуумную камеру для дегазации. Далее готовые полимеры помещались на термостат на 24 часа при температуре 95℃, до затвердевания. Образцы в готовом состоянии показаны на рис. 1. 

В таблице 2 приведены плотности и толщина образцов.

Рисунок 1 -  Готовые образцы полимерных композитов

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.173.2

Для определения способности к ослаблению излучения подготовленных образцов, был рассчитан массовый коэффициент ослабления (μm). В данной работе (μm)i рассчитывается из базы данных XCOM для спектра энергий следующих изотопов: 60Co, 58Co, 198Au, 54Mn и 24Na. Значения μm использовались для оценки эффективности радиационной защиты подготовленных образцов и расчета линейного коэффициента ослабления.

Линейный коэффициент ослабления рассчитывается из следующего уравнения

где ρ (г/см3) – плотность образца.

Слой половинного (Δ1/2) и десятичного (Δ1/10) ослабления – это толщина вещества, при которой интенсивность падающего излучения уменьшается в два и в десять раз соответственно. Для вычисления значений (в см) используются следующие уравнения

Длина свободного пробега (MFP) – среднее расстояние, пройденное частицей между двумя столкновениями. Для вычисления значений MFP в см используется следующее уравнение: 

Эффективный атомный номер (Zeff) определяет радиационное поведение мультиэлемента при взаимодействии фотонов, электронов и альфа-частиц в материале. Мы использовали следующую формулу для определения эффективного атомного номера

где fi, Ai и Zi – массовая доля, атомный вес и атомный номер 𝑖-ого элемента соответственно. 

Аналогично, эффективная электронная плотность (Neff) вычисляется по следующему уравнению на основе Zeff :

где  – средняя атомная масса и число Авогадро соответственно. 

Для исследуемых образцов PDMS/TiO2 была проведена оптическая спектроскопия в УФ-видимом диапазоне с использованием спектрометра Shimadzu UV-2550.

Из результатов спектроскопии (рис.2) видно, что чистый образец PDMS, представляющий из себя бесцветный полимер, не имеет явного поглощения в видимом диапазоне. Пропускная способность образцов резко уменьшается с добавлением TiO2. Такое снижение пропускания обусловлено рассеянием света на внедренных частицах TiO2 в полимере. Длина волны среза (𝝀среза) – это длина волны, при которой процент пропускания равен нулю. При увеличении концентрации TiO2 длина волны 𝝀среза смещается в сторону больших значений, а цвет полимера становится более насыщенным белым.

Рисунок 2 - Спектры пропускания образцов PDMS/ TiO2

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.173.4

По данным таблицы 3 и таблицы 4 можно сделать вывод, что значения µm высоки в зоне низких энергий и резко уменьшаются с увеличением энергии фотонов. Исследованный вероятностный механизм взаимодействия гамма-лучей с приготовленными образцами полимеров объясняет тенденцию массового коэффициента ослабления, в которой фотоэлектрический эффект взаимодействия преобладает в зоне низких энергий фотонов; эффект Комптона является доминирующим в зоне средних энергий, а образование пар – в зоне высоких энергий.

Значения линейного коэффициента ослабления образцов показаны в таблице 5 и таблице 6. Зависимости линейного коэффициента от энергии падающего излучения проиллюстрирована на рис. 3а. Значения линейного коэффициента ослабления высоки в зоне низких энергий и резко уменьшаются с увеличением энергии фотонов. По данным графиков рис. 3а и таблиц 5-6 видно, что образец PU+5%ZnO имеет самые высокие значения линейных коэффициентов ослабления.

Рисунок 3 - Результаты расчета

Примечание: а – линейного коэффициента ослабления; б – длины свободного пробега; в – эффективного атомного номера; г – эффективной электронной плотности

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.173.7

Для объективной оценки радиационно-защитных свойств исследуемых полимерных композитов был проведен сравнительный анализ исследований схожих по составу наполнителя полимеров: объемные/нано-частицы ZnO в матрице из полиэтилена высокой плотности (HDPE – High Density Polyethylene)

Опираясь на данные исследований полимеров BaTiO3+UHMWPE и ZnO+HDPE, для рассматриваемых в этой работе полимеров рассчитаны дополнительные значения радиационно-защитных параметров для спектра энергий, рассматриваемого в исследованиях (137Cs, 134Cs, 131I). На рис. 4 проиллюстрирована зависимость слоя половинного ослабления для сравниваемых образцов.

Рисунок 4 - График зависимости Δ1/2 и Δ1/10 от энергии излучения

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.173.12

По данным рис. 4 можно заметить, что среди изученных в данной работе полимеров лучшими радиационно-защитными свойствами обладают образцы PDMS+TiO2 (15%) и Pu+ZnO (5%). Лучшими ослабляющими свойствами обладает композит HDPE+нанопорошок ZnO (40%), В целом, можно говорить о конкурентоспособности образцов Pu+ZnO и PDMS+TiO2 по отношению к полимерам, изученным в других работах.

Также следует отметить, что чистый PU обладает хорошими радиационно-защитными свойствами, что говорит о его перспективности в качестве матрицы полимерных композитов, а также о необходимости дальнейших исследований, например увеличения концентрации нанопорошка ZnO в составе композита или использования в качестве наполнителя нанопорошков оксидов свинца или других элементов с высоким атомным номером.

Были рассчитаны экранирующие способности девяти образцов полимеров с составом компонентов PDMS+TiO2, Pu+ZnO, Pu+TiO2. Массовый коэффициент ослабления был получен с помощью программы XCOM, плотность с помощью специальных весов. Кроме того, для полимеров PDMS+TiO2 были рассчитаны длина свободного пробега, эффективный атомный номер, эффективная электронная плотность.           

В результате этого исследования можно сделать следующие выводы:

· Полиуретан является наиболее перспективным материалом из рассматриваемых для матриц полимерных экранирующих композитов

· Из исследованных полимеров наилучшие свойства ослабления демонстрируют PDMS+15%TiO2 и Pu+5%ZnO

· Наполнители из наночастиц показывают лучшие радиационно-защитные параметры, чем микро- или крупнодисперсные наполнители

Таким образом, исследованные образцы являются перспективными материалами для дальнейших исследований и возможного использования в качестве радиационно-защитных материалов на радиационно-опасных промышленных и научно-исследовательских объектах.