RADIATION PROTECTION PROPERTIES OF POLYLIDIMETHYLSILOXANE, POLYURETHANE WITH ZNO/TIO2 NANO-POWDER FILLERS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.60797/IRJ.2024.143.173
Issue: № 5 (143) S, 2024
Suggested:
27.02.2024
Accepted:
19.03.2024
Published:
31.05.2024
89
2
XML
PDF

Abstract

Researchers of the Ural Federal University in cooperation with the Jordan University of Science and Technologies (JUST) have synthesized polymer composites with a matrix of polydimethylsiloxane (PDMS) and polyurethane (PU) with TiO2 and ZnO nanopowders as fillers. Optical spectroscopy of PDMS + TiO2 type samples was carried out. The transmission spectra show that with increasing TiO2 concentration, the 𝝀-cut wavelength shifted towards higher values and the colour of the polymer became more saturated white. Using the XCOM database, mass and linear attenuation coefficients were calculated for gamma rays in the energy range from 0.071 to 2.754 MeV. The Phy-X/PSD database was used to determine additional radiation shielding characteristics. The values of the half attenuation layer were calculated and on the basis of this parameter a comparative analysis was carried out with polymers similar to the studied ones in terms of filler composition: polymer blend and BaTiO3 nanopowder, high density polyethylene and ZnO powder/nanopowder. It is concluded that polyurethane is promising as a matrix of polymer radiation-protective composites, as well as the general suitability of the investigated polymer samples for the creation of radiation protective structures.

1. Введение

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

,
. Как следствие, большой интерес представляет разработка материалов по защите от различных видов ионизирующего излучения. Среди всех видов ионизирующих излучений гамма-излучение представляет наибольшую угрозу, поскольку оно может легко проходить через материю и попадать в организм человека, вызывая болезни и патологии.

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

. Возможной альтернативой свинцовым экранирующим материалам в некоторых отраслях промышленности могут послужить полимерные композиты.

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

,
. Вышеперечисленные свойства обуславливают широкое применение полимерных композитов в областях промышленности, требующих малый вес и габариты экранирующих покрытий – к примеру, для создания индивидуальной защиты.

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

.

2. Методы и методы исследования

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

.

Таблица 1 - Плотности и химические составы PU/ZnO, PU/TiO2

Образец 

C27H36N2O10

ZnO 

TiO2 

Элементный состав (массовая доля) 

Плотность, г/см3

100 C27H36N2O10 

100 

H(0,066144),C(0,591146), 

O(0,291646),N(0,051064) 

1,360 

95 C27H36N2O10+ 5ZnO 

95 

H(0,062837),C(0,561589), 

O(0,286893),N(0,048511),Zn(0,040171)

1,389 

95 C27H36N2O10+ 5TiO2 

95 

H(0,062837),C(0,561589), 

O(0,297093),N(0,048511),Ti(0,029970) 

1,331 

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.
 Готовые образцы полимерных композитов

Рисунок 1 -  Готовые образцы полимерных композитов

Таблица 2 - Химический состав, плотность, толщина образцов PDMS/TiO2

Образец 

C2H6OSi 

TiO2 

Плотность, g/см3

Толщина, mm

100C2H6OSi 

100 

1,018 

2,0 

97,5C2H6OSi+2,5TiO2 

97,5 

2,5 

1,037 

1,2 

95 C2H6OSi+5 TiO2 

95 

1,051 

1,5 

92,5C2H6OSi+7,5TiO2 

92,5 

7,5 

1.086 

2,0 

90 C2H6OSi+10 TiO2 

90 

10 

1,106 

1,0 

85 C2H6OSi+15 TiO2 

85 

15 

1,135 

2,0 

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

:

img

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

:

img

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

img

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

img

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 :

img

где img – 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.
Спектры пропускания образцов PDMS/ TiO2

Рисунок 2 - Спектры пропускания образцов PDMS/ TiO2

3. Основные результаты и обсуждение

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.

Таблица 3 - Значения µm(см2/г) для образцов PDMS+TiO2

Энергия (МэВ)

Процент TiO2 в образце

0%TiO2

2,5%TiO2

5%TiO2

7,5%TiO2

10%TiO2

15%TiO2

0,071

0,21410

0,21830

0,22250

0,22670

0,23090

0,23930

0,08

0,19800

0.20080

0,20360

0,20640

0,20920

0,21480

0,412

0,10220

0,10190

0,10170

0,10140

0,10110

0,10060

0,511

0,09343

0,09317

0,09292

0,09267

0,09241

0,09190

0,676

0,08264

0,08241

0,08218

0,08195

0,08171

0,08125

0,69

0,08188

0,08165

0,08142

0,08119

0,08096

0,08050

0,811

0,07600

0,07579

0,07557

0,07535

0,07514

0,07470

0,835

0,07496

0,07475

0,07454

0,07432

0,07411

0,07368

0,864

0,07376

0,07355

0,07334

0,07312

0,07291

0,07249

1,088

0,06596

0,06577

0,06558

0,06539

0,06520

0,06481

1,173

0,06351

0,06332

0,06314

0,06295

0,06277

0,06240

1,333

0,05948

0,05931

0,05914

0,05897

0,05880

0,05845

1,369

0,05867

0,05850

0,05834

0,05817

0,05800

0,05766

1,675

0,05284

0,05269

0,05254

0,05239

0,05225

0,05195

2,754

0,04065

0,04056

0,04046

0,04037

0,04027

0,04008

Таблица 4 - Значения µm(см2/г) для образцов PU+ZnO/TiO2

Энергия (МэВ)

PU (чистый)

PU+5%TiO2

PU+5%ZnO

0,071

0,1795

0,1896

0,2176

0,08

0,1729

0,1798

0,1995

0,412

0,1005

0,1001

0,1002

0,511

0,09202

0,09158

0,09162

0,676

0,08145

0,08104

0,08104

0,69

0,0807

0,0803

0,08029

0,811

0,07492

0,07454

0,07452

0,835

0,0739

0,07352

0,0735

0,864

0,07271

0,07234

0,07232

1,088

0,06506

0,06472

0,06469

1,173

0,06264

0,06231

0,06228

1,333

0,05865

0,05835

0,05832

1,369

0,05785

0,05756

0,05753

1,675

0,05207

0,05181

0,05179

2,754

0,03977

0,03962

0,03965

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.
Результаты расчета

Рисунок 3 - Результаты расчета

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

Таблица 5 - Значения µ(см-1) для образцов PDMS+TiO2

Энергия (МэВ)

Процент TiO2 в образце

0%TiO2

2,5%TiO2

5%TiO2

7,5%TiO2

10%TiO2

15%TiO2

0,071

0,21795

0,22679

0,23458

0,24717

0,25670

0,27354

0,08

0,20156

0,20844

0,21440

0,22480

0,23215

0,24505

0,412

0,10404

0,10567

0,10678

0,11001

0,11171

0,11407

0,511

0,09511

0,09661

0,09762

0,10057

0,10213

0,10419

0,676

0,08413

0,08544

0,08633

0,08894

0,09030

0,09212

0,69

0,08335

0,08465

0,08554

0,08812

0,08948

0,09127

0,811

0,07737

0,07857

0,07939

0,08179

0,08304

0,08469

0,835

0,07631

0,07750

0,07830

0,08067

0,08190

0,08354

0,864

0,07509

0,07625

0,07704

0,07936

0,08058

0,08219

1,088

0,06715

0,06819

0,06889

0,07097

0,07204

0,07348

1,173

0,06465

0,06565

0,06633

0,06832

0,06937

0,07074

1,333

0,06055

0,06149

0,06212

0,06400

0,06498

0,06627

1,369

0,05973

0,06065

0,06128

0,06313

0,06409

0,06536

1,675

0,05379

0,05463

0,05520

0,05686

0,05773

0,05890

2,754

0,04138

0,04205

0,04251

0,04382

0,04452

0,04546

Таблица 6 - Значения µ(см-1) для образцов PU+ZnO/TiO2

Энергия (МэВ)

PU (чистый)

PU+5%ZnO

PU+5%TiO2

0,071

0,24412

0,2575206

0,240911

0,08

0,235144

0,2459919

0,231594

0,412

0,13668

0,1395945

0,1337655

0,511

0,1251472

0,12771855

0,12238545

0,676

0,110772

0,11303682

0,10833009

0,69

0,109752

0,11200896

0,10733184

0,811

0,1018912

0,10398054

0,09963866

0,835

0,100504

0,10256376

0,09828104

0,864

0,0988856

0,10091085

0,09669715

1,088

0,0884816

0,090285

0,08652831

1,173

0,0851904

0,08692362

0,08330729

1,333

0,079764

0,0813954

0,07800991

1,369

0,078676

0,0802842

0,07694511

1,675

0,0708152

0,07225578

0,06925193

2,754

0,0540872

0,05521275

0,05290725

Таблица 7 - Значения Zeff для образцов PDMS+TiO2

Энергия (МэВ)

Процент TiO2 в образце

0%TiO2

2,5%TiO2

5%TiO2

7,5%TiO2

10%TiO2

15%TiO2

0,3471

4,01649

4,084629

4,155222

4,228403

4,304318

4,464986

0,511

4,008291

4,075351

4,144836

4,216879

4,291623

4,44985

0,8261

4,003918

4,07047

4,139431

4,210936

4,285128

4,442201

1,173

4,002564

4,068941

4,137724

4,209046

4,28305

4,439731

1,275

4,003357

4,069764

4,138577

4,209929

4,283963

4,440708

1,333

4,003868

4,070294

4,139126

4,210498

4,284552

4,441339

2,506

4,047836

4,116164

4,186945

4,260312

4,336411

4,497436

Таблица 8 - Значения Neff*10-23 для образцов PDMS+TiO2

Энергия (МэВ)

Процент TiO2 в образце

0%TiO2

2,5%TiO2

5%TiO2

7,5%TiO2

10%TiO2

15%TiO2

0,3471

3,2618

3,25287

3,24391

3,23497

3,22605

3,22605

0,511

3,2552

3,24548

3,2358

3,22616

3,21654

3,21654

0,8261

3,2516

3,24159

3,23158

3,22161

3,21167

3,21167

1,173

3,2505

3,24037

3,23025

3,22016

3,21011

3,21011

1,275

3,25

3,24103

3,23092

3,22084

3,2108

3,2108

1,333

3,2516

3,24145

3,23134

3,22127

3,21124

3,21124

2,506

3,2873

3,27798

3,26868

3,25939

3,25011

3,25011

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)

и наночастицы титаната бария (BaTiO3) в матрице из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (UHMWPE - Ultrahigh Molecular Weight 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.
 График зависимости Δ1/2 и Δ1/10 от энергии излучения

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

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.

4. Заключение

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.

Article metrics

Views:89
Downloads:2
Views
Total:
Views:89