Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần bột độn đến hiệu quả che chắn phóng xạ của vải cản xạ trên cơ sở nhựa PVC

Bài viết này giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng thành phần bột độn đến hiệu quả che chắn phóng xạ của vải cản xạ khi kết hợp với các phụ gia khác trong đơn chế tạo vải cản xạ. Kết quả nghiên cứu cho thấy, Al2O3 giúp tăng hiệu quả cản xạ của vật liệu tốt hơn so với BaSO4, PbO.

Hóa học Kỹ thuật mơi trường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN BỘT ĐỘN ĐẾN HIỆU QUẢ CHE CHẮN PHÓNG XẠ CỦA VẢI CẢN XẠ TRÊN CƠ SỞ NHỰA PVC Đồn Cơng Danh*, Vũ Ngọc Tốn, Đỗ Bình Minh Tóm tắt: Vải cản xạ nghiên cứu ứng dụng rộng rãi thực tế làm quần áo, yếm, tạp dề, gang tay, ủng, bảo hộ cho người làm việc, tiếp xúc với phóng xạ, xạ Trong nước, Đại học Bách Khoa, Viện KH-CN quân triển khai nghiên cứu chế tạo vải cản xạ sở nhựa nhiệt dẻo cao su phối trộn với oxit chì, oxit kim loại nặng Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu ảnh hưởng thành phần bột độn đến hiệu che chắn phóng xạ vải cản xạ kết hợp với phụ gia khác đơn chế tạo vải cản xạ Kết nghiên cứu cho thấy, Al2O3 giúp tăng hiệu cản xạ vật liệu tốt so với BaSO4, PbO Với đơn thành phần Al2O3 100 PHR, PVC 100 PHR, DOP PHR, có phụ gia khác 2PHR, vải cốt polyester thu vải cản xạ có tính lý hiệu cản xạ tốt Từ khóa: Vật liệu cản xạ; Bột độn; Vải cản xạ MỞ ĐẦU Vải cản xạ sau chế tạo thành quần, áo, yếm, găng tay, ủng, tạp dề, lều, thường sử dụng để bảo vệ bệnh nhân người làm việc có tiếp xúc trực tiếp gián tiếp trình chụp ảnh chẩn đoán bệnh viện Các sản phẩm áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhân viên chạy máy quét sân bay, cửa khẩu; cán nghiên cứu liên quan tới xạ, lực lượng ứng phó cố xạ, [1] Theo thành phần bột độn, người ta phân vải cản xạ chứa chì vải cản xạ khơng chứa chì [1-4]: Vải chứa chì: vải chì chế tạo cách mang bột Pb, PbO lên màng polyme elastome Thời gian sử dụng trung bình loại vải chì khoảng 10 năm, tùy thuộc vào mức độ sử dụng, cách sử dụng vải cốt Vải chứa chì thường có kích thước khổ 0,5 m, dày ~1,5 mm, khối lượng riêng 4,5 kg/m2 Đôi người ta sử dụng lớp chì bên dày 0,5 mm, nặng ~ 2,6 kg lớp thường cao su tự nhiên polyme [5-10] Vải khơng chứa chì: Chế tạo vải khơng chứa chì nhằm làm giảm độc tính chì, giảm khối lượng, cải thiện hiệu che chắn phóng xạ sản phẩm Bên cạnh kim loại, oxit kim loại, muối kích thước micro, nay, nhiều nghiên cứu tiến hành với bột độn kích thước nano mang lên nhiều loại polyme khác Nhiều loại vải cản xạ khơng chứa chì thương mại hóa với demron, superlight, infab,… [5-10] Trong nước, nhóm nghiên cứu Đại học Bách khoa Hà Nội triển khai chế tạo số loại vải sở nhựa nhiệt dẻo bước đầu đánh giá hiệu cản xạ số mức lượng khác [1] Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp Bộ Quốc phòng, Viện KH-CN quân xây dựng đơn công nghệ, chế tạo thành cơng số loại vải cản xạ có tính tương đương với vải nhập ngoại loại Nhằm đóng góp thêm vào hướng nghiên cứu này, báo tập trung giới thiệu kết nghiên cứu ảnh hưởng thành phần bột độn đến hiệu cản xạ vải chế tạo sở nhựa PVC THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất dụng cụ 2.1.1 Hóa chất + Al2O3, PA: Hemedia, Ấn Độ, kích thước hạt 0,1-0,15 µm; 82 Đ C Danh, V N Toán, Đ B Minh, “Nghiên cứu ảnh hưởng … sở nhựa PVC.” Nghiên cứu khoa học công nghệ + BaSO4, PA: Hemedia, Ấn Độ, kích thước hạt 0,1-0,15 µm; + PbO, PA: Xilong, Trung Quốc, kích thước hạt 0,1-0,15 µm; + V9254, PA: Hemedia, Ấn Độ, d=0,990-0,998 g/mL, số I2= 1-5 %; + Dioctyl phthalate (DOP): Merk, Đức, tos= 384 oC, d= 0,985-0,987 g/mL; + Polyvinyl clorua (PVC, kích thước hạt 75-90 µm, d= 0,55 g/mL), Singapo; + Vải polyester (85 % polyester/15 % visco, d=120 gsm, 0,2 mm): Mỹ 2.1.2 Dụng cụ thiết bị Bảng Dụng cụ thiết bị nghiên cứu TT Dụng cụ - Thiết bị TT Dụng cụ - Thiết bị Cốc thủy tinh loại Máy cán cao su Bình định mức loại Máy nghiền bi sứ Đũa thủy tinh 10 Máy khuấy siêu âm Ống đong 11 Tủ sấy Ống nhỏ giọt 12 Cây tráng Phễu thủy tinh 13 Giấy vân Cân phân tích 14 Thanh đè giấy vân 2.2 Phương pháp chế tạo vải cản xạ * Chế tạo vải cản xạ theo phương pháp thủ công (CTC): - Bước 1: Cân a g nhựa PVC cho vào cốc thủy tinh khô Cân tiếp khối lượng xác định thành phần bột đột (tính theo đơn thành phần) Dùng ống đong khơ sạch, đong b mL chất hóa dẻo DOP phụ gia Cho toàn hợp phần vào cốc thủy tinh, dùng dao kỹ thuật trộn sơ hỗn hợp Sau đó, chuyển hỗn hợp vào cối nghiền sứ nghiền hỗn hợp 60 phút nhiệt độ phòng Ngắt thiết bị, tháo tách loại bỏ bi sứ thu lấy hỗn hợp chất - Bước 2: Chuẩn bị mặt kính, khơ, sạch, phẳng Trải giấy vân, sau trải tiếp lớp vải cốt - Bước 3: Rót hỗn hợp sau nghiền lên bề mặt vải cốt Dùng tráng cán hỗn hợp lên bề mặt vải cốt Để mẫu ổn định nhiệt độ phịng 60 phút Sau đưa mẫu lên gá xoay, lắp sẵn tủ sấy trì nhiệt độ 165-170 oC Dùng đồng hồ theo dõi, sau 120 s lấy mẫu khỏi tủ sấy, để nguội tự nhiên Thu sản phẩm mẫu vải cản xạ, đánh ký hiệu bảo quản lại mẫu * Chế tạo vải cản xạ theo phương pháp cán nóng (CN): - Bước 1: Cân a g nhựa PVC cho vào cốc thủy tinh khô Cân tiếp khối lượng xác định thành phần bột đột (tính theo 100 nhựa nền- PHR) Dùng ống đong khô sạch, đong b mL chất hóa dẻo DOP phụ gia - Bước 2: Cho toàn hợp phần vào cốc thủy tinh, dùng dao kỹ thuật trộn sơ hỗn hợp Sau đó, hỗn hợp đưa lên máy cán phịng thí nghiệm Tiến hành cán trộn hỗn hợp - Bước 3: Sau đó, đưa bán thành phẩm sang máy cán khác gia nhiệt trục cán 165170 oC, tiến hành cán trộn 03 lần, sau đó, cán xuất cán dán vải cốt lên hỗn hợp nhựa Tách sản phẩm khỏi trục cán, chải mặt phẳng, để nguội tự nhiên Sau đó, dùng thước đo cắt lấy mẫu theo kích thước mong muốn Các mẫu nghiên cứu cán với độ dầy 0,45±0,2 mm Đơn thành phần ký hiệu mẫu vải thu sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 83 Hóa học Kỹ thuật môi trường Bảng Đơn thành phần ký hiệu mẫu TT Ký hiệu Đơn thành phần M0n Al2O3+ PbO+BaSO4 (20:20:20) PHR, PVC 40 PHR, DOP PHR, cán nóng M1n Al2O3+ BaSO4 (30:30) PHR, PVC 40 PHR, DOP PHR, cán nóng M2n Al2O3+ PbO (30:30) PHR, PVC 50 PHR, DOP 2,5 PHR, cán nóng M3n PbO+BaSO4 (30:30 PHR), PVC 50 PHR, DOP 2,5 PHR, cán nóng M4n BaSO4 60 PHR, V9254 PHR, PVC 60 PHR, DOP PHR, cán nóng M5n BaSO4 60 PHR, PVC 60 PHR, DOP PHR, cán thủ công M6n Al2O3 60 PHR, PVC 65 PHR, V9254 PHR, cán nóng M7n Al2O3 60 PHR , PVC 70 PHR, DOP PHR, cán thủ công M8n Al2O3 100 PHR, PVC 100 PHR, DOP PHR, cán nóng 10 M9n PbO 60 PHR, PVC 60 PHR, DOP PHR, cán thủ công 11 M10n PbO+BaSO4+Al2O3 (20:20:20) PHR, PVC 30 PHR, DOP 1PHR, V9254 PHR, cán nóng 2.3 Phương pháp đánh giá hiệu cản xạ Hiệu cản xạ mẫu vải sau chế tạo đánh giá cách sử dụng hệ đo alpha beta phông thấp với nguồn đo nguồn Cs137, nguồn Co60 - Nguồn Cs137: Hoạt độ ban đầu: 0,0985 Ci; + Hoạt độ thử nghiệm mức 1: 19 mR/h (khoảng cách nguồn: 88,4 cm); + Hoạt độ thử nghiệm mức 2: 14 mR/h (khoảng cách nguồn: 108,2 cm) - Nguồn Co60: Nguồn ДΠ-5A với hoạt độ mR/h Hệ đo alpha beta phông thấp thường sử dụng phép đo hoạt độ phóng xạ hạt nhân phát xạ alpha, beta, đặc biệt hoạt độ thấp, phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân, đo đạc, phân tích mơi trường, kiểm sốt an tồn phóng xạ, Hiệu cản xạ xác định công thức sau: Bước 1: Xác định tỷ lệ giá trị Air Kerma khơng có vật liệu cản xạ S = ((Ko - Kl)/Ko)*100% Bước 2: So sánh khả cản xạ vật liệu có chì khơng có chì P = (Sno/ SPb)*100% Trong đó: + S: Hiệu cản xạ vật liệu; + Sno: Hiệu cản xạ vật liệu khơng có chì; + SPb: Hiệu cản xạ vật liệu có chì; + Ko: Giá trị Air Kerma khơng có vật liệu cản xạ; + Kl: Giá trị Air Kerma có vật liệu cản xạ Ở giá trị, tiến hành đo 05 lần lấy giá trị trung bình KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết nghiên cứu vải cản xạ Nhóm nghiên cứu xây dựng đơn thành phần chế tạo 11 mẫu vải cản xạ với thành phần bột độn khác Các đơn thành phần thiết kế với phần khối lượng bột độn tương đồng (60 PHR), thay đổi hàm lượng oxit muối Riêng mẫu chứa Al2O3, tiến hành điều chỉnh hàm lượng chất độn (60 PHR 100 PHR) phần nhựa PVC (60 PHR, 70 PHR 100 PHR) có khơng có 84 Đ C Danh, V N Toán, Đ B Minh, “Nghiên cứu ảnh hưởng … sở nhựa PVC.” Nghiên cứu khoa học công nghệ sử dụng phụ gia V9254 Việc điều chỉnh hợp phần nhựa PVC, chất hóa dẻo DOP, chất phụ gia V9254 nhằm thay đổi tính lý độ bám dính vải lớp nhựa Trong báo này, yếu tố lý khơng đề cập phân tích, đánh giá Bên cạnh đó, PVC, DOP, phụ gia khơng có tác dụng cản xạ độ dày 0,45±0,2 mm [10] Kết nghiên cứu chế tạo vải cản xạ thu sau: Bảng Độ dày ngoại quan mẫu vải cản xạ sau cán tráng Độ dày, mm TT Ký hiệu mẫu Ngoại quan mẫu M0n 0,45 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu đen đậm M1n 0,42 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu đen nhạt M2n 0,42 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu đen đậm M3n 0,44 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu đen đậm M4n 0,43 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu đen nhạt M5n 0,46 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu đen nhạt M6n 0,45 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu trắng đậm M7n 0,44 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu trắng đậm M8n 0,43 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu trắng đậm 10 M9n 0,44 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu đen đậm 11 M10n 0,46 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất khiếm khuyết, màu đen đậm Như vậy, mẫu vải sau cán tráng thu có màu đồng đều, khơng xuất vết phồng rộp bề mặt Kết đồng nghĩa với việc 02 chế độ cán tráng mà nhóm nghiên cứu đưa phù hợp với mục đích chế tạo vải cản xạ 3.2 Đánh giá hiệu cản xạ mẫu vải cán tráng Tiến hành đánh giá hiệu cản xạ mẫu vải thu với 02 nguồn, 03 mức lượng Kết thu sau: Bảng Hiệu cản xạ mẫu vải chế tạo TT Ký Độ bền kéo đứt (N) Hiệu cản Hiệu Hiệu cản xạ (ISO 1421-1998 E) hiệu xạ Cs137 cản xạ Cs137 (mR/h) (D: dọc, N: ngang) mẫu (mR/h) Co60 mức mức (mR/h) M0n 175,4 (D); 111,7 (N) 16,3 12,1 2,7 M1n 182,8 (D); 122,1 (N) 16,3 11,5 2,0 M2n 189,4 (D); 130,4 (N) 16 11,9 2,1 M3n 192,8 (D); 135,1 (N) 16,6 12 2,4 M4n 205,4 (D); 151,4 (N 16,3 11,7 2,2 M5n 115,4 (D); 61,7 (N) 17,0 12,2 2,2 M6n 235,6 (D); 191,4 (N) 16,1 11,8 2,5 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 85 Hóa học Kỹ thuật mơi trường 10 11 M7n 128,9 (D); 67,2 (N) 16,3 11,6 2,4 M8n 191,4 (D); 140,7 (N) 17 12,1 2,5 M9n 119,7 (D); 63,2 (N) 16,9 12,1 2,3 M10n 226,9 (D); 173,5 (N) 16,4 12,0 2,5 Kết đánh giá hiệu cản xạ mẫu biểu diễn dạng đồ thị, thu sau: Hiệu cản xạ (mR/h) Hiệu cản xạ mẫu vải 18 16 14 12 10 Hiệu cản xạ Cs137 (mR/h) mức Hiệu cản xạ Cs137 (mR/h) mức Hiệu cản xạ Co60 (mR/h) Hình Hiệu cản xạ mẫu vải cản xạ chế tạo Từ bảng hình nhận thấy rằng, mẫu M0n M10 n với đơn thành phần sử dụng hỗn hợp bột độn PbO+BaSO4 + Al2O3 cho hiệu cản xạ lớn nhất, cụ thể: hiệu cản xạ Cs137 mức 16,4 mRh; hiệu cản xạ Cs137 mức 12,0 mRh; hiệu cản xạ Co60 2,5 mRh Mẫu vải có chứa hỗn hợp Al2O3+ BaSO4 cho hiệu cản xạ thấp (hiệu cản xạ Cs137 mức 16,3 mRh; hiệu cản xạ Cs137 mức 11,5 mRh; hiệu cản xạ Co60 2,0 mR/h Với oxit kim loại riêng lẻ, bột Al2O3 cho hiệu cản xạ lớn (mẫu M6n, M7n, M8n): hiệu cản xạ Cs137 mức 17 mRh, hiệu cản xạ Cs137 mức 12,1 mRh hiệu cản xạ Co60 2,5 mRh Đánh giá hiệu cản xạ cho thấy, Al2O3 mang lại hiệu cản xạ cao so với PbO Về mặt hóa học, Al2O3 độc, nhẹ (d=3,97 g/cm3), cách điện, cứng, tốt cho người sử dụng so với PbO Các mẫu sử dụng chất độn BaSO4 cho hiệu cản xạ thấp Bên cạnh đó, việc sử dụng bột độn oxit muối riêng lẻ có hiệu cản xạ cao so với mẫu có chứa hỗn hợp oxit Kết thu cho phép tiến hành tiếp nghiên cứu đánh giá chất việc phối trộn oxit, muối vào vải cản xạ nhằm thu vải có hiệu cản xạ cao lý tốt KẾT LUẬN Đã nghiên cứu ảnh hưởng thành phần số bột độn đến hiệu cản xạ vải cản xạ Mẫu vải cản xạ có thành phần Al2O3 100 PHR, PVC 100 PHR, DOP PHR, phụ gia V9245 2PHR, có lớp vải cốt polyeste chế tạo phương pháp cán nóng, độ dầy 0,45 mm cho hiệu cản xạ cao với nguồn Cs137 Co60 mức lượng thấp Trên sở này, tiến hành nghiên cứu đánh giá chất việc phối trộn oxit, muối vào vải cản xạ nhằm thu vải có hiệu cản xạ cao lý tốt Lời cảm ơn: Các tác giả trân trọng cảm ơn hỗ trợ kinh phí đề tài cấp Bộ Quốc phịng thuộc Chương trình KC.AT: Nghiên cứu chế tạo lán huy quần áo dã chiến chống phóng xạ cho người 86 Đ C Danh, V N Toán, Đ B Minh, “Nghiên cứu ảnh hưởng … sở nhựa PVC.” Nghiên cứu khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quí Sơn (2012), “Nghiên cứu đặc tính lý màng composite cản xạ dùng để may áo”, Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội [2] Steve Sedlack, “Flexible sheet containing a high proportion of rigid material”, US Patent No 3256442 [3] Steve Sedlack, “Composite flexible material containing a high proportion of filler particles”, US Patent No 3515625 [4] Steve Sedlack, “Flexible radiation shielding material”, US Patent No 3536920 [5] Shinobu Sato, “Radiation shield”, US Patent No 4587277 [6] Takeshima et als, “Radiation shield and shielding material with excellent heat transferring property”, US Patent No 5015863 [7] A I Wozniak et al., (2017), “Modern approaches to polymer mateirals protecting from ionizing radiation”, Oriental Jour Chem., 33(5), pp 2148-2163 [8] Nebahat Aral et al., (2015), “An alternative X-ray shielding material based on coated textiles”, Textile Res Jour., DOI: 10.1177/004057515590409, pages [9] Samantha Pulford, Macarthur Fergusson, (2016), “A textile platform for non-lead radiation shielding apparel”, The Journal of The Textile Institute, DOI: 10.1080/00405000.2015.1131402, pages [10] Boonsri Kusuktham et al., (2016), “X-ray attenuation of cotton fabrics coated with barium sulphate”, Jour Metals, Mater And Minerals, 26(1), pp 17-23 ABSTRACT STUDY ON THE EFFECT OF FILLER COMPOSITION ON THE RADIATION SHIELDING EFFICIENCY OF FABRIC ON PVC BASE Shielding fabric is widely studied and applied to making clothes, bibs, aprons, gloves, boots to protect people working and exposed to radiation in reality In domestic, HUST and AMST also conducted research on making shielding fabric based on thermoplastics and rubber mixed with lead oxide and heavy metal oxide In this paper, the research results on the effect of the filler composition on the radiation shielding effect of the fabric when combined with other additives are introduced The research results show that Al2O3 helps increase the shielding efficiency of the material better than BaSO4 and PbO With component of Al2O3 100 PHR, PVC 100 PHR, DOP PHR, 2PHR other additives, the polyester reinforced fabric will be obtained a shielding fabric with good strength properties and shielding efficiency Keywords: Radiative materials; Metal oxide; Irradiation fabric Nhận ngày 10 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 11 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Công nghệ mới/Viện KH-CN quân * Email: congdanhmdc91@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, - 2020 87 ... cản xạ nhằm thu vải có hiệu cản xạ cao lý tốt KẾT LUẬN Đã nghiên cứu ảnh hưởng thành phần số bột độn đến hiệu cản xạ vải cản xạ Mẫu vải cản xạ có thành phần Al2O3 100 PHR, PVC 100 PHR, DOP PHR,... LUẬN 3.1 Kết nghiên cứu vải cản xạ Nhóm nghiên cứu xây dựng đơn thành phần chế tạo 11 mẫu vải cản xạ với thành phần bột độn khác Các đơn thành phần thiết kế với phần khối lượng bột độn tương đồng... giá hiệu cản xạ mẫu biểu diễn dạng đồ thị, thu sau: Hiệu cản xạ (mR/h) Hiệu cản xạ mẫu vải 18 16 14 12 10 Hiệu cản xạ Cs137 (mR/h) mức Hiệu cản xạ Cs137 (mR/h) mức Hiệu cản xạ Co60 (mR/h) Hình Hiệu