Nghiên cứu chế tạo và đánh giá tính chất của vật liệu composite cản xạ

Bài viết trình bày phương pháp chế tạo vật liệu composite trên nền nhựa YD-128, E-44 với một số chất độn, chất dẻo, hóa rắn. Kết quả thử nghiệm hiệu quả cản xạ cho thấy, vật liệu composite trên nền E44 hoặc YD-128 phối hợp với Bi2O3 hoặc B4C cho hiệu quả cản xạ tốt nhất.

Hóa học & Mơi trường NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE CẢN XẠ Vũ Ngọc Tốn*, Đỗ Bình Minh, Nguyễn Minh Trí Tóm tắt: Hiện có nhiều loại vật liệu sử dụng để phịng chống nhiễm hạt nhân, phóng xạ chì, cao su, vữa barite, gạch chống phóng xạ RS, vật liệu composite cản xạ Trong đó, vật liệu composite cản xạ có nhiều ưu điểm lớn mặt chế tạo hiệu cản xạ tốt so với phương pháp khác Bài báo trình bày phương pháp chế tạo vật liệu composite nhựa YD-128, E-44 với số chất độn, chất dẻo, hóa rắn Kết thử nghiệm hiệu cản xạ cho thấy, vật liệu composite E44 YD-128 phối hợp với Bi2O3 B4C cho hiệu cản xạ tốt Từ khóa: Vật liệu cản xạ; Vật liệu composite; Ơ nhiễm phóng xạ MỞ ĐẦU Chất phóng xạ chất mà nguyên tử nguyên tố hợp chất có khả phát phóng xạ, có nguồn gốc tự nhiên, nhân tạo từ mặt trời Nó ảnh hưởng tới người theo nhiều cách, tùy thuộc vào lượng chất, suất liều, loại chất, cách tiếp xúc thời gian tiếp xúc [1] Khi vụ nổ cố hạt nhân, phóng xạ xảy hình thành sản phẩm phản ứng phân hạch, chất phóng xạ cảm ứng, chất nổ hạt nhân không tham gia phản ứng [1, 7] Thế giới có 02 cố từ nhà máy điện hạt nhân gây đám mây phóng xạ lớn (tại Chernobyl năm 1986 Fukushima năm 2011) [1] Ngoài ra, việc thử nghiệm vũ khí hạt nhân diễn số quốc gia, tiềm ẩn nguy nhiễm phóng xạ cho người Các tia α, β, γ phát ra, có khả đâm xuyên qua thể sống, phá hủy chức tế bào, gây nên biến đổi sinh học, làm thay đổi cấu trúc hóa học albumin phá hoại hệ thần kinh, hệ tuần hoàn quan tạo máu [2-6, 8] Vật liệu composit cản xạ quan tâm Về chất, hệ vật liệu có chứa nguyên tố kim loại muối oxit kim loại có tỷ trọng cao, ví dụ Bo, W, Sm2O3, Bi2O3, PbO, PbWO4, CuO, WO3, [9] Bài báo trình bày kết nghiên cứu chế tạo đánh giá tính chất, hiệu cản xạ vật liệu composite chế tạo nhựa E-44 YD-128 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất dụng cụ 2.1.1 Hóa chất - Nhựa epoxy YD-128 (Hàn Quốc), đương lượng epoxy 184-190 g/eq - Nhựa epoxy E-44 (Trung Quốc), đương lượng epoxy 213-244 g/eq - PbO (Chemapol - CH Séc) độ tinh khiết 99,0 % - Al2O3 (Xilong Chemical Co., Ltd - Trung Quốc) độ tinh khiết 95,0 % - BaSO4 (Xilong Scientific Co., Ltd - Trung Quốc) độ tinh khiết 98,0 % - B4C (Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd - Trung Quốc) độ tinh khiết 98,0 %, kích thước hạt 1-10 µm - Bi2O3 (Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd - Trung Quốc) độ tinh khiết 99,9 %, kích thước hạt ≤ µm - WC (Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd - Trung Quốc) độ tinh khiết 99,9 %, kích thước hạt ≤ µm - Chất hóa dẻo dioctylphtalat (DOP) (Trung Quốc), PA - Chất hóa rắn polyethylene polyamin (Trung Quốc), d=1,014 g/cm3, PA - Vải thủy tinh loại E, oxide kiềm 1,0 % (Trung Quốc) 104 V N Toán, Đ B Minh, N M Trí, “Nghiên cứu chế tạo đánh giá … composite cản xạ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 2.1.2 Dụng cụ thiết bị nghiên cứu Bảng Dụng cụ thiết bị nghiên cứu TT Dụng cụ TT Cốc nhựa dung tích 500 mL Khn gỗ kích thước (30×15×2) cm Tấm kính kích thước (1×1) m Băng dính, Que khuấy 10 Thiết bị Cân phân tích OHAUS, độ xác 10-3 g (Mỹ) Phổ hồng ngoại TENSOR II (Mỹ) Máy đo độ cứng Shore Scale Durometer Hardness Tester (Anh) Máy đo độ bền kéo đứt GOTECH AL-7000-M (Đài Loan) Máy đo độ bền va đập (Trung Quốc) Máy đo xạ gamma Radiagen X2000 code 76687 (Mỹ) Pipet thể tích mL 10 mL 11 Ống đong dung tích 25 mL, 50 mL 12 100 mL 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu composite cản xạ a Khảo sát ảnh hưởng chất hóa dẻo: - Chuẩn bị cốc nhựa khô, sạch, dung tích 500 mL, đánh số thứ tự cốc - Cho vào cốc 80 g nhựa YD-128 (hoặc E-44), bổ sung 10 g chất độn PbO, Al2O3, BaSO4, B4C, Bi2O3, WC (mỗi cốc loại chất độn) - Thêm 9,87; 14,80; 19,74 g DOP vào cốc khuấy cốc 30 phút Để yên sau h cho thoát bọt, cho vào cốc 8,11 g PEPA - Khuấy đều, đổ cốc vào khn gỗ có đánh kí hiệu tương ứng với cốc Đợi 3-4 h nhiệt độ phòng cho vật liệu cứng lại, dùng dao tách lấy vật liệu khỏi khuôn Vật liệu thu có kích thước (14×15×0,5) cm b Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất độn: - Chuẩn bị cốc nhựa khơ, sạch, dung tích 500 mL, đánh số thứ tự cốc - Cho vào cốc 80 g nhựa YD-128 (hoặc E-44) sau đó, cho vào cốc 10, 20, 30, 40 g chất độn PbO, Al2O3, BaSO4, B4C, Bi2O3, WC (mỗi cốc loại chất độn) Thêm 19,74 g DOP vào cốc khuấy 30 phút Để yên h cho thoát bọt, cho vào cốc 20,28 g PEPA - Khuấy đều, đổ cốc vào khuôn gỗ đánh dấu Đợi 3-4 h nhiệt độ phòng cho vật liệu cứng lại, dùng dao tách lấy vật liệu khỏi khn Vật liệu thu có kích thước (14×15×0,5) cm c Khảo sát ảnh hưởng vải thủy tinh gia cường: - Chuẩn bị cốc nhựa khơ, sạch, dung tích 500 mL, đánh số thứ tự cốc - Cho vào cốc 80 g nhựa YD-128 (hoặc E-44), sau đó, cho vào cốc 40 g chất độn PbO, Al2O3, BaSO4, B4C, Bi2O3, WC (mỗi cốc loại chất độn) - Thêm 19,74 g DOP vào cốc khuấy 30 phút Để yên sau h cho bọt cốc thoát ra, cho tiếp vào cốc 20,28 g PEPA - Khuấy đều, đổ nửa lượng cốc vào khn gỗ Lấy vải thủy tinh kích thước (14×15) cm đặt lên đổ nhựa, đổ tiếp nửa cốc cịn lại vào đặt vải thủy tinh (1 lớp) Đợi 3-4 h nhiệt độ phòng cho vật liệu cứng lại, dùng dao tách lấy vật liệu khỏi khn với kích thước 14×15×0,5 cm 2.2.2 Phương pháp đánh giá tính chất vật liệu composite chế tạo a Phương pháp phổ hồng ngoại: Phổ hồng ngoại YD-128, E-44, DOP, PEPA phân tích máy Tensor II (Brucker) kỹ thuật ép viên với KBr Phịng Phân tích/Viện Hóa học - Vật liệu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 105 Hóa học & Môi trường b Phương pháp đo độ cứng: Đo độ cứng mẫu đo theo TCVN 4502:2008 máy Shore Scale Durometer Hardness Tester (Anh) Viện Hóa học - Vật liệu, đo điểm mẫu lấy giá trị trung bình c Phương pháp đo độ bền kéo đứt: Các mẫu nghiên cứu xác định độ bền kéo đứt theo tiêu chuẩn ISO 3268 1978 (E) máy đo GOTECH AL-7000-M (Đài Loan), tốc độ kéo mm/min Viện Khoa học Vật liệu/Viện Hàn lâm KHCNVN d Phương pháp đo độ bền va đập: Các mẫu xác định độ bền va đập theo tiêu chuẩn ISO 179-1:2010 máy H.J.M TECHNOLOGY CO., LTD (Trung Quốc) Viện Hóa học - Vật liệu 2.2.3 Phương pháp đánh giá hiệu cản xạ vật liệu chế tạo Thử nghiệm hiệu cản xạ gamma lượng thấp với nguồn 137Cs (phát tia gamma với lượng 661.657 keV Viện HH-MT quân sự) Nguồn 137Cs phát tia có hoạt độ khơng che chắn 28 µSv/h, khoảng cách từ detector tới mẫu 21 cm, từ mẫu tới nguồn 5,4 cm Hiệu cản xạ (H) xác định theo công thức: H = (1 – Af /Ao) × 100 (%) Trong đó: + H hiệu cản xạ (%); + Af hoạt độ phóng xạ bề mặt mẫu đặt vật liệu cản xạ ( Sv); + Ao hoạt độ phóng xạ bề mặt mẫu khơng có vật liệu cản xạ ( Sv) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết phân tích phổ hồng ngoại thành phần vật liệu Trên phổ xuất băng sóng hấp thụ đặc trưng cho dao động nhóm chức có mặt phân tử Cụ thể sau: Đối với mẫu nhựa epoxy YD-128, δ (cm-1): 3443 (νOH); 3055 (νCH thơm); 2966; 2928 2873 (νCH no); 1607, 1509 1458 (νC=C thơm); 1246 1035 (νs, as, C-O); 831 (δoop, CH) Mẫu nhựa E-44 xuất băng sóng tương tự YD-128 Đối với mẫu DOP, δ (cm-1): 3070 (νCH thơm); 2959, 2929 2862 (νCH no); 1728 (νC=O); 1599, 1580 1462 (νC=C thơm); 1273 1123 (νs, as, C-O); 743 (δoop, CH) Đối với mẫu PEPA, δ (cm-1): 3419 (νNH); 1633 (δNH); 1485 (δCH), 1321 (νC-N) Từ kết IR cho thấy, nhựa nền, chất hóa dẻo chất hóa rắn có nhóm chức phù hợp với công thức cấu tạo công bố 3.2 Kết nghiên cứu chế tạo đánh giá ảnh hưởng số yếu tố 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất hóa dẻo Để nghiên cứu ảnh hưởng chất hóa dẻo tới vật liệu chúng tơi tiến hành thay đổi hàm lượng hóa dẻo 9,87; 14,80; 19,74 g Đối với nhựa YD-128, kết thu cho thấy, việc thay đổi tỷ lệ chất hóa dẻo từ 9,87-19,74 g tương đương với 10-20 % đơn thành phần chế tạo vật liệu composite cản xạ có ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng độ bền kéo đứt độ bền va đập sản phẩm Khi tăng hàm lượng DOP sản phẩm thu có lý tăng theo (khoảng 14-20 %) Mẫu có lý tính tốt mẫu có thành phần B4C với độ cứng khoảng 74-78 Shore D, độ bền kéo khoảng 21,82-24,52 MPa, độ bền va đập khoảng 13,45- 14,69 KJ/m2 Đối với nhựa E-44, tăng hàm lượng DOP sản phẩm thu có lý tăng theo (khoảng 13-18 %) Bên cạnh đó, việc đưa vào thành phần đơn loại oxide, muối kim loại khác có ảnh hưởng tới tính lý vật liệu composite E-44 Mẫu có lý tính tốt mẫu có thành phần B4C với độ cứng khoảng 74-76 Shore D, độ bền kéo khoảng 25,16-28,01 MPa, độ bền va đập khoảng 13,86-16,12 KJ/m2 Như vậy, tăng hàm lượng hóa dẻo độ cứng vật liệu khơng thay đổi, độ bền kéo đứt tăng từ 11-13 %, độ bền va đập tăng từ 16-18 %, đó, sử dụng 19,74 g chất hóa dẻo DOP tối ưu 106 V N Tốn, Đ B Minh, N M Trí, “Nghiên cứu chế tạo đánh giá … composite cản xạ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng kim loại Để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng kim loại nặng sử dụng làm chất độn, tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng chủng loại chất độn đưa vào thành phần đơn với hàm lượng 10, 20 30, 40 % Đối với nhựa YD-128, việc gia tăng hàm lượng chất độn ảnh hưởng đáng kể đến lý tính vật liệu composite thu nhựa YD-128 Khi hàm lượng chất độn tăng độ cứng giảm, độ bền kéo đứt giảm, độ bền va đập giảm Trong đó, mẫu với chất độn Bi 2O3 B4C cho tính lý tốt với độ cứng khoảng 74-76 shore D, độ bền kéo đứt khoảng 20 MPa, độ bền va đập khoảng 14-15 KJ/m2 Đối với nhựa E-44, hàm lượng chất độn tăng độ cứng giảm, độ bền kéo đứt giảm, độ bền va đập giảm Trong đó, mẫu với chất độn B4C cho tính lý tốt với độ cứng khoảng 74-76 shore D, độ bền kéo đứt khoảng 27-28 MPa, độ bền va đập khoảng 16-16 KJ/m2 Như vậy, tăng hàm lượng chất độn độ cứng vật liệu không đổi Độ bền kéo đứt giảm từ 2,5 % đến 3,5 %; độ bền va đập giảm từ 3,5 % đến %, suy giảm khơng đáng kể đó, sử dụng 40 g chất độn tối ưu 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng vải thủy tinh gia cường Vật liệu composite sau sử dụng 40 g chất độn 19,74 g chất hóa dẻo DOP có độ bền kéo đứt độ bền va đập không cao nên tiến hành gia cường vật liệu vải thủy tinh Kết cho thấy, gia cường vải thủy tinh độ cứng vật liệu khơng thay đổi độ bền kéo đứt tăng 21-24 % tùy vật liệu, độ bền va đập tăng từ 28-32 % tùy vật liệu, cụ thể: Về độ cứng, gia cường thêm vải thủy tinh độ cứng vật liệu khơng thay đổi, sai lệch so với mẫu vật liệu chưa gia cường Về độ bền kéo đứt độ bền va đập: Khi gia cường thêm vải thủy tinh độ bền kéo đứt độ bền va đập vật liệu tăng nhiều Độ bền kéo đứt vật liệu gia cường vải thủy tinh tăng khoảng 21-24 % tùy loại vật liệu đó, tăng nhiều vật liệu nhựa E-44 với WC tăng 24,05%, tăng vật liệu nhựa E-44 với BaSO4 tăng 21,04 % Độ bền va đập vật liệu gia cường tăng khoảng 28-32% đó, tăng nhiều vật liệu nhựa E-44 với B4C tăng 31,59 % tăng vật liệu nhựa YD-128 với WC tăng 28,8 % 3.3 Đánh giá hiệu cản xạ vật liệu composite chế tạo Sau khảo sát ảnh hưởng yếu tố, xây dựng thành phần đơn vật liệu, gồm: 80 g nhựa YD-128 E-44; 40 g chất độn (PbO, Al2O3, BaSO4, B4C, Bi2O3, WC); 19,74 g chất hóa dẻo DOP, 8,11 g chất hóa rắn, vật liệu gia cường vải thủy tinh E Kết đo hiệu cản xạ mẫu vật liệu thu sau Bảng Hiệu cản xạ mẫu vật liệu composite Mẫu Nhựa YD-128 Kết đo, μSv/h Hiệu cản xạ (%) Lần Lần Lần Lần Lần Trung bình PbO 26,4 26,3 26,4 26,5 26,3 26,38 6,59 Al2O3 27,2 27,4 27,5 27,2 27,4 27,34 3,19 BaSO4 27,0 26,9 27,2 26,9 26,8 26,96 4,53 B4C 26,9 27,0 27,1 27,2 27,1 27,06 4,18 Bi2O3 26,4 26,5 26,4 26,6 26,5 26,48 6,23 WC 26,5 26,7 26,6 26,7 26,5 26,60 5,81 Chất độn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 107 Hóa học & Mơi trường E-44 PbO 26,3 26,2 26,4 26,1 26,3 26,26 7,01 Al2O3 27,2 27,3 27,4 27,1 27,2 27,24 3,54 BaSO4 27,1 27,3 27,0 27,1 26,9 27,08 4,11 B4C 27,1 26,9 27,2 27,1 26,9 27,04 4,25 Bi2O3 26,3 26,4 26,2 26,4 26,3 26,32 6,80 WC 26,4 26,5 26,5 26,6 26,4 26,48 6,23 23,6 23,5 23,7 23,5 23,6 23,58 16,50 Tấm chì Hiệu suất cản xạ % Biểu diễn kết đánh giá hiệu cản xạ mẫu vật liệu dạng biểu đồ thu kết sau YD-128 E-44 PbO AL2O3 BaSO4 B4C Bi2O3 WC Chất độn Hình Hiệu cản xạ loại vật liệu Hình cho thấy, nhựa YD-128 E-44 trộn với PbO cho hiệu cản xạ cao nhất, tiếp đến Bi2O3, WC thấp Al2O3 Theo tính tốn khối lượng composit kích thước (14×15×0,5) cm 148 g Khối lượng chì kích thước (14×15×0,206) cm 490,6 g (dPb=11,34 g/cm3) nặng gấp 3,31 lần composite chế tạo, song hiệu cản xạ chì (16,05 %) gấp 2,36 lần hiệu suất cản xạ composit E-44 trộn Bi2O3 Như vậy, tăng độ dày composit E-44 trộn Bi2O3 lên 2,36 lần thu vật liệu có hiệu với chì khối lượng nhẹ chì mà khơng gây độc hại so với chì KẾT LUẬN Đã chế tạo composite cản xạ từ nhựa YD-128, E-44, DOP, PEPA số muối kim loại với tỷ lệ nhựa: chất độn: hóa dẻo: hóa rắn 80:40:20:8 khối lượng Đã nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến lý tính hiệu cản xạ vật liệu composite loại nhựa, tỷ lệ cấu tử, có khơng có sợi gia cường, tỷ lệ chủng loại muối kim loại Kết cho thấy, Bi2O3 B4C kết hợp với nhựa E-44 YD-128 cho hiệu cản xạ tốt Lời cảm ơn: Các tác giả xin cảm ơn hỗ trợ đề tài cấp BQP thuộc Chương trình KC.AT: Nghiên cứu chế tạo lán huy quần áo dã chiến chống phóng xạ cho người TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lương Văn Trường (2000), “Vũ khí hạt nhân cách phịng chống”, Nhà xuất Quân đội nhân dân [2] A E S Abdo et al (2003), “Utilization of ilmenite/epoxy composite for neutrons and gamma rays attenuation”, Annals of Nuclear Energy, Vol 30, pp 175-187 [3] Gh Eid et al (2011), “Neutron shielding using Li3BO3/Epoxy composite”, Researcher, Vol 3(12), pp 85-91 108 V N Toán, Đ B Minh, N M Trí, “Nghiên cứu chế tạo đánh giá … composite cản xạ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [4] R Hussain et al (1997), “A study of the shielding properties of poly ethylene glycol-lead oxide composite”, Journal of Islamic Academy of Sciences, Vol 10(3), pp 81-84 [5] R Mirji and B Lobo (2017), “Radiation shielding materials: A brief review on methods, scope and significance”, P C Jabin Science College, Huballi, India, Vol: Jabintronics, pp 96-100 [6] R T Santoro (2000), “Radiation Shielding for fusion reactors”, Journal of Nuclear science and technology, Vol 37, pp 11-18 [7] V I Pavlenko et al (2004), “Calculations of the passage of gamma-quanta through a polymer radiation-protective composite”, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol 77, pp 11-14 [8] W Osei-Mensah et al (2012), “Assessment of radiation shielding properties of polyester steel composite using MCNP5”, International Journal of Science and Technology, Vol 2(7), pp 231-236 [9] W T Isbell et al (1966), “Energy absorbing composition”, US Patent No 3247130 ABSTRACT MANUFACTURE AND EVALUATION OF PROPERTIES OF RADIATION SHIELDING COMPOSITE MATERIAL Currently, there are many types of materials used to prevent radiation such as lead plates, rubber, barite mortars, RS anti-radiation brick and radiation shielding composite materials In particular, radiation shielding composite materials have many great advantages In this paper, the manufacture method and evaluation of properties of composite materials on YD-128, E-44 resin with some fillers, plasticizer, solidifier are presented The results show that the composite materials on YD-128 or E-44 combined with Bi2O3 or B4C give the best radiation shielding Keywords: Radiation shielding material; Composite material; Radiation pollution Nhận ngày 19 tháng 11 năm 2020 Hoàn thiện ngày 28 tháng 12 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 02 năm 2021 Địa chỉ: Viện Công nghệ mới/Viện KH-CN quân *Email: vntoanchem@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 71, 02 - 2021 109 ... vật liệu nhựa YD-128 với WC tăng 28,8 % 3.3 Đánh giá hiệu cản xạ vật liệu composite chế tạo Sau khảo sát ảnh hưởng yếu tố, xây dựng thành phần đơn vật liệu, gồm: 80 g nhựa YD-128 E-44; 40 g chất. .. g chất hóa dẻo DOP, 8,11 g chất hóa rắn, vật liệu gia cường vải thủy tinh E Kết đo hiệu cản xạ mẫu vật liệu thu sau Bảng Hiệu cản xạ mẫu vật liệu composite Mẫu Nhựa YD-128 Kết đo, μSv/h Hiệu cản. .. 3-4 h nhiệt độ phòng cho vật liệu cứng lại, dùng dao tách lấy vật liệu khỏi khn với kích thước 14×15×0,5 cm 2.2.2 Phương pháp đánh giá tính chất vật liệu composite chế tạo a Phương pháp phổ hồng