Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần đơn tới hiệu cản xạ của vật liệu composite trên nền nhựa E-128. Kết quả cho thấy, việc tăng tỷ lệ chất độn từ 10 % lên 15 % giúp gia tăng hiệu quả che chắn phóng xạ.
Hóa học & Mơi trường NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CẢN TIA GAMMA TRÊN NỀN NHỰA EPOXY E-128 PHẦN II- ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN ĐƠN ĐẾN HIỆU QUẢ CẢN XẠ Vũ Ngọc Tốn1*, Nguyễn Văn Hồng1, Tơ Phương Linh1, Nguyễn Quang Lý2 Tóm tắt: Bức xạ gamma gây nhiều hệ lụy sức khỏe người số bệnh cấp tính, mạn tính, chí tử vong cường độ lớn thời gian tiếp xúc dài Nhiều loại vật liệu nghiên cứu, thử nghiệm ứng dụng để che chắn xạ gamma cho đối tượng khác Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu ảnh hưởng thành phần đơn tới hiệu cản xạ vật liệu composite nhựa E-128 Kết cho thấy, việc tăng tỷ lệ chất độn từ 10 % lên 15 % giúp gia tăng hiệu che chắn phóng xạ Mẫu vật liệu có thành phần PbO:Bi2O3:WC (15 %) cho hiệu cản xạ 10,43 % với nguồn 60Co 9,19 % với nguồn 137Cs Hiệu cản xạ mẫu vật liệu đạt 77 % 73 % so với hiệu cản xạ chì dày 0,25 cm Từ khóa: Vật liệu cản xạ; Vật liệu composite; Ô nhiễm phóng xạ MỞ ĐẦU Ô nhiễm phóng xạ tiếp xúc ý muốn với chất phóng xạ - nguyên tử nguyên tố hợp chất có khả phát phóng xạ Ơ nhiễm phóng xạ xuất phát từ hai ngun nhân chủ quan khách quan như: cố nhà máy điện hạt nhân, thử vũ khí hạt nhân, thất lạc nguồn,… [1] Dù từ nguyên nhân ô nhiễm phóng xạ gây ảnh hưởng không tốt tới sức khỏe người chúng vượt ngưỡng cho phép Khi nhiễm vào thể, tùy theo mức độ tia phóng xạ gây nên biến đổi nucleic nhiễm sắc thể, gây rối loạn tổng hợp ADN ARN, protein, kháng thể làm ức chế phân chia tế bào gây tới chết tế bào Mức độ tác động phụ thuộc vào lượng chất, suất liều, loại chất phóng xạ, cách thức tiếp xúc khoảng thời gian tiếp xúc [6] Trước đây, giới chứng kiến nhiều cố xảy số nhà máy điện hạt nhân, điển hình cố Chernobyl năm 1986 cố Fukushima năm 2011 gây đám mây phóng xạ mà hậu đến chưa giải triệt để Ngoài ra, phát triển loại vũ khí hạt nhân, thiết bị sử dụng nguồn với hoạt động xử lý, khai thác phóng xạ,… tạo nhiều nguy nhiễm phóng xạ, có ảnh hưởng nghiệm trọng tới sức khỏe người mơi trường xung quanh [1, 2, 5] Hiện có nhiều loại vật liệu sử dụng để phòng chống ô nhiễm ngăn cản (che chắn) tia phóng xạ chì, cao su, vữa barite, gạch chống phóng xạ RS, hợp kim, dung dịch,… Hơn 20 năm gần đây, hệ vật liệu composite cản xạ phóng xạ (có chứa chì khơng chứa chì) xuất tiếp tục nhận quan tâm nhiều nhà nghiên cứu ưu điểm lý tính, tỷ trọng, độ thuận tiện chế tạo- lắp đặt, giá thành, an tồn với mơi trường, Thành phần vật liệu composite cản xạ thường bao gồm nhựa nền, chất độn, chất hóa dẻo, chất hóa rắn, sợi gia cường, phụ gia,… Chất độn thường nguyên tố kim loại, muối, oxit kim loại có tỷ trọng cao, đó, nhựa sử dụng thường phải có hàm lượng hydro cao Thành phần hàm lượng chất độn ảnh hưởng lớn tới tính chất lý hiệu che chắn phóng xạ vật liệu Khả che chắn phóng xạ vật liệu composite phụ thuộc vào loại hàm lượng chất độn cho vào chế độ gia công chế tạo mẫu Việc đưa nhiều chất độn vào thành phần đơn chế tạo giúp tăng hiệu che chắn phóng xạ nhiên lại ảnh hưởng tới tính chất lý vật liệu làm chất độn nhựa khó tạo thành pha đồng trộn hỗn hợp [3-5] Có thể nói, tia gamma đối tượng tập trung nghiên cứu nhằm tìm hệ vật liệu che chắn hiệu Loại tia này, tùy theo mức lượng có khả đâm xuyên mạnh, tác động nguy hiểm môi trường khơng khí thể Nhằm 86 V N Toán, …, N Q Lý, “Nghiên cứu chế tạo vật liệu cản tia … đến hiệu cản xạ.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ góp phần đa dạng hóa vật liệu che chắn tia gamma, báo giới thiệu kết nghiên cứu bước đầu ảnh hưởng hàm lượng thành phần chất độn đưa vào đơn công nghệ đến hiệu che chắn tia gamma vật liệu composite cản xạ nhựa E-128 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất dụng cụ 2.1.1 Hóa chất - Nhựa epoxy E-128 (Trung Quốc), đương lượng epoxy 184-190 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), tinh khiết phân tích; - Chất đóng rắn PEPA (Trung Quốc), tinh khiết phân tích 2.1.2 Dụng cụ thiết bị nghiên cứu Bảng Dụng cụ thiết bị nghiên cứu TT Dụng cụ TT Thiết bị Cốc nhựa dung tích 500 mL Pipet thể tích mL 10 mL Khn gỗ kích thước (30×15×2) cm Cân phân tích OHAUS, độ xác 10-3 g (Mỹ) Tấm kính kích thước (1×1) m Máy đo phổ hồng ngoại TENSOR II (Mỹ) Máy đo xạ gamma Radiagen X2000 code Băng dính 10 76687 (Mỹ) Que khuấy 11 Một số trang thiết bị nghiên cứu khác Ống đong dung tích 25 mL, 50 mL Một số vật tư, dung mơi khác sẵn có phịng 12 100 mL thí nghiệm 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu composite - Cân 80 g nhựa E-128 20 g chất hóa dẻo DOP vào cốc nhựa 500 mL, khuấy vòng 30 phút - Cân lượng xác định bột kim loại oxit/muối kim loại hỗn hợp oxit muối kim loại vào cối sứ nghiền nhỏ, sau đổ toàn vào hỗn hợp nhựa trộn Tiếp tục khuấy trộn hỗn hợp nhiệt độ phòng thêm để yên hỗn hợp vòng 1-2 - Thêm 8,112 g chất hóa rắn PEPA vào khuấy hỗn hợp 15 phút - Vừa khuấy, vừa đổ hỗn hợp khuôn chuẩn bị sẵn để yên nhiệt độ phòng vòng 24 giờ, vật liệu khơ hồn tồn tiến hành tháo đánh dấu mẫu Mẫu vật liệu thu có kích thước (14x15x0,5) cm, sau đem phân tích hiệu che chắn phóng xạ 2.2.2 Phương pháp đánh giá tính chất vật liệu chế tạo Phân tích phổ hồng ngoại mẫu nhựa epoxy E-128, DOP PEPA máy Tensor II (Brucker) kỹ thuật ép viên với KBr Phịng Phân tích/Viện Hóa học - Vật liệu 2.2.3 Phương pháp đánh giá hiệu cản xạ vật liệu chế tạo Thử nghiệm khả che chắn xạ gamma lượng thấp với nguồn 137Cs nguồn 60Co (phát tia gamma, thực nghiệm Viện Hóa học - Mơi trường qn sự/BTL Hóa học) Nguồn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 87 Hóa học & Mơi trường Cs phát tia gamma có hoạt độ khơng che chắn 16,22 µSv/h, khoảng cách từ detector tới mẫu 21 cm, từ mẫu tới nguồn 5,4 cm Nguồn 60Co phát tia có hoạt độ khơng che chắn 1,284 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) 137 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết nghiên cứu phổ hồng ngoại thành phần vật liệu composite Phổ hồng ngoại mẫu đo máy FT-IR Tensor II (Brucker) kỹ thuật ép viên với KBr 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 E-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) 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 cơng thức cấu tạo cơng bố, pic thu sắc nét, có cường độ tốt Chất lượng thành phần bột độn gồm PbO, Al2O3, BaSO4, B4C, Bi2O3, WC lấy theo công bố nhà sản xuất 3.2 Kết nghiên cứu chế tạo đánh giá ảnh hưởng số yếu tố 3.2.1 Khảo sát hiệu cản xạ chì chuẩn Như biết, thành phần bột độn vật liệu cản xạ thường sử dụng kim loại, muối oxit chúng, đó, phổ biến chì kim loại có khả che chắn phóng xạ tốt phổ biến tự nhiên Tuy nhiên, chì có nhiều nhược điểm, đặc biệt khối lượng riêng cao dẫn tới vật liệu thu có tỷ trọng lớn, gây hạn chế việc vận chuyển ứng dụng vật liệu Ngồi ra, chì có độc tính cao, sử dụng ảnh hưởng tới môi trường sức khỏe người Do đó, yêu cầu đặt cho loại vật liệu composite che chắn phóng xạ giảm thiểu tối đa việc sử dụng chì đơn chế tạo Trong nghiên cứu này, mẫu sản phẩm đo hiệu che chắn phóng xạ để so sánh với hiệu che chắn phóng xạ chì chuẩn với độ dày 0,25 cm Hiệu che chắn phóng xạ mẫu chì chuẩn 02 nguồn phóng xạ 60Co 137Cs nêu đạt 13,08 % 12,55 % 3.2.2 Ảnh hưởng thành phần chất độn tới hiệu che chắn phóng xạ Để khảo sát ảnh hưởng thành phần chất độn tới hiệu che chắn phóng xạ, chúng tơi thay đổi thông số thành phần độn sau: sử dụng hay nhiều oxit/muối kim loại, có phối trộn muối chì khơng, với hàm lượng chất độn 10 % 15 % Hiệu cản xạ mẫu đánh giá với nguồn phóng xạ 60Co 137Cs a Với nguồn 60Co: - Đối với mẫu sử dụng 10 % chất độn: + Đối với mẫu sử dụng PbO làm chất độn với tỷ lệ 10 % khối lượng, hiệu cản xạ đạt 5,98 % + Đối với mẫu sử dụng kết hợp muối oxit: PbO, CB4, BaSO4, Al2O3, WC, Bi2O3 với tỷ lệ % loại, kết cho thấy việc phối trộn tỷ lệ 1:1 hai hợp phần chất độn khác 88 V N Toán, …, N Q Lý, “Nghiên cứu chế tạo vật liệu cản tia … đến hiệu cản xạ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ tạo sản phẩm composite có hiệu che chắn phóng xạ khác Dữ liệu thu phù hợp với chất hợp phần chất độn đưa vào Bản thân nguồn 60Co sử dụng nghiên cứu có hoạt độ thấp, đó, việc đánh giá hiệu che chắn phóng xạ nhiều có sai khác so với việc thử nghiệm hoạt độ lớn Việc phối trộn % WC với % Al2O3 không mang lại hiệu che chắn phóng xạ (chỉ đạt 3,27 %) Trong đó, việc phối trộn % PbO với % Bi2O3 gia tăng hiệu che chắn phóng xạ composite lên 6,23 % Giá trị thu phối trộn 10 % chất độn thấp, đạt khoảng 50 % so với chì có độ dày 0,25 cm - Đối với mẫu sử dụng 15 % chất độn: + Đối với mẫu sử dụng PbO làm chất độn với hàm lượng 15 %, hiệu che chắn phóng xạ đạt 8,23 % + Đối với mẫu sử dụng kết hợp muối oxit: PbO, CB4, BaSO4, Al2O3, WC, Bi2O3 với tỷ lệ % loại: kết thu cho thấy việc đưa vào thành phần mẫu composite 03 cấu tử chất độn với tỷ lệ khác làm tăng hiệu che chắn phóng xạ mẫu vật liệu Hiệu che chắn phóng xạ tăng mẫu không giống nhau, khoảng (0,5 - 1,0) % tăng % chất độn Hiệu che chắn phóng xạ đạt cao 10,43 % kết hợp PbO, Bi2O3 WC Ngồi ra, hiệu che chắn phóng xạ kết hợp (PbO, Bi 2O3, BaSO4), (PbO, WC, BaSO4), (WC, Bi2O3, BaSO4) tương đối cao, 9,13 % 8,57 % 8,57 % Kết cho thấy, hiệu che chắn phóng xạ số mẫu tương đương với 77% hiệu chì chuẩn dày 0,25 cm (hiệu che chắn đạt 13,08 % với nguồn 60Co) Như vậy, nguồn 60Co chất độn PbO, WC, Bi2O3, BaSO4 cho hiệu che chắn phóng xạ tốt phối trộn với E-128, DOP PEPA b Với nguồn 137Cs: - Đối với mẫu sử dụng 10 % chất độn: + Đối với mẫu sử dụng PbO làm chất độn với hàm lượng 10 % khối lượng, hiệu che chắn phóng xạ đạt 5,54 % + Đối với mẫu sử dụng kết hợp muối oxit: PbO, CB4, BaSO4, Al2O3, WC, Bi2O3 với tỷ lệ % loại, kết thu cho thấy, với nguồn 137Cs việc dùng 02 chất độn PbO với WC Bi2O3 với WC cho hiệu che chắn cao nhất, đạt (5,87-6,03) % Trong đó, việc sử dụng % CB4 với % Al2O3 % WC với % Al2O3 cho hiệu che chắn phóng xạ thấp (đạt 3,45-3,56 %) Như vậy, nguồn 137Cs nguồn 60 Co việc sử dụng WC với Al2O3 CB4 với Al2O3 cho hiệu che chắn phóng xạ thấp - Đối với mẫu sử dụng 15 % chất độn: + Đối với mẫu sử dụng PbO làm chất độn với hàm lượng 15 % khối lượng, hiệu che chắn phóng xạ đạt 8,07 % + Đối với mẫu sử dụng kết hợp muối oxit: PbO, CB4, BaSO4, Al2O3, WC, Bi2O3 với tỷ lệ % loại, kết cho thấy với nguồn 137Cs việc dùng 03 chất độn PbO, Bi2O3, WC đạt hiệu cao (từ 8,58 - 9,19 %) Hiệu che chắn phóng xạ đạt cao 9,19 % mẫu kết hợp PbO, WC với Bi2O3 theo tỷ lệ 1:1:1 Việc tăng tỷ lệ chất độn lên thêm % (từ 10 lên 15 %) giúp tăng hiệu che chắn phóng xạ mẫu Bên cạnh việc sử dụng CB4 với WC BaSO4 CB4 với WC Al2O3 CB4 với WC Bi2O3 CB4 với BaSO4 Al2O3 thu vật liệu composite có hiệu che chắn phóng xạ thấp (đạt 6,28- 6,53 %) So sánh với kết đánh giá hiệu chì (kích thước chì (14×15×0,25) cm), hiệu che chắn phóng xạ số mẫu tương đương với khoảng 73 % hiệu che chắn chì 0,25 cm (hiệu che chắn đạt 12,55 % với nguồn 137Cs) Thêm vào đó, hiệu che chắn phóng xạ phối trộn 02 03 chất độn cao so với việc sử dụng chất độn Như vậy, nguồn 60Co 137Cs, chất độn PbO, WC, Bi2O3 cho hiệu che chắn tốt phối trộn với E-128, DOP PEPA Hiệu che chắn nguồn 60Co mẫu lớn so với nguồn 137Cs nguồn 60Co có mức lượng thấp nguồn 137Cs Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, - 2021 89 Hóa học & Mơi trường KẾT LUẬN Đã chế tạo thành công vật liệu composite che chắn phóng xạ (bức xạ gamma) từ nhựa E-128, DOP, PEPA số chất độn Đã nghiên cứu ảnh hưởng thành phần đơn đến hiệu che chắn xạ gamma mẫu vật liệu chế tạo Kết cho thấy việc tăng tỷ lệ chất độn từ 10 % lên 15 % giúp tăng hiệu cản xạ vật liệu với nguồn 60Co 137Cs Ngoài ra, tỷ lệ thành phần chất độn, việc thay phần oxit chì PbO chất khác Bi 2O3 hay WC vừa giúp hạn chế lượng chì sử dụng vừa giúp tăng hiệu che chắn phóng xạ cho vật liệu Hiệu che chắn đạt cao với mẫu sử dụng 15 % chất độn chứa PbO:Bi2O3:WC với tỷ lệ 1:1:1 (10,43 % với nguồn 60Co 9,19 % với nguồn 137Cs) Giá trị hiệu cản xạ mẫu vật liệu đạt khoảng 77 % 73 % so với hiệu cản xạ chì chuẩn dày 0,25 cm 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 chất phương tiện mô tình cố phóng xạ mặt đất sử dụng huấn luyện, diễn tập TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lương Văn Trường (2000), Vũ khí hạt nhân cách phòng chống, Nhà xuất Quân đội nhân dân [2] A El-Sayed 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 [4] 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 [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] Thomas et al (2016), Radiation exposure and health effects-Is it time to reassess the real consequences?, Clinical Oncology, 28(4), pp 231-236 ABSTRACT STUDY ON PRODUCING GAMMA RADIATION SHIELDING COMPOSITE ON E-128 RESIN PART II: THE EFFECT OF UNIT COMPONENT ON SHIELDING PROPERTIES Radioactivity is the phenomenon that some unstable atomic nuclei change on their own, after which they release excess energy and emit nuclear radiation Radiation can originate naturally, artificially, or from solar energy Radioactive pollution causes many consequences for human health such as leading to some acute, chronic, or even fatal diseases if radioactive contamination in large doses, therefore, a material with good radiation shielding is required The paper presents the results of research on the effect of the unit component on gamma radiation shielding efficiency of composite materials on E128 resin The results showed that the increase in the rate of fillers from 10 % to 15 % increases the effectiveness of radiation shielding The best radiation shielding performance is when using 15% of PbO: Bi2O3: WC fillers (1:1:1 ratio), reaching 10.43 % with 60Co source and 9.19 % with 137Cs (efficiency equivalent to 77 % and 73 % of standard lead plate 0.25 cm thick) Keywords: Radiation shielding material; Composite material; Radiation pollution Nhận ngày 01 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 20 tháng năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 30 tháng năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Công nghệ mới/Viện KH-CN quân sự; Trường Sĩ quan Lục quân I *Email: vntoanchem@gmail.com 90 V N Toán, …, N Q Lý, “Nghiên cứu chế tạo vật liệu cản tia … đến hiệu cản xạ.” ... hợp phần chất độn khác 88 V N Toán, …, N Q Lý, ? ?Nghiên cứu chế tạo vật liệu cản tia … đến hiệu cản xạ. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ tạo sản phẩm composite có hiệu che chắn phóng xạ khác Dữ liệu. .. chất độn Đã nghiên cứu ảnh hưởng thành phần đơn đến hiệu che chắn xạ gamma mẫu vật liệu chế tạo Kết cho thấy việc tăng tỷ lệ chất độn từ 10 % lên 15 % giúp tăng hiệu cản xạ vật liệu với nguồn 60Co.. .Nghiên cứu khoa học cơng nghệ góp phần đa dạng hóa vật liệu che chắn tia gamma, báo giới thiệu kết nghiên cứu bước đầu ảnh hưởng hàm lượng thành phần chất độn đưa vào đơn công nghệ đến hiệu