Màng cản xạ là vật liệu composite được tạo thành từ hai loại vật liệu có bản chất khác nhau (nền là các polymer, cao su hay silicone và cốt là các chất độn kim loại nặng), gồm nhiều pha khác nhau về mặt hóa học hầu như không tan vào nhau và được phân cách với nhau bằng ranh giới pha. Vật liệu được tạo thành có đặc tính ưu việt hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần. Ta thấy rõ rằng ưu thế của polymer là các đặc tính cơ lý như tính uốn, dẻo, độ đàn hồi có thế dễ dàng tạo phom và định hình khi gia công để sản xuất ACX nhưng điều quan trọng nhất mà chúng không có đó là khả năng cản xạ, khả năng hấp thụ hay che chắn bức xạ tia X. Trong khi đó, kim loại nặng với khả năng hấp thụ tia X cao, nhưng lại không có tính linh hoạt và ưu thế khi gia công ACX. Do đó sự phối hợp chúng lại với nhau để tạo thành “Màng cản xạ Polymer Composite“ sẽ tận dụng được tính chất tốt của từng pha. Trong cấu trúc hai pha của loại composite này, pha nền là pha liên tục toàn khối đóng vai trò liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối thống nhất tạo điều kiện để tiến hành gia công composite theo các chi tiết đã thiết kế để phù hợp với người mặc đồng thời bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác động hoá học, cơ học của môi trường. Cốt (chất độn) là pha phân tán đóng vai trò tạo độ bền mà modul đàn hồi cao cho composite, mà vẫn đảm bảo mật độ che chắn bức xạ của mình trên toàn bộ diện tích nền. Liên kết tốt giữa nền và cốt tại vùng ranh giới pha là yếu tố quan trọng nhất đảm bảo cho sự kết hợp các đặc tính tốt của 2 pha trên. Tính chất của composite phụ thuộc vào bản chất của nền, cốt, khả năng liên kết giữa nền và cốt và quá trình công nghệ sản xuất. [9]
Việc chế tạo nền của MCX với nhiều quy trình và nguyên liệu khác nhau. Polymer, cao su, cao su silicone: cao su chì (Pb–rubber); cao su kim loại khác, cao su chì và kim loại khác (W–rubber); Pb–PVC vinyl, Proprietary, Pb, PVC vinyl, Proprietary, PVC vinyl, Sn–Ba polymer ,...Trong đó phỏ biến là cao su chì, cao su kim loại, cao su silicone chì và cao su silicone kim loại.
Một trong những loại bảo hộ bức xạ ion hoá phổ biến nhất là áo chì. Lớp cản xạ chính là màng cao su chì với nền là cao su và cốt là kim loại chì (Pb–rubber).
Rất nhiều các nghiên cứu đã chế tạo và sản xuất ra các vật liệu màng cản xạ với sự thay đổi của một trong hai nhân tố là lớp nền „cao su‟ và kim loại „chì‟ độn cùng. Hoặc thay đổi cả hai nhân tố đó.
Về khả năng cản xạ thì Lead apron có khả năng cản xạ cao nhất và tương đối ổn định ở vùng điện áp rộng. Light-lead apron có khả năng cản xạ thấp hơn nhưng cũng khá ổn định trong vùng điện áp rộng. Free-lead apron có khả năng cản xạ thấp hơn Lead apron và Light-lead apron nhưng trong khoảng điện áp từ 70 kV – 120 kV thì lại cho thấy khả năng cản xạ cao hơn Light-lead apron. Trong những năm gần đây việc nghiên cứu và sử dụng các loại vật liệu ngoài cao su chì truyền thống thì vật liệu pha chì và không chì được sử dụng. Bởi ưu thế nhẹ hơn về trọng lượng giúp linh hoạt trong cử động, han chế độc tố và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên kết quả nghiên cứu đã cho thấy rằng các loại vật liệu pha chì, không chì thường có phần trăm lỗi nhiều hơn chì truyền thống trong cùng một điều kiện môi trường sử dụng và thời gian sử dụng (kinh nghiệm của các nhà nghiên cứu trường ĐH Basel chỉ ra rằng: với vật liệu không chì thì định kỳ kiểm tra là 2-3 năm, chì truyền thống thì 5 năm). [8] [13]
Các nhà khoa học Canada đã tìm ra thành phần các kim loại: Pb, W, Sn, Ba,…với tỷ lệ khác nhau và chất nền được sử dụng là cao su hoặc các polymer mềm dẻo trong các trong các màng cản xạ dưới bảng sau:
Bảng 1.3. Thành phần của một số Polymer composite [15]
Tên vật liệu Thành phần composite Khối lƣợng riêng (g/cm3
)
Pb Pb 11,36
Pb–rubber Pb–rubber 3,70; 4,10
Reg. lead Pb–PVC vinyl 4,81
Hx–lead Proprietary, Pb, PVC vinyl 4,45
W–rubber W–rubber 4,15; 5,65; 7,51
Green Lite Proprietary, PVC vinyl 3,68
Năm 2000 Mỹ đã công bố một vài vật liệu bảo vệ bức xạ như là cao su –
kim loại, W/Bi – Silicone,…với tỷ lệ thành phần khác nhau [22] [28] [29] [30]: - Trong vùng điện áp 60-140kV sử dụng vật liệu cản xạ, gồm: 12-22% Silicone, 1-39% Sn hoặc các hợp chất Sn, 0-60% W, 0-60% Bi hoặc hợp chất của Bi), có thể tạo ra vật liệu tương đương chì từ 0,25-2mmPb.
- Hỗn hợp khác: 12-22% Silicone, 1-39% Sn hoặc các hợp chất Sn, 0-60% W hoặc các hợp chất W, 16-60% Bi hoặc các hợp chất Bi.
- Trường hợp khác: 12-22% Silicone, 40-60% Sn hoặc các hợp chất Sn, 7- 15% W hoặc các hợp chất W, 7-15% Bi hoặc các hợp chất Bi.
Trong đó Silicone được chứng minh là phù hợp với những tỷ lệ kim loại trên, và đảm bảo khá cao sự đồng nhất các kim loại hay hợp chất của nó trong hỗn hợp. Cao su silicone được sử dụng nhiều và thích hợp là các nhóm alkyl, nhóm vinyl, hoặc nhóm phenyl. Ví dụ: dimethyl cao su silicone, phenylmethyl cao su, cao su silicone phenyl và cao su polyvinyl.
Trong các phát minh và các sản phẩm được sử dụng vật liệu thay thế có bao gồm 40% một hoặc một số các chất sau đây: Er, Ho, Dy, Tb, Gd, Eu, Sn. Với cách này trọng lượng của quần áo bảo hộ có thể được giảm đáng kể. Sự kết hợp này, của vật liệu ma trận các silicone và sự lựa chọn của kim loại thay thế chì hoặc các hợp chất của chúng, vật liệu thay thế đáp ứng các điều kiện của một vật liệu bảo vệ bức xạ có tác dụng che chắn cao và là đàn hồi và trọng lượng nhẹ, và đáp ứng với một mức độ cao tất cả các nhu cầu thực hiện đảm bảo vô hại sinh thái, tái sử dụng, lượng khí thải thấp. Một yếu tố cần lưu ý trong công nghệ sản xuất các vật liệu thay thế dạng này là nó còn kết hợp các chất độn gia cố, các chất phụ gia (sợi bông, sợi tổng hợp, sợi sợi thủy tinh và sợi aramid). Ngoài ra các chất độn có thể tăng cường gồm: silica, oxit sắt, oxit titan, nhôm trihydrate và carbon đen.
Sau khi trộn các vật liệu silicone và các kim loại / kim loại hợp chất với một phương pháp đặc biệt cho ra một hỗn hợp đồng nhất, đàn hồi được hình thành. Kỹ
hoặc quá trình đúc cũng sẽ góp phần tạo nên hiệu quả vật liệu cản xạ cũng như chất lượng sản phẩm. Thành phần pha trộn sẽ tạo nên sản phẩm cuối cùng là khác nhau nhưng sẽ có những tính năng riêng:
Loại 1: gồm 22% Sn, 27% Vonfram, 4% Bi, 15% Silicone Loại 2: gồm 20% Sn, 36% Vonfram, 29% Bi, 15% Silicone
Loại 3: gồm 25% Sn, 24Gd%, 1% W, 16% Silicone. Đáp ứng cho loại tạp dề cản xạ nhẹ 60-90kV. Hiệu quả cản xạ tương đương 0,5mmPb thì có khối lượng 4,4kg/m2, giảm 35% so với chì tương đương.
Loại 4: gồm 50% Sn, 23Gd%, 11% W, 16% Silicone. (60-125 kV).
Tương đương 0,5mmPb thì vật liệu này có trọng lượng trên 1 đơn vị diện tích là 4,5kg/m2; Tương đương 0,35mmPb thì vật liệu này có trọng lượng trên 1 đơn vị diện tích là 3,3kg/m2; Tương đương 0,25mmPb thì vật liệu này có trọng lượng trên 1 đơn vị diện tích là 2,4kg/m2;
Loại 5: gồm 20,5% Sn, 24Gd%, 40% Bi, 16% Silicone. (60-125 kV).
Tương đương 0,5mmPb thì vậtliệu này có trọng lượng trên 1 đơn vị diện tích là 5,0kg/m2;
Loại 6: sản phẩm sử dụng cho chuyên việc chụp cắt lớp. Gồm: 40% Bi, 10% W, 34% Gd, 16% Silicone. Trọng lượng chỉ với 4,6kg/m2 mà có khả năng cản xạ tương đương 0,5mmPb.
Loại 7: ứng dụng trong bảo hộ y học hạt nhân nhẹ. Gồm: 50%Bi, 25%Gd, 9%Erand, 16%Silicone. Trọng lượng tính trên đơn vị diện tích là 4,8 kg/m2 dẫn tương đương với danh nghĩa là 0,5 mm. Trong khi đó tạp dề cao su chì là 5,4 - 6,75kg/m2. Vì thế với công nghệ và sự kết hợp như vậy, khối lượng của các vật liệu thay thế trên nền silicone là có khối lượng nhẹ hơn trong khi vẫn đảm bảo khả năng cản xạ ở các mức điện áp khác nhau tuỳ từng loại.
Trong một số các nghiên cứu khác vật liệu bao gồm Sn, Hi và W được sử dụng với các tỷ lệ tương ứng với mức tương đương chì khác nhau: thành phần được thiết lập bao gồm 10-20% vật liệu, 50-75% là Sn hoặc các hợp chất của Sn, 20-30%
Hi, cho hiệu quả cản xạ tương đương 0,15mm. Trường hợp thứ hai gồm 40-60% Sn hoặc các hợp chất của Sn, 15-30% Hi, 0-30% W, có hiệu quả tương đương chì 0,15 -0,6mm. Trường hợp thứ ba gồm 52-70% Sn, 21-32% Hi, cho hiệu quả cản xạ 0,15mm. Trường hợp thứ tư gồm 42-57% Sn, 15-30% Hi, 5-27% W, cho hiệu quả cản xạ tương đương chì 0,15-0,6mm. [28] [29] [30]
Bảng 1.4. Mức tương đương chì của một số vật liệu Composite cản xạ [29]
Bảng 1.4, thể hiện rõ tỷ lệ thành phần nguyên tố khác nhau khiến cho các Composite có khả năng cản xạ khác nhau tại các mức điện áp thay đổi