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

Hóa học và Kỹ thuật môi trường Đ. C. Danh, V. N. Toán, Đ. B. Minh, “Nghiên cứu ảnh hưởng trên cơ sở nhựa PVC.” 82 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 Đoàn Công Danh*, Vũ Ngọc Toán, Đỗ Bình Minh Tóm tắt: Vải cản xạ được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong thực tế làm quần áo, yếm, tạp dề, gang tay, ủng,... bảo hộ cho người làm việc, tiếp xúc với phóng xạ, bức xạ. Trong nước, Đại học Bách Khoa, Viện KH-CN quân sự cũng đã triển khai nghiên cứu chế tạo vải cản xạ trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo và cao su phối trộn với oxit chì, oxit kim loại nặng. Bài báo 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. Với đơn thành phần là Al2O3 100 PHR, PVC 100 PHR, DOP 7 PHR, có phụ gia khác 2PHR, vải cốt polyester sẽ thu được vải cản xạ có tính năng cơ lý và hiệu quả cản xạ tốt. Từ khóa: Vật liệu cản xạ; Bột độn; Vải cản xạ. 1. MỞ ĐẦU Vải cản xạ sau khi chế tạo thành quần, áo, yếm, găng tay, ủng, tạp dề, lều,... thường được sử dụng để bảo vệ các bệnh nhân và người làm việc có tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp trong quá trình chụp ảnh chẩn đoán trong bệnh viện. Các sản phẩm này cũng được áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhau như nhân viên chạy máy quét ở sân bay, cửa khẩu; cán bộ nghiên cứu liên quan tới bức xạ, lực lượng ứng phó sự cố bức xạ,... [1]. Theo thành phần bột độn, người ta phân ra vải cản xạ chứa chì và vải cản xạ không chứa chì [1-4]: Vải chứa chì: vải chì được chế tạo bằng cách mang bột Pb, PbO lên màng polyme hoặc elastome. Thời gian sử dụng trung bình của các loại vải chì khoảng 10 năm, tùy thuộc vào mức độ sử dụng, cách sử dụng và 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 khi người ta sử dụng lớp chì lá bên trong dày 0,5 mm, nặng ~ 2,6 kg và lớp ngoài thường là cao su tự nhiên hoặc polyme [5-10]. Vải không chứa chì: Chế tạo vải không chứa chì nhằm làm giảm độc tính của chì, giảm khối lượng, cải thiện hiệu quả che chắn phóng xạ của sản phẩm. Bên cạnh các kim loại, oxit kim loại, muối kích thước micro, hiện nay, nhiều nghiên cứu đã tiến hành với bột độn kích thước nano mang lên nhiều loại polyme khác nhau. Nhiều loại vải cản xạ không chứa chì đã được thương mại hóa với như demron, superlight, infab, [5-10]. Trong nước, nhóm nghiên cứu của Đại học Bách khoa Hà Nội đã triển khai chế tạo một số loại vải trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo và bước đầu đánh giá được hiệu quả cản bức xạ đối với một số mức năng lượng khác nhau [1]. Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp Bộ Quốc phòng, Viện KH-CN quân sự cũng đã xây dựng được đơn công nghệ, chế tạo thành công được một số loại vải cản xạ có tính năng tương đương với vải nhập ngoại cùng loại. Nhằm đóng góp thêm vào hướng nghiên cứu này, bài báo tập trung giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần bột độn đến hiệu quả cản xạ của vải chế tạo trên cơ sở nhựa PVC. 2. THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Hóa chất và dụng cụ 2.1.1. Hóa chất + Al2O3, PA: Hemedia, Ấn Độ, kích thước hạt 0,1-0,15 µm; Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 83 + 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, chỉ số I2= 1-5 %; + Dioctyl phthalate (DOP): Merk, Đức, tos= 384 o C, d= 0,985-0,987 g/mL; + Polyvinyl clorua (PVC, kích thước hạt 75-90 µm, d= 0,55 g/mL), Singapo; + Vải nền polyester (85 % polyester/15 % visco, d=120 gsm, 0,2 mm): Mỹ. 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị Bảng 1. Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu. TT Dụng cụ - Thiết bị TT Dụng cụ - Thiết bị 1 Cốc thủy tinh các loại 8 Máy cán cao su 2 Bình định mức các loại 9 Máy nghiền bi sứ 3 Đũa thủy tinh 10 Máy khuấy siêu âm 4 Ống đong 11 Tủ sấy 5 Ống nhỏ giọt 12 Cây tráng 6 Phễu thủy tinh 13 Giấy vân 7 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 sạch. Cân tiếp khối lượng xác định các thành phần bột đột (tính theo từng đơn thành phần). Dùng ống đong khô sạch, đong b mL chất hóa dẻo DOP và phụ gia. Cho toàn bộ các hợp phần vào cốc thủy tinh, dùng dao kỹ thuật trộn sơ bộ hỗn hợp. Sau đó, chuyển hỗn hợp vào cối nghiền sứ và nghiền hỗn hợp trong 60 phút ở nhiệt độ phòng. Ngắt thiết bị, tháo tách loại bỏ các bi sứ thu lấy hỗn hợp chất. - Bước 2: Chuẩn bị mặt kính, khô, sạch, phẳng. Trải đều giấy vân, sau đó trải tiếp lớp vải cốt nền. - Bước 3: Rót đều hỗn hợp sau khi nghiền lên bề mặt vải cốt nền. Dùng cây tráng cán đều hỗn hợp lên bề mặt vải cốt nền. Để mẫu ổn định ở nhiệt độ phòng trong 60 phút. Sau đó đưa mẫu lên gá xoay, lắp sẵn trong tủ sấy đã duy trì nhiệt độ 165-170 oC. Dùng đồng hồ theo dõi, sau 120 s lấy mẫu ra khỏi tủ sấy, để nguội tự nhiên. Thu sản phẩm là mẫu vải cản xạ, đánh ký hiệu và 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 sạch. Cân tiếp khối lượng xác định các thành phần bột đột (tính theo 100 nhựa nền- PHR). Dùng ống đong khô sạch, đong b mL chất hóa dẻo DOP và phụ gia. - Bước 2: Cho toàn bộ các hợp phần vào cốc thủy tinh, dùng dao kỹ thuật trộn sơ bộ hỗn hợp. Sau đó, hỗn hợp được đưa lên máy cán phòng thí nghiệm. Tiến hành cán trộn đều hỗn hợp. - Bước 3: Sau đó, đưa bán thành phẩm sang máy cán khác đã gia nhiệt trục cán ở 165- 170 oC, tiến hành cán trộn 03 lần, sau đó, cán xuất tấm và cán dán vải cốt nền lên hỗn hợp nhựa. Tách sản phẩm khỏi trục cán, chải ra mặt phẳng, để nguội tự nhiên. Sau đó, dùng thước đo và cắt lấy các mẫu theo kích thước mong muốn. Các mẫu nghiên cứu đều được cán với độ dầy 0,45±0,2 mm. Đơn thành phần và ký hiệu các mẫu vải thu được như sau: Hóa học và Kỹ thuật môi trường Đ. C. Danh, V. N. Toán, Đ. B. Minh, “Nghiên cứu ảnh hưởng trên cơ sở nhựa PVC.” 84 Bảng 2. Đơn thành phần và ký hiệu mẫu. TT Ký hiệu Đơn thành phần 1 M0n Al2O3+ PbO+BaSO4 (20:20:20) PHR, PVC 40 PHR, DOP 2 PHR, cán nóng 2 M1n Al2O3+ BaSO4 (30:30) PHR, PVC 40 PHR, DOP 2 PHR, cán nóng 3 M2n Al2O3+ PbO (30:30) PHR, PVC 50 PHR, DOP 2,5 PHR, cán nóng 4 M3n PbO+BaSO4 (30:30 PHR), PVC 50 PHR, DOP 2,5 PHR, cán nóng 5 M4n BaSO4 60 PHR, V9254 1 PHR, PVC 60 PHR, DOP 3 PHR, cán nóng 6 M5n BaSO4 60 PHR, PVC 60 PHR, DOP 3 PHR, cán thủ công 7 M6n Al2O3 60 PHR, PVC 65 PHR, V9254 1 PHR, cán nóng 8 M7n Al2O3 60 PHR , PVC 70 PHR, DOP 3 PHR, cán thủ công 9 M8n Al2O3 100 PHR, PVC 100 PHR, DOP 7 PHR, cán nóng 10 M9n PbO 60 PHR, PVC 60 PHR, DOP 4 PHR, cán thủ công 11 M10n PbO+BaSO4+Al2O3 (20:20:20) PHR, PVC 30 PHR, DOP 1PHR, V9254 1 PHR, cán nóng 2.3. Phương pháp đánh giá hiệu quả cản xạ Hiệu quả cản xạ của mẫu vải sau chế tạo được đánh giá bằng cách sử dụng hệ đo alpha beta phông thấp với các nguồn đo là 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 4 mR/h. Hệ đo alpha beta phông thấp thường được sử dụng trong các phép đo hoạt độ phóng xạ của các hạt nhân phát xạ alpha, beta, đặc biệt là hoạt độ thấp, phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân, đo đạc, phân tích môi trường, kiểm soát an toàn phóng xạ,... Hiệu quả cản xạ được xác định bằng công thức sau: Bước 1: Xác định tỷ lệ giá trị Air Kerma khi không và có vật liệu cản xạ S = ((Ko - Kl)/Ko)*100% Bước 2: So sánh khả năng cản xạ của vật liệu có chì và không có chì P = (Sno/ SPb)*100% Trong đó: + S: Hiệu quả cản xạ của vật liệu; + Sno: Hiệu quả cản xạ của vật liệu không có chì; + SPb: Hiệu quả cản xạ của vật liệu có chì; + Ko: Giá trị Air Kerma khi không có vật liệu cản xạ; + Kl: Giá trị Air Kerma khi có vật liệu cản xạ. Ở mỗi giá trị, tiến hành đo 05 lần và lấy giá trị trung bình. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả nghiên cứu vải cản xạ Nhóm nghiên cứu đã xây dựng đơn thành phần và chế tạo được 11 mẫu vải cản xạ với các thành phần bột độn khác nhau. Các đơn thành phần được thiết kế với phần khối lượng của bột độn là tương đồng nhau (60 PHR), thay đổi hàm lượng của từng oxit và từng muối. Riêng đối với mẫu chứa Al2O3, chúng tôi tiến hành điều chỉnh hàm lượng chất độn (60 PHR và 100 PHR) và phần nhựa PVC (60 PHR, 70 PHR và 100 PHR) có hoặc không có Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 85 sử dụng phụ gia V9254. Việc điều chỉnh hợp phần nhựa PVC, chất hóa dẻo DOP, chất phụ gia V9254 nhằm thay đổi tính năng cơ lý và độ bám dính giữa vải và lớp nhựa. Trong bài báo này, yếu tố cơ lý không được đề cập phân tích, đánh giá. Bên cạnh đó, PVC, DOP, phụ gia không có tác dụng cản xạ ở độ dày 0,45±0,2 mm [10]. Kết quả nghiên cứu chế tạo vải cản xạ thu được như sau: Bảng 3. Độ dày và ngoại quan của các mẫu vải cản xạ sau cán tráng. TT Ký hiệu mẫu Độ dày, mm Ngoại quan của mẫu 1 M0n 0,45 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu đen đậm 2 M1n 0,42 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu đen nhạt 3 M2n 0,42 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu đen đậm 4 M3n 0,44 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu đen đậm 5 M4n 0,43 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu đen nhạt 6 M5n 0,46 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu đen nhạt 7 M6n 0,45 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu trắng đậm 8 M7n 0,44 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu trắng đậm 9 M8n 0,43 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu trắng đậm 10 M9n 0,44 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu đen đậm 11 M10n 0,46 Bề mặt mẫu phẳng, đồng đều, không xuất hiện khiếm khuyết, màu đen đậm Như vậy, các mẫu vải sau khi cán tráng thu được có màu đồng đều, không xuất hiện các vết phồng rộp trên bề mặt. Kết quả này đồng nghĩa với việc 02 chế độ cán tráng mà nhóm nghiên cứu đưa ra là phù hợp với mục đích chế tạo vải cản xạ. 3.2. Đánh giá hiệu quả cản xạ của các mẫu vải cán tráng Tiến hành đánh giá hiệu quả cản xạ của các mẫu vải thu được với 02 nguồn, 03 mức năng lượng. Kết quả thu được như sau: Bảng 4. Hiệu quả cản xạ của mẫu vải chế tạo. TT Ký hiệu mẫu Độ bền kéo đứt (N) (ISO 1421-1998 E) (D: dọc, N: ngang) Hiệu quả cản xạ Cs 137 (mR/h) mức 1 Hiệu quả cản xạ Cs137 (mR/h) mức 2 Hiệu quả cản xạ Co 60 (mR/h) 1 M0n 175,4 (D); 111,7 (N) 16,3 12,1 2,7 2 M1n 182,8 (D); 122,1 (N) 16,3 11,5 2,0 3 M2n 189,4 (D); 130,4 (N) 16 11,9 2,1 4 M3n 192,8 (D); 135,1 (N) 16,6 12 2,4 5 M4n 205,4 (D); 151,4 (N 16,3 11,7 2,2 6 M5n 115,4 (D); 61,7 (N) 17,0 12,2 2,2 7 M6n 235,6 (D); 191,4 (N) 16,1 11,8 2,5 Hóa học và Kỹ thuật môi trường Đ. C. Danh, V. N. Toán, Đ. B. Minh, “Nghiên cứu ảnh hưởng trên cơ sở nhựa PVC.” 86 8 M7n 128,9 (D); 67,2 (N) 16,3 11,6 2,4 9 M8n 191,4 (D); 140,7 (N) 17 12,1 2,5 10 M9n 119,7 (D); 63,2 (N) 16,9 12,1 2,3 11 M10n 226,9 (D); 173,5 (N) 16,4 12,0 2,5 Kết quả đánh giá hiệu quả cản xạ của các mẫu biểu diễn dưới dạng đồ thị, chúng tôi thu được như sau: Hình 1. Hiệu quả cản xạ của mẫu vải cản xạ chế tạo được. Từ bảng 4 và hình 1 có thể nhận thấy rằng, mẫu M0n và M10 n với đơn thành phần sử dụng hỗn hợp bột độn PbO+BaSO4 + Al2O3 cho hiệu quả cản xạ lớn nhất, cụ thể: hiệu quả cản xạ Cs137 mức 1 là 16,4 mRh; hiệu quả cản xạ Cs137 mức 2 là 12,0 mRh; hiệu quả cản xạ Co60 là 2,5 mRh. Mẫu vải có chứa hỗn hợp Al2O3+ BaSO4 cho hiệu quả cản xạ thấp nhất (hiệu quả cản xạ Cs137 mức 1 là 16,3 mRh; hiệu quả cản xạ Cs137 mức 2 là 11,5 mRh; hiệu quả cản xạ Co60 là 2,0 mR/h. Với oxit kim loại riêng lẻ, bột Al2O3 cho hiệu quả cản xạ lớn nhất (mẫu M6n, M7n, M8n): hiệu quả cản xạ Cs137 mức 1 là 17 mRh, hiệu quả cản xạ Cs 137 mức 2 là 12,1 mRh và hiệu quả cản xạ Co60 là 2,5 mRh. Đánh giá hiệu quả cản xạ cho thấy, Al2O3 mang lại hiệu quả cản xạ cao hơn so với PbO. Về mặt hóa học, Al2O3 ít độc, nhẹ hơn (d=3,97 g/cm 3), cách điện, cứng, tốt cho người sử dụng khi so với PbO. Các mẫu sử dụng chất độn BaSO4 cho hiệu quả cản xạ thấp hơn. Bên cạnh đó, việc sử dụng các bột độn oxit hoặc muối riêng lẻ có hiệu quả cản xạ cao hơn so với mẫu có chứa hỗn hợp oxit. Kết quả thu được cho phép chúng tôi tiến hành tiếp các nghiên cứu đánh giá bản chất của việc phối trộn oxit, muối vào vải cản xạ nhằm thu được vải có hiệu quả cản xạ cao và cơ lý tốt nhất. 4. KẾT LUẬN Đã nghiên cứu được ảnh hưởng của thành phần một số bột độn đến hiệu quả cản xạ của vải cản xạ. Mẫu vải cản xạ có thành phần Al2O3 100 PHR, PVC 100 PHR, DOP 7 PHR, phụ gia V9245 2PHR, có lớp vải cốt nền polyeste được chế tạo bằng phương pháp cán nóng, độ dầy 0,45 mm cho hiệu quả cản xạ cao nhất với nguồn Cs137 và Co60 ở các mức năng lượng thấp. Trên cơ sở này, chúng tôi tiến hành các nghiên cứu đánh giá bản chất của việc phối trộn oxit, muối vào vải cản xạ nhằm thu được vải có hiệu quả cản xạ cao và cơ lý tốt nhất. Lời cảm ơn: Các tác giả trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí của đề tài cấp Bộ Quốc phòng thuộc Chương trình KC.AT: Nghiên cứu chế tạo lán chỉ huy và quần áo dã chiến chống phóng xạ cho người. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 H iệ u q u ả cả n x ạ (m R /h ) Hiệu quả cản xạ mẫu vải Hiệu quả cản xạ Cs137 (mR/h) mức 1 Hiệu quả cản xạ Cs137 (mR/h) mức 2 Hiệu quả cản xạ Co60 (mR/h) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học - Vật liệu, 9 - 2020 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Quí Sơn (2012), “Nghiên cứu đặc tính cơ lý của 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, 9 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, 8 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 7 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 bài ngày 10 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 11 tháng 8 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng 8 năm 2020 Địa chỉ: Viện Công nghệ mới/Viện KH-CN quân sự. * Email: congdanhmdc91@gmail.com.