ISSN: 2321 - 6212
Fontainha共产党1,Baptista-Neto2和法罗2*
1部门。米纳斯吉拉斯联邦大学的核工程。- - - - - -UFMG, Av Antônio Carlos, 6627, CEP 31270-970, Belo Horizonte, MG, Brazil
2核技术发展中心——CDTN Av安东尼奥·卡洛斯6627 C.P. 941年,CEP 31270 - 901,贝洛奥里藏特,MG,巴西
收到的日期:06/07/2016;接受日期:15/07/2016;发布日期:25/07/2016
DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000149
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放射学透视等过程提供高剂量的病人,因为他们需要长时间的直接x射线光束指向同一地区。复合材料包含化合物或元素有很好的衰减特性研究了硫酸钡和铅等其他地方。在这项研究中,基于聚合物复合材料由聚(亚乙烯基fluoride-tryfluorethylene) [P (VDFTrFE)共聚物和微观和纳米晶体三氧化二铋准备。这项工作的主要目的是识别形态差异微x射线屏蔽材料和纳米复合材料及其性能。三氧化二铋是先前与甲基丙烯酸甲酯(MMA)酸基团,为了提高均匀性分布。x射线屏蔽特性进行了光子的能量从6.5 keV 83.5 keV。纳米复合材料P (VDF-TrFE) /纳米Bi2O3-MMA比microcomposite透露有更好的衰减特性,在整个范围的能源研究。DRX、DSC、红外光谱和扫描电镜图像数据被使用为了理解的不同辐射屏蔽功能。调查表明,P (VDFTrFE) /纳米Bi2O3-MMA纳米复合材料是好的候选人轻量级、放射学中的应用程序整合,灵活、容易处理x射线的屏蔽材料。
P (VDF-TrFE) / Bi2O3;Polymernanocomposites;x射线屏蔽
曝光高能或电离辐射有害健康。从颗粒排放或高能电磁波辐射剂量x射线/γ射线辐射等,可能导致致癌作用,细胞突变和器官衰竭。介入放射学透视等过程提供高剂量的病人,因为他们需要长时间的直接x射线光束指向同一地区。数字乳房x光检查和放射学还提供皮肤辐射剂量超过既定的标准(1,2]。因此,如今,有一个极大的兴趣在开发新的辐射衰减器复合材料屏蔽射线入射电子束的一部分,旨在减少患者皮肤损伤在特定的高剂量放射学程序。
高分子化合物是轻量级的、一致的、灵活的,并且很容易处理的材料。由于这些特性,基于聚合物的混合物是理想的候选人产生薄和轻质复合材料需要在一个广泛的技术应用。高分子复合材料材料辐射防护充满化合物或元素有很好的衰减属性如硫酸钡、钆、铅、钼、铑、钨、铋、氧化锆、铁氧化物研究了其他国家(3]。根据Nambiar和友江3),聚合物钢筋与微纳米结构有很大的潜力作为辐射屏蔽材料还在所有医疗放射学的应用程序。此外,总体趋势似乎是对小说的发展,多功能聚合物纳米复合材料利用nanofillers的属性。近年来,一些团体已经探索聚合物纳米复合材料的耐辐射的性质(4,5]。在这种背景下,实验和模拟研究报道,纳米晶体材料显示增强辐射电阻相比,粗晶的同行。这个属性的纳米材料已被归因于大体积分数可以作为有效的下沉的晶界缺陷产生电离辐射照射后(6- - - - - -8]。很少有研究提出了使用高性能纳米复合材料的聚合物,聚苯并咪唑和碳纳米纤维或其他纳米材料耐用空间应用(9,10]。碳基填充材料,如碳微/纳米纤维和纳米管也被用作增援在各种聚合物(树脂和塑料),表现出高强度重量比。盖伊主持et al。11]证明了石墨microfiber-based环氧树脂复合材料的应用对宇宙辐射屏蔽。
另一方面,conventional-sized报道了三氧化二铋料斗等。12)用于bismuth-coated乳胶盾牌(340克/厘米2乳房摄影的)。这种材料平均节省57%的乳房从胸CT辐射剂量,降低辐射水平从平均22 mGy 10 mGy。Fricke et al。13),使用相同的bismuth-coated乳胶但170 g / cm21厘米的铋和建造泡沫垫放置铋乳胶和病人之间,29%减少辐射剂量图像质量没有任何可察觉的变化。另一方面,添加三氧化二铋纳米粒子的表面涂料、高分子复合材料,纺织品可以提供保护,免受有害的x射线辐射没有显著影响力学性能。这种类型的保护仍然是一个长期的挑战因为conventional-sized填充物的使用x射线衰减可能显著降低聚合物的机械完整性。在这种背景下,Nambiar et al。14)报道,聚二甲基硅氧烷(PDMS)纳米复合材料充满了44.44 wt %的三氧化二铋(BO)的技术。这纳米复合材料(3.73毫米厚)是所有产生的散射x射线衰减的能力在一个管60 kV的潜力。
聚偏二氟乙烯(PVDF)和PVDF-based共聚物/混合调查作为潜在的组件在高介电纳米复合材料材料能量密度电容器应用程序(15]。它包括各领域如光电和温度与蒸汽/液体传感(16,17]。在早期最近的研究,我们提出了一种晶体纳米复合材料制成的聚(亚乙烯基Fluoride-Tryfluorethylene) [P (VDF-TrFE)共聚物、甲基丙烯酸甲酯(MMA)基团,ZrO2纳米粒子,应用x射线屏蔽(18]。在这种纳米复合材料,P (VDF-TrFE)和MMA(之间的兼容性19)起到了至关重要的作用,以提供一个更好的ZrO的均匀分布2纳米颗粒在聚合物基体。在这个工作我们调查的辐射屏蔽性能复合材料制成的半晶状的P (VDF-TrFE)共聚物充满水晶Bi2O3粒子。我们的目标是识别形态差异微观和纳米复合材料通过微观和纳米颗粒的水晶Bi2O3和各自的性能作为x射线的屏蔽材料。为了利用P之间的混溶(VDF-TrFE)和MMA有利于更好的均匀分布的纳米和小型化Bi2O3颗粒在P (VDF-TrFE)矩阵,填充材料是混合与MMA的第一步。在第二个步骤中,MMA / Bi2O3混合物混合了P (VDF-TrFE)共聚物。这种方法后,P (VDF-TrFE) /纳米晶体Bi2O3和P (VDFTrFE) /微晶Bi2O3复合材料生产。辐射屏蔽特性是使用单色的x射线能量为6.5 keV,执行17.5 keV和22.1 keV和non-monochromatic字段的意思是33 keV能量,54 keV和83 keV。x射线屏蔽性能的复合材料进行了讨论和解释的化学和形态差异。
P (VDF-TrFE)共聚物树脂50%的TrFE内容由ATOCHEM(法国)。小型化或纳米三氧化二铋颗粒和MMA被混合在一起,形成的由溶解在溶剂n, n-dimethylacetamide (DMAc)和1%乙酸酐60°C,在10:1的浓度。包含基团,Bi解决方案2O3然后搅拌在30分钟60°C和铸型解决方案包含P (VDF-TrFE)共聚物溶解在乙酸酐DMAc和1%。微或的数量纳米粒子Bi2O3在复合总是8.0 wt %。解决方案包含P (VDF-TrFE) / Bi2O3mma复合材料然后再搅拌30分钟期间60°C和放置在烤箱以蒸发。的电影。70μm用这种方法的。
综合描述
复合特性进行场发射电子显微镜(FE-SEM),能量色散x射线能谱(EDS)、差示扫描量热法(DSC)、x射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)技术。红外光谱收集BOMEM 100光谱仪在传输模式通过将电影直接暴露在红外光谱梁,波数从200到4000厘米1。梁总是集中在每一个的中心。70年μm电影样本。通过使用这种方法,我们假设Bi的数量2O3原则上是均匀分布在聚合物基体中。热性能的研究是由使用DSC TA Q10,加热和冷却的10°C /分钟,在第二次运行,从25到200°C。典型的样品重量是10毫克。结构特征是由x射线衍射测量(RIGAKU), 2°2θ/分钟扫描速度,使用CuKα辐射(30 mA, 40 kV)。在σFE-SEM显微镜进行场发射扫描电子显微镜蔡司副总裁。使用力量EDS能谱是由纳米GmbH,模型XFlash检测器410 - m,耦合到SEM系统。
辐射屏蔽特性
降低光子能量从6.5 keV 22.1 keV的辐射屏蔽特性进行了使用一个事件从RIGAKU单色x射线衍射仪。图1描绘了一个图说明辐照设置。为了生成一个单色入射x射线,首次针对non-monochromatic x射线单晶的Si (111)。从科钦的建设性衍射α、(E = 6.5 keV) MoKα首先分析、(E = 17.5 keV)和α(E = 22.1 keV)得到了x射线在2θ约等于33.13°,分别12.96°,10.25°。
更高的光子能量,样本在同一剂量辐照非单色字段(100 mGy)的x射线品质RQR2 (40 kV), RQR5 (70 kV)和RQR 8 (100 kV),如图所示表1。测试进行了使用Pantak塞弗特模型320 HS x光机,采用相同的设置对所有样品比较下。这个设备的内在过滤约为0.18毫米基地通过外推方法的ISO 4037 - 1所示。
辐射质量模式 | x射线管电压(kV) | 1液力(毫米) | 均匀系数 |
---|---|---|---|
RQR2 | 40 | 1,42 | 0,81 |
RQR5 | 70年 | 2,58 | 0,71 |
RQR8 | One hundred. | 3,97 | 0,68 |
表1:辐射特性的主要参数用于照射P (VDF-TrFE) / Bi2O3样品与non-monochromatic根据ISO 4037 - 1 x光辐射。
减毒的x射线剂量评估使用XR-QA2 Gafchromic®radio-chromic电影,以前在RQR8校准(70 kV)光束质量。100 mGy XR-QA2电影被辐射,使用“窄系列”的设置由ISO 1996定义的,以确定他们的精力充沛的依赖。N40梁校正因子归一化,和各自的能量所示表2。是见过,管电压从40 kV - 100 kV,修正因素非常接近。
辐射质量 | 意思是能源(凯文) | 校正因子 | 标准偏差 |
---|---|---|---|
N30 | 24 | 2、19 | 0,09年 |
N40 | 33 | 1日00 | 0,04 |
N60 | 48 | 0,96 | 0,04 |
歌曲到手机上 | 65年 | 1,03 | 0,04 |
N100 | 83年 | 1,06年 | 0,04 |
N120 | One hundred. | 85 | 0,07年 |
表2:窄谱定义为ISO 1996系列用于确定的能量依赖XR-QA2 radiochromic电影。这些测试仪是用于评估下的减毒的x射线剂量P (VDF-TrFE) / Bi2O3样本。
在图2我们展示了两个照片完全蒸发后的P (VDF-TrFE) / Bi2O3mma和8 wt %的Bi解决方案之前缩减2O3微粒子(图2一个)和纳米颗粒(图2 b)。在这两个样品可以观察到没有可见的粒子群,这意味着MMA的存在,至少在宏观层面上,有利于良好的Bi均匀分布2O3小型化粒子在聚合物基体。我们的话,在以前的工作18),当调查类似的复合制成的P (VDF-TrFE和小型化ZrO2颗粒,复合材料没有MMA的存在提出了ZrO可见2集群。另一方面,另一个可以观察到的特征图1颜色和不透明度。组合由小型化Bi2O3是半透明的,由纳米尺度的一个是黄色和不透明。
图3我们现在的扫描电镜图像的原始P (VDF-TrFE)和P (VDF-TrFE) / Bi2O3复合材料。比较较低的扫描电镜图像放大。图3一3 b正确的,3 c正确,这是看到的表面P (VDF-TrFE)共聚物和纳米复合材料是相似的显气孔率有关。然而,microcomposite的形象显示了高度的孔隙度,这是一个不必要的功能辐射屏蔽材料。
为了证实Bi的存在2O3材料在复合材料中,我们使用了能量色散x射线谱耦合扫描电镜显微镜。在表3我们展示的结果EDS探针尖白色十字的位置图3一和3 b,左侧。铋的规范化量(wt. %)纳米和微复合材料都是36.94 wt. % 42.76 wt. %,分别。我们提醒,初始的Bi2O3材料样品制备是8.0 wt. %。EDS的高值测量探针由于探测器是指纳米和微簇Bi2O3粒子,大大改变铋原子的相对量。事实上,所示的值表3只是确认Bi2O3粒子存在于这些集群。
元素 | P (VDF-TrFE) / Bi2O3纳米复合材料(wt. %) | P (VDF-TrFE) / Bi2O3microcomposite (wt. %) |
---|---|---|
碳 | 31日,52岁 | 30日,32 |
氟 | 24日,87年 | 22日,29日 |
铋 | 36岁,94年 | 43岁,76年 |
黄金 | 5、44 | 1、32 |
氧气 | 1、23 | 2、3 |
表3:规范化量(wt. %)的C、F, Bi,非盟和O原子P (VDF-TrFE) / Bi2O3复合材料评价能量色散x射线谱耦合SEM显微镜。
图4一显示纳米和微晶体Bi衍射图2O3。主要的山峰在27.44和28.08 2θ-degrees对应(012)布拉格峰纳米和小型化材料,分别。图4 b显示衍射图的原始P (VDF-TrFE)共聚物及其与纳米复合材料和小型化Bi2O3。衍射图的原始P (VDF-TrFE),主要的峰值为19.16,19.60,和大约40 2θ-degrees对应,分别为(200),(110)和(201)布拉格峰。这是典型的剖面quasihexagonal厘米2米结构,也称为β-phase [20.]。通过比较图4一和4 b可以验证P (VDF-TrFE) / Bi2O3纳米复合材料内保持其晶体结构复合而P (VDF-TrFE) / Bi的衍射图样2O3microcomposite揭示了小型化Bi2O3在本例中不存在。在这种衍射图,只有原始的三个水晶峰P (VDF-TrFE)共聚物是可见的。
小型化Bi的缺乏2O3水晶峰的P (VDF-TrFE) / Bi2O3microcomposite衍射图表明,在合成过程中某种化学反应必须打破了小型化Bi2O3水晶的安排。在这种背景下,我们进行了差示扫描量热法,以获得更多的信息关于复合晶体结构晶体熔化潜热量和温度等。加热和冷却DSC热分析图的原始P (VDF-TrFE)共聚物,nano和利用,收集2nd运行,所示图5。在热的原始P (VDF-TrFE),在加热运行期间,有两个吸热峰对应ferro-to-paraelectric过渡(低温),称为居里过渡,和融化相变(高温)的共聚物,分别。冷却,观察与结晶过程相关的放热峰(高温)和para-to-ferroelectric相变(低温)。这两个相变是可逆的,热滞后。复合样品的温谱图显示,这些相变后仍然出现合成过程。然而,融化和结晶转换发生在较低的温度和熔化潜热(L米和L居里)参与所有转换都低于一个参与的共聚物。
计算L米和L居里值参与融化和居里温度相变以及他们的记者了表4。我们的话,在水晶聚合物如P (VDF-TrFE),融化时发生晶体结构的聚合物链脱落,并成为一个无序的液体。接受使用的潜热融化过渡与晶体体积有关。L米值表4为纳米复合材料,即22.64 J / g和19.92 J / g microcomposite,告诉我们,在纳米复合材料内部,P (VDF-TrFE)微晶的晶体体积比microcomposite。然而,必要的潜热进行ferro-to-paraelectric过渡为复合材料都是一样的。复合融化的温度也下降,相比,T米P (VDF-TrFE)共聚物。同样,T居里不受影响。总结,增加8.0 wt. %微观和纳米尺度的Bi2O3粒子在聚合物基体引起减少11%(纳米)和22%(微)P (VDF-TrFE)晶体体积,在不影响电偶极微晶碳氟偶极子之间的相互作用。
熔化潜热(J / g) | . Transiton潜热(J / g) | 熔化温度(°C) | .转变温度(°C) | |
---|---|---|---|---|
P (VDF-TrFE)原始 | 25日,38 | 5136年 | 157年,5 | 63年,5 |
P (VDF-TrFE) / Bi2O3纳米尺度的 | 22日,64 | 4174年 | 155年,2 | 63年,9 |
P (VDF-TrFE) / Bi2O3小型化 | 19日,92年 | 4284年 | 154年,9 | 63年,8 |
表4:熔化潜热(LM)和ferro-to-paraelectric (LCurie)转换和各自的温度(TM和TCurie)温谱图所示图5。
图6显示了红外光谱光谱,从1400厘米1到1800厘米1为原始的P (VDF-TrFE)共聚物,nano和利用。的频谱P (VDF-TrFE) / Bi2O3microcomposite揭示广泛的存在和大型吸收带集中在1530厘米1还有一个在1640厘米吸收带1较低的强度。乐队在1530厘米1也出现在P (VDF-TrFE) / Bi吗2O3纳米复合材料,但对其强度明显降低。这个乐队中不存在的P (VDF-TrFE)光谱。这些吸收带表明DMAc的存在在样本一旦他们可以联系到C = O(1635 - 1655厘米1)和甲基antisymetric变形(1440 - 1470厘米1)分子,它们都出现在这个溶剂。这些数据让我们认为DMAc溶剂不适当的蒸发microcomposite样本,尽管长时间在烤箱60°C用于所有样本。
最后,我们现在可能会调查这些复合材料的辐射屏蔽性能充满了Bi2O3纳米和微粒子。有巨大的铋质量衰减系数(μ/ρ)x射线从5 keV 100 keV。μ/ρx光子的能量关系等于铅,尽管它有一个低密度(9.8克/厘米3)。出于这个原因,conventional-sized三氧化二铋一直用于bismuth-coated乳胶盾牌(340克/厘米2)乳房摄影几十年(12,13]。这也是我们之所以决定调查充满Bi的纳米复合材料2O3应用x射线屏蔽。
为了确定单色的光子的辐射衰减我们暴露出P (VDF-TrFE)和纳米和利用Bi2O3与6.5 keV能量x射线,17.5 keV和22.1 keV使用设置中描述图1。给出了光束衰减百分比(%)
(1)
我在哪里0x射线的强度在额叶样品表面和我的x射线强度减弱。图7显示器的辐射衰减百分比获得样本。样本归一化到0.5毫米厚度用啤酒朗伯定律。
(2)
其中μ是质量线性系数(厘米1),ρ是密度(克/厘米3)和x (cm)的厚度。原始的数据P (VDFTrFE)不在,17.5 keV和22.1 keV能量,因为几乎没有衰减。样品厚度太薄(30μm)和XRD NaI探测器无法检测到非常小的我和我的区别0。在此图中我们看到的衰减比例P (VDF-TrFE) /纳米Bi2O3复合大于microcomposite的能量范围的研究。6.5 keV光子,65%的x射线是纳米复合材料减毒的0.5毫米厚。
图8显示x射线的辐射衰减百分比获得non-monochromatic字段,在同一剂量辐照(100 mGy), x射线的品质RQR2 (40 kV), RQR5 (70 kV)和RQR 8 (100 kV)。意味着这些光束33 keV能量,分别为54 keV和83.5 keV。样品已经被使用归一化到0.5毫米厚度方程2。作为比较,铋的衰减百分比,计算使用的表质量衰减系数从NIST(国家标准与技术研究院)也显示出来。我们注意到这一比例衰减的P (VDF-TrFE) /纳米Bi2O3复合又比microcomposite的能量范围的研究。光束质量RQR 2 (40 kV, E的意思是= 33 keV), 41%的x射线是纳米复合材料减毒的0.5毫米厚。
第一点是巨大的差异讨论关于观察到孔隙度SEM图像(图3 b和3 c,右侧)之间的P (VDF-TrFE) /纳米Bi2O3和P (VDF-TrFE) /微Bi2O3。孔隙度的差异也可以观察到在SEM图像获得较高的放大倍数图3一和3 b(左边)。我们的话,复合材料都是使用相同的方法。另一方面,一个非常类似的孔隙形成的过程一直在报道发生在铸造PVDF从DAMc解决方案均聚物,在温度低于80°C (21]。这种方法类似于用于这项工作。作者认为显微孔形成发生由于溶剂的蒸发速度,在较低的退火温度、DMAc的蒸发速度慢,产生气孔。红外光谱的分析数据中显示图6表明在1530厘米宽,大的吸收带1在P (VDF-TrFE) /微Bi2O3复合光谱是由于样本DMAc的存在,一旦他们可以联系到C = O(1635 - 1655厘米1)和甲基antisymetric变形(1440 - 1470厘米1)分子,它们都出现在这个溶剂。这个乐队也出现在纳米复合材料样品,但强度很低。因此,在执行这项工作蒸发60°C,一个可能的解释为P (VDF-TrFE) / Bi2O3复合材料是降低Bi的体积2O3纳米颗粒,而小型化的,可能是与较低的蒸发率的降低,减少气孔的数量。在这种背景下,P (VDF-TrFE) / Bi的蒸发率2O3利用会降低,导致DMAc吸收乐队中观察到的存在图6,增加孔隙形成观察扫描电镜图像图3 b和3 c。
第二点要讨论小型化Bi的缺乏有关2O3水晶峰的P (VDF-TrFE) / Bi2O3microcomposite衍射图中观察到图4 b,这表明,在合成过程中,某种化学反应必须打破了小型化Bi2O3水晶的安排。这里我们必须看红外光谱数据的分析和SEM图像。根据这些分析,P (VDF-TrFE) / Bi2O3microcomposite样本可能包含DMAc痕迹也是充满了毛孔。考虑到纳米复合材料样本不存在这些异常现象,我们认为他们可能是与小型化Bi的破坏有关2O3水晶的安排。
最后,我们的话,在x射线屏蔽特性,一旦Bi的数量2O3在复合材料是相同的,我们也期望衰减的比例应该一样的。中的数据图7和8表明纳米复合材料具有较好的衰减属性比microcomposite整个光子能量范围的研究。这里,它似乎很清楚,大孔隙的存在microcomposite直接影响其可怜的衰减特性,相比,纳米复合材料。我们想解决另一个有趣的特性是衰减百分比观察83.5 keV能量束,这是高于预期。我们认为,这种行为背后的原因是,铋的平均能量接近k层(约90.5 keV)。在这个意义上,还包含使用的100千伏x射线光子能量从90 keV 100 keV能量足以驱逐k-electrons。这导致突然铋质量衰减系数的增加,引起衰减比例增加(见图8)。换句话说,它充当一个辐射光子能量高于90 keV的过滤器。事实上,在一些介入放射学x光机,至于实例透视和乳房x光检查,制造商使用Rh的k层或莫还删除不必要的光子能量。因此,纳米复合材料制成的P (VDF-TrFE) /纳米Bi2O3是好的候选人尤其是乳房盾牌儿科使用电脑吗断层摄影术(CT扫描),它使用一个120千伏峰值x射线光束,由于它的能力与能量高于90 keV屏蔽不必要的光子。
纳米和利用P (VDF-TrFE)共聚物和纳米和小型化Bi2O3粒子形成和追究应用x射线屏蔽。三氧化二铋是先前与甲基丙烯酸甲酯(MMA)酸基团,为了提高均匀性分布。x射线屏蔽特性进行了光子的能量从6.5 keV 83.5 keV。纳米复合材料P (VDF-TrFE) /纳米Bi2O3mma比microcomposite透露有更好的衰减特性,在整个范围的能源研究。DRX测量确认小型化Bi2O3在microcomposite失去了它的晶体结构。DSC、红外光谱和扫描电镜图像数据被用来解释孔隙度出现在microcomposite的高度,进而,负责其糟糕的辐射衰减属性。6.5 keV光子,65%的x射线衰减和光束质量RQR 2 (40 kV, E的意思是= 33 keV), 41%的x射线,通过纳米复合材料厚0.5毫米。调查表明,P (VDF-TrFE) /纳米Bi2O3mma纳米复合材料都非常适合应用于放射学程序轻量级的,顺从的,灵活的,和容易处理x射线屏蔽材料,尤其是乳房盾牌在儿科电脑断层摄影术。
这项工作是支持的慰问Nacional de Desenvolvimento Cientifico e学府(CNPq), Fundacao德帕罗尽管做Estado de米纳斯吉拉斯(FAPEMIG)和Comissao Nacional de能源核(CNEN)。