Bi2O3 나노입자를 함유한 황토를 감마용 에폭시 수지에 접목

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5472(2023) 이 기사 인용

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우리는 광자 차폐 응용 분야를 위한 새로운 복합재를 개발했습니다. 복합재는 에폭시 수지, 황토 및 산화비스무트 나노입자(Bi2O3 NPs)로 제조되었습니다. Bi2O3 NP에 대한 황토의 비율이 최고의 차폐 성능을 제공하는지 확인하기 위해 Bi2O3 NP에 대한 황토의 여러 다른 비율을 테스트했습니다. 투과율(TF)은 각 샘플의 두 가지 서로 다른 두께에 대해 계산되었습니다. TF 데이터를 통해 에폭시 수지 소재는 낮은 에너지에서 높은 감쇠 용량을 갖는 것으로 나타났습니다. ERB-10 샘플(40% 에폭시 + 50% 황토 + 10% Bi2O3 NPs)의 경우 TF 값은 0.5cm와 1.5cm(0.06MeV에서) 두께에 대해 52.3%와 14.3%입니다. 최대량의 Bi2O3 나노입자(에폭시 40% + 황토 50% + Bi2O3 NP 10%, ERB-30으로 코드화)를 최대로 함유한 복합재는 다른 복합재보다 TF가 낮습니다. TF 데이터는 ERB-30이 감마선으로부터 보다 효과적인 감쇠를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 우리는 또한 준비된 복합재에 대한 선형 감쇠 계수(LAC)를 결정했으며 Bi2O3 NPs 비율에 비례하여 주어진 에너지에 대해 LAC가 증가한다는 것을 발견했습니다. ERB-0(자유 Bi2O3 NP)의 경우 0.662 MeV에서 LAC는 0.143 cm−1이고, Bi2O3 NP를 10% 에폭시 수지 복합재에 첨가하면 0.805 cm−1로 증가합니다. 반값층(HVL) 결과는 에폭시 수지 복합재에서 Bi2O3 NP의 중량 분율을 0에서 30%로 증가시킴으로써 해당 광자를 반값 강도로 차폐하는 데 필요한 두께를 크게 낮출 수 있음을 보여주었습니다. ERB-20 및 ERB-30의 HVL은 0.662 MeV에서 매트릭스 재료인 에폭시와 필러 산화물인 Al2O3, Fe2O3, MgO 및 ZrO2와 같은 다른 재료와 비교되었습니다. ERB-20 및 ERB의 HVL 값 -30은 4.385 및 3.988 cm이며 이는 선택된 모든 에폭시 중합체보다 낮습니다.

방사선원을 활용하는 응용 분야의 개발은 기술적 정교함 수준의 전반적인 향상과 함께 크게 증가했습니다. 감마선과 X선은 원자력 발전, 진단 영상, 병원 치료, 농업, 학술 연구 및 기타 분야와 같은 다양한 분야에서 광범위하게 사용되는 전리 방사선 유형의 예입니다. 방사선은 특히 의료 분야에서 많은 응용 분야를 갖고 있지만, 방사선에 장기간 노출되면 인간과 다른 생명체의 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 것은 잘 알려진 사실입니다1,2,3,4. 납 및 납 함유 물질이 제공하는 뛰어난 차폐 특성으로 인해 납 및 납 함유 화합물은 역사적으로 방사선 방호 분야에서 광범위하게 활용되어 왔습니다. 그러나 납은 위험한 화학물질입니다. 이로 인해 방사선 차폐에 사용하기 위한 실용적인 무독성 화합물의 발전과 연구가 현재 그 어느 때보다 중요해졌습니다5,6,7. 연구자들은 효율적인 방사선 차폐 특성을 지닌 새로운 물질을 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다. 이러한 신소재의 예로는 세라믹, 합금, 유리, 건축 자재 및 고분자 복합재 등이 있습니다. 기존 재료의 구성을 변경하여 새로운 차폐 재료를 만들 수도 있습니다8,9,10,11. 연구에 따르면 특정 재료에 나노입자를 추가하면 차폐 가능성이 높아질 수 있습니다12,13.

반면, 에폭시 수지는 품질의 특별한 조합으로 인해 많은 분야에서 유용하고 중요한 물질입니다. 에폭시 수지의 가장 중요한 특징 중 하나는 높은 강도와 ​​내구성입니다. 또한 우수한 전기 절연 성능, 높은 열 안정성, 우수한 내화학성을 갖추고 있습니다. 독특한 특성 조합으로 인해 에폭시 수지는 다양한 산업 분야에서 활용됩니다. 에폭시 수지는 건축, 토목공학(콘크리트 구조물 수리 및 강화), 치과 및 정형외과, 전기 및 전자 산업 등의 산업에서 자주 사용됩니다. 에폭시 수지는 방사선 보호 분야에서 차폐 기능을 향상시키기 위해 나노입자를 포함하는 복합재를 형성하는 매트릭스로 활용될 수 있습니다. 산화비스무트(Bi2O3)로 구성된 나노입자는 방사선을 효과적으로 흡수할 수 있는 특수한 특성 조합으로 인해 방사선 차폐에 자주 사용됩니다. 최근 연구에 따르면 Bi2O3 나노입자를 포함하는 물질의 방사선 차폐 능력은 효율성과 유효성 측면에서 벌크 Bi2O3보다 우수하다는 것이 입증되었습니다17,18,19. Bi2O3는 녹는점이 높아 고온에 노출되어도 안정성을 유지하며 다양한 용도로 사용하기에 적합합니다. Bi2O3는 납 등 방사선 차폐에 사용되는 다른 화합물에 비해 일반적으로 독성이 없는 물질입니다. Bi2O3는 업계에서 사용되는 다른 재료에 비해 상대적으로 저렴하기 때문에 방사선 차폐를 위한 비용 효율적인 대안입니다20,21,22,23,24,25.