Các nhà khoa học mới đây đã phát triển một loại vật liệu composite che chắn bức xạ ion hóa thân thiện với môi trường từ vải phủ các hạt Bi2O3 có kích thước micro và nano. Vải polyester được phủ dyne bằng các hạt Bi2O3 micro hoặc nano có thể che chắn một số tia X nhưng hiệu quả không cao. Với chỉ ∼58% hấp thụ các hạt Bi2O3 có kích thước micro vào vải polyester, không làm giảm mật độ hạt, cũng có thể che chắn được 30% tia X ở mức 80 kVp. Vải cotton được phủ vật liệu composite Bi2O3 micro hoặc nano/poly(vinyl alcohol) (PVA) đã được kiểm chứng có khả năng làm suy yếu tia X từ 70–100 kVp, đáp ứng các yêu cầu về bảo vệ y tế. Hiệu suất làm suy yếu tia X của vải cotton được phủ nanocomposite micro-Bi2O3/PVA hoặc nano-Bi2O3/PVA giảm dần theo sự gia tăng điện áp ống phát tia X, tuy nhiên hiệu suất che chắn bức xạ ion hóa của chúng được tăng lên theo số lớp vải. Điều thú vị là đối với tất cả các mức điện áp, vật liệu composite micro-Bi2O3/PVA đều vượt trội hơn vật liệu composite nano-Bi2O3/PVA về khả năng che chắn tia X. Ở tỷ lệ trọng lượng là 66,7% Bi2O3, 10 lớp vải cotton được phủ vật liệu composite micro-Bi2O3/PVA có thể làm suy yếu 90, 85 và 80% photon tia X ở mức 70, 80 và 100 kVp. Do đó, những vật liệu che chắn tia X ít gây hại này có khả năng thay thế vật liệu composite gốc chì, vốn rất độc đối với sức khỏe con người và gây ra hậu quả tiêu cực cho môi trường.
Vật liệu composite chì (Pb) được công nhận là vật liệu che chắn bức xạ hàng đầu do số nguyên tử cao (Z), mật độ cao, chi phí thấp, dễ gia công và khả năng che chắn tốt chống lại bức xạ γ. Vật liệu composite chì được sử dụng để chế tạo nhiều loại thiết bị bảo vệ bức xạ, bao gồm tạp quần áo chì và tấm chắn tuyến giáp, đây là những tấm chắn tiêu chuẩn để bảo vệ bức xạ cho nhân viên y tế trong khoa X quang. Nhược điểm của vật liệu composite chì là trọng lượng, mối quan tâm về sức khỏe con người và ô nhiễm môi trường. Các nhà nghiên cứu hiện đang tập trung vào việc phát triển các vật liệu không chì có thể thay thế composite chì làm vật liệu che chắn bức xạ. Nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã tập trung vào việc tạo ra các kỹ thuật có thể chuyển đổi bột kim loại hoặc khoáng chất có hàm lượng thích hợp thành các tấm polyme để che chắn hiệu quả và độ bền nhằm tránh bị rách và nứt.
Bismuth(III) oxit (Bi2O3), một trong những hợp chất Z cao, thường được chọn kết hợp polyme để sản xuất vật liệu che chắn tia X do chi phí tương đối thấp, độ ổn định nhiệt, độ cản quang, tác động môi trường thấp và không có hoặc có độc tính thấp. Maghrabi và cộng sự đã nghiên cứu tác dụng che chắn của bari sunfat (BaSO4) và Bi2O3 trên các mẫu vải. Các mẫu vải kết hợp của BaSO4, Bi2O3 và nhựa poly(vinyl clorua) (PVC) bằng cách sử dụng con lăn trên máy phủ Mathis. Họ kết luận rằng khả năng che chắn của mẫu tăng lên do số nguyên tử cao và mật độ bismuth cao. Sau đó, họ đã nghiên cứu hiệu quả của lớp phủ Bi2O3 bằng cách sử dụng nhựa in PVC trên vải polyester và nylon để che chắn tia X và xác nhận rằng vải polyester được phủ với hơn 50% Bi2O3 cho thấy khả năng che chắn được tăng cường. Đánh giá hiệu quả và khả năng che chắn của vải che chắn bức xạ không chì có chứa oxit bismuth cũng được thực hiện bởi Kang. Bột nano bismuth (chứa Bi2O3, BiNaO3 và BiN3O9; các hạt hình cầu mịn <5 μm) có tác dụng che chắn bức xạ được phủ lên nhựa urethane để chế tạo các tấm có thể sử dụng làm vải hoặc vải. Kết quả cho thấy khả năng làm suy yếu bức xạ của lớp vải là 49,9% ở điện áp 80 kVp và tăng dần khi số lớp vải tăng lên. Các tấm nanofiber Bi2O3/poly(vinyl alcohol) (PVA) có Bi2O3 khác nhau (0–40 wt %) được chế tạo cho mục đích che chắn tia X cũng được xem xét tới. Nghiên cứu cho thấy tấm nanofiber Bi2O3/PVA 35 wt % có khả năng làm suy yếu tia X cao nhất. Các đặc tính suy giảm của vật liệu composite PVC với các hạt Bi2O3 siêu nhỏ hoặc hạt nano liên quan đến tia X chẩn đoán (40–100 kVp) cũng đã được đánh giá. Các nhà khoa học tuyên bố rằng Bi2O3 có thể được sử dụng như một giải pháp thay thế phù hợp cho PbO trong các thiết kế che chắn.
Theo các kết quả nghiên cứu trước đây, các hạt vi mô hoặc hạt nano phân tán trong ma trận polyme có thể được sử dụng để tạo ra các tấm chắn bức xạ hiệu quả. Do đó, vật liệu composite gốc polyme đặc biệt hấp dẫn khi làm vật liệu chắn bức xạ. Có nhiều loại polyme được ứng dụng làm ma trận trong vật liệu composite chắn bức xạ không chì, bao gồm PVC, nhựa urethane, PVA, silicon, poly(ethylene terephthalate) và nhựa epoxy. Tuy nhiên, hầu hết chúng không phân hủy sinh học. Trong nghiên cứu hiện tại, vật liệu composite chắn bức xạ ion hóa gốc dệt thân thiện với môi trường và phân hủy sinh học được sản xuất từ vải polyester và vải cotton phủ các hạt Bi2O3 hoặc vật liệu composite Bi2O3 /PVA, khả năng chắn tia X chẩn đoán (70, 80 và 100 kVp) đã được kiểm chứng. Vải polyester được nhuộm bằng các hạt vi mô hoặc nano- Bi2O3 phân tán trong etanol đun nóng. Vải cotton được xử lý bằng dung dịch NaOH trước khi được phủ bằng hạt Bi2O3 theo phương pháp nhuộm hoặc vật liệu composite PVA phân hủy sinh học có chứa hạt Bi2O3 micro hoặc nano bằng phương pháp phủ thủ công đơn giản. Các đặc tính hình thái của vải trước và sau khi phủ đã được kiểm tra bằng SEM và cấu trúc hóa học của chúng đã được xác nhận bằng FTIR. Độ dày, trọng lượng và màu sắc của các mẫu cũng đã được đo. Cuối cùng, các đặc tính tia X của vật liệu composite che chắn dựa trên vải phân hủy sinh học được đề xuất đã được nghiên cứu về hiệu suất che chắn của các lớp phủ khác nhau của vải nhuộm cũng như các loại vải được phủ bằng vật liệu composite Bi2O3/PVA.
Nhuộm là quá trình chính để tạo màu cho vật liệu trắng. Trong nghiên cứu đã sử dụng các hạt Bi2O3 kích thước nano và micro trên hai loại vải khác nhau: cotton và polyester. Hình thái bề mặt của vải cotton và polyester nguyên sơ cho thấy cấu trúc dọc trơn tru của các sợi dệt. Có thể thấy rõ rằng cả các hạt nano và micro- Bi2O3 đều được phân bố đều trên bề mặt vải với một số mức độ kết tụ. Kích thước của các hạt rất quan trọng trong việc xác định độ bám dính của chúng với sợi. Các hạt kết tụ lớn sẽ dễ dàng tách ra khỏi bề mặt sợi, trong khi các hạt nhỏ sẽ thâm nhập sâu hơn và bám chặt vào ma trận vải. Ngoài ra, cả nano và micro- Bi2O3 đều cho thấy khả năng lắng đọng tốt hơn trên vải polyester so với vải cotton. Điều này có thể là do polyester, có chứa nhóm chức este trong chuỗi chính của nó, có thể tương tác tốt với Bi2O3.
Như vậy, vật liệu composite che chắn bức xạ ion hóa gốc dệt thân thiện với môi trường và có thể phân hủy sinh học đã được sản xuất thành công từ vải được phủ hạt Bi2O3 bằng quy trình nhuộm hoặc vật liệu composite Bi2O3/PVA bằng phương pháp phủ thủ công. Bằng quy trình nhuộm, micro- và nano- Bi2O3 cho thấy tỷ lệ hấp thụ lần lượt là 25,6 ± 4,0 và 21,1 ± 3,1% trên vải cotton, thấp hơn so với vải polyester (lần lượt là 57,7 ± 2,1 và 43,7 ± 1,5%). Hơn nữa, sau khi giặt, cả vải cotton phủ nano và micro- Bi2O3đều cho thấy lượng vải bị mất cao hơn so với vải polyester phủ nano và micro- Bi2O3. Do đó, việc ứng dụng Bi2O3 trên vải bằng quy trình nhuộm phù hợp với polyester, nhưng không phù hợp với vải cotton. Vải polyester phủ micro- và nano- Bi2O3 đã che chắn một số tia X và có tác dụng làm giảm sự truyền qua, nhưng hiệu quả kém do lượng Bi2O3 không đủ và có thể không phù hợp để sử dụng làm trang phục che chắn tia X tiêu chuẩn. Bên cạnh đó, kết quả cũng cho thấy vải polyester phủ micro- Bi2O3 có hiệu suất làm suy yếu tia X tốt hơn vải polyester phủ nano- Bi2O3, do giá trị cả về % hấp thụ và khối lượng trên diện tích đều cao hơn. Để cải thiện hiệu suất làm suy yếu tia X, vật liệu composite che chắn dựa trên vải có thể phân hủy sinh học chống lại bức xạ ion hóa đã được sản xuất bằng cách phủ bề mặt vải cotton bằng vật liệu composite Bi2O3/PVA, trong đó tỷ lệ trọng lượng của Bi2O3/PVA bằng 2:1.
Vải cotton phủ vật liệu composite Bi2O3/PVA thể hiện khả năng làm suy yếu tia X tốt hơn do điện áp ống tia X chẩn đoán cao từ 70–100 kVp. Khi điện áp tăng tốc ống tăng dần, hiệu suất làm suy yếu tia X đối với vải cotton được phủ nanocomposite micro- Bi2O3/PVA hoặc nano- Bi2O3/PVA giảm dần, trong khi hiệu suất che chắn bức xạ ion hóa của chúng tăng theo số lớp vải. Vải cotton 10 lớp được phủ composite micro- Bi2O3/PVA cho thấy khả năng che chắn bức xạ cao với chỉ 12,2, 16,2 và 23,7% tia X được truyền ở mức 70, 80 và 100 kVp. Ở mức 80 kVp, giá trị truyền qua là 16,2% thấp hơn giá trị của cả hai mẫu chì tương đương chuẩn. Do đó, vải cotton phủ composite Bi2O3/PVA với các dạng nhiều lớp của nó là một phương tiện thay thế đầy hứa hẹn để sản xuất quần áo che chắn có thể mặc được. Ngoài ra, vật liệu composite Bi2O3/PVA kích thước siêu nhỏ thể hiện tính chất che chắn tia X tốt hơn với giá trị hệ số suy giảm khối lượng cao hơn so với vật liệu composite Bi2O3/PVA kích thước nano ở mọi điện áp ống (70–100 kVp).
Từ khóa: bức xạ; che chắn;
– CMD –
