Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/55494
Type: Tese
Title: Desenvolvimento de compósitos poliméricos reforçados com metais atenuadores e óxido de grafeno para blindagem de raios X
Other Titles: Development of metal-attenuated and graphene oxide-reinforced polymeric composites for x-ray shielding
Authors: Liliane Aparecida da Silva Angelo
First Advisor: Luiz Oliveira de Faria
First Co-advisor: Adriana de Souza Medeiros Batista
First Referee: Eduardo Henrique Martins Nunes
Second Referee: Críssia Caren Paiva Fontainha
Third Referee: Annibal Theotonio Baptista Neto
metadata.dc.contributor.referee4: Jefferson Patrício Nascimento
Abstract: Foram desenvolvidos nanocompósitos a partir de matriz do homopolímero poli(fluoreto de vinilideno) [PVDF] reforçado com 1,88 %wt de materiais grafíticos: nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT), grafite pirolítico altamente orientado(PG), fuligem e óxido de grafeno (OG). Esses materiais foram estudados visando sua aplicabilidade em atenuação fótons de raios X com energia de 6,9 keV. A eficiência da atenuação de fótons em nanocompósitos reforçados com OG mostrou-se cerca de quatro vezes maior em relação aos demais nanocompósitos. Na segunda etapa, foi estudado nanocompósitos preenchidos com óxido de grafeno reduzido ( rOG) em concentrações de 1,88; 4; 6 e 8% em relação à massa da matriz de diferentes pesos moleculares de PVDF. Cada nanocompósitos foi sobrepostos em compósito preenchidos com 8% de BaO e prensados entre duas camadas de filmes de Kapton®. Os coeficientes de atenuação linear foram medidos para fótons de raios X monocromáticos com energia de 8,1keV nas amostras dispostas em multicamadas.Filmes finos de nanocompósito preenchidos com apenas 1.88% de óxido de grafeno reduzido (rOG) e espessura de apenas 0,32 mm apresentaram aumento de 50% na eficiência de atenuação dos fótons de raios X com energia de 8,1 keV. Na terceira etapa, foram sintetizados nanocompósitos poliméricos de matriz com PVDF preenchidos com nanopartículas de sulfato de bário (BaSO4) reforçados ou não com 2% de OG em relação à massa de PVDF, cujas espessuras foram de 50 e 52 μm, respectivamente. As amostras foram testadas em um equipamento emissor de raios X com tensão de pico variando entre 20 kV e 100 kV. Amostras que demonstraram maior capacidade de atenuação da radiação foram testadas com feixes de radiação com padrão de qualidade RQR2 e RQR8 de acordo com International Electrotechnical Commission (IEC 2005), cujas condições reproduzem àquelas utilizadas em radiologia diagnóstica convencional para as tensões de 40 kV e 100 kV, respectivamente. Nanocompósitos PVDF/BaSO4 apresentaram atenuação de 9,14% para o feixe de raios X com 20 kV. A adição de apenas 2,0% de nanopartículas de OG ao nanocompósito potencializou essa eficiência de atenuação para 24,56%. A atenuação de raios X diminui gradualmente até 6,71% e 17,62%, respectivamente, para os feixes com tensão de 20 a 100 kV. Aspectos estruturais das amostras foram analisados a partir de dados de absorção no infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR). A análise morfológica do material foi realizada por Microscopia eletrônica de varredura (MEV) para avaliar a dispersão tanto dos materiais grafíticos, quanto das micro e nanoparticulas de metais atenuadores - óxido de bário (BaO) e/ou sulfato de bário (BaSO4), respectivamente. As medidas de espectrometria na região ultravioleta-visível (UV-VIS) e Calorimetria por Varredura Diferencial (DSC) foram realizadas para complementar a análise estrutural. Os resultados confirmam que a adição de nanofolhas de grafeno à matriz do homopolímero PVDF intensificam a eficiência da blindagem de raios X sendo possível a exploração de filmes radiopacos de peso leve, muito finos e sem chumbo oferecendo proteção mais eficiente contra radiação, justificando investigações adicionais desses nanocompósitos como atenuadores de radiação gama ou raios X.
Abstract: Nanocomposites were developed from poly(vinylidene fluoride) homopolymers matrix [PVDF] reinforced with 1.88% of graphitic materials, which are: multiwalled carbon nanotubes (MWCNT), highly-oriented pyrolytic graphite (PG), amorphous carbon (soot) and graphene oxide (GO). These materials were studied with a view to their applicability in attenuation of photons of X-rays with energy of 6.9 keV X-Ray photons. The attenuating efficiency of the composite reinforced with GO was four times higher than that of the other composites. In a second step, we have deepen our study in nanocomposites filled with reduced graphene oxide (rGO) in concentrations of 1.88; 4; 6 and 8% relatively to the mass of the PVDF matrix. Each of these nanocomposites were then superimposed in composites filled with 8% of BaO and sandwiched between two layers of Kapton® films. The linear attenuating coefficients of the multilayred samples were measured for monochromatic X-Ray photons with energy of 8,1 keV. The thin films of nanocomposites filled with only 1.88% of rGO and thickness of 0.32mm showed an increase of 50% in the attenuation efficiency of 8.1 kev X-rays photons. In the third step of this work, nanocomposite polymeric matrix PVDF was synthesized filled with Barium Sulphate (BaSO4) and/or reinforced with 2% of GO, once again relatively to the PVDF mass with thickness of 50 and 52 μm, respectively. Samples were tested in a X-ray emission device with peak voltages ranging from 20 kV to 100 kV. Subsequently, the samples that demonstrated greater capacity for radiation attenuation were tested with radiation beams with quality standard RQR2 and RQR8 according to the International Electrotechnical Commission (IEC 2005). These conditions were intended to reproduce those ones employed in conventional diagnostic radiology for voltages of 40 and 100 kV respectively. The nanocomposites of PVDF/BaSO4 presented attenuation of 9.14% of a X-ray beam with 20 kV. The addition of only 2.0% of GO nanosheets to the nanocomposite potentialized this X-ray attenuation efficiency to 24.56%. The X-ray attenuation decreased gradually until 6.71% and 17.62%, respectively, for the X-ray beam with voltages between 20 and 100 kV. The cristalographic aspects of our samples were analyzed from infrared absorption data by Fourier Transform (FTIR). The morphological analysis of the material was performed via Scan Electronic Microscopy (SEM) to evaluate the dispersion of both the graphitic materials and the nanoparticles of attenuation metals - barium oxide (BaO) and/or barium sulphate (BaSO4). Spectrometry measurements in the ultra violet-visible region (UV-VIS) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) were employed to complement the structural analysis. The results confirm that the addition of nanolayers of graphene to the PVDF matrix increased the shielding of X-rays, wich makes possible the exploration of thin and very light radiopaque lead-free films, thus offering more efficient protection against radiation. This justifies additional investigations of these nanocomposites as attenuators of gamma or X-ray radiation.
Subject: Engenharia nuclear
Blindagem (Radiação)
Compósitos poliméricos
Óxido de grafeno
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/55494
Issue Date: 22-Dec-2020
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