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Jul 07, 2023

Optische und strahlenabschirmende Eigenschaften von PVC/BiVO4-Nanokomposit

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 10964 (2023) Diesen Artikel zitieren 571 Zugriffe auf Metrikdetails Diese Studie untersucht die physikalischen und optischen Eigenschaften sowie die Strahlungsabschirmung

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10964 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Diese Studie untersucht die physikalischen und optischen Eigenschaften sowie die Strahlenschutzkapazität von Polyvinylchlorid (PVC), beladen mit x % Wismutvanadat (BiVO4) (x = 0, 1, 3 und 6 Gew.-%). Als ungiftiger Nanofüllstoff handelt es sich bei den entwickelten Materialien um kostengünstige, flexible und leichte Kunststoffe, die herkömmliches Blei ersetzen, das giftig und dicht ist. XRD-Muster und FTIR-Spektren zeigten eine erfolgreiche Herstellung und Komplexierung von Nanokompositfilmen. Darüber hinaus wurden die Partikelgröße, Morphologie und Elementzusammensetzung des BiVO4-Nanofüllstoffs durch die Nutzung von TEM-, SEM- und EDX-Spektren nachgewiesen. Der MCNP5-Simulationscode bewertete die Wirksamkeit der Gammastrahlenabschirmung von vier Nanokompositen aus PVC + x % BiVO4. Die erhaltenen Daten zum Massenschwächungskoeffizienten der entwickelten Nanokomposite waren vergleichbar mit der theoretischen Berechnung, die mit der Phy-X/PSD-Software durchgeführt wurde. Darüber hinaus ist neben der Simulation des linearen Dämpfungskoeffizienten die Anfangsphase der Berechnung verschiedener Abschirmungsparameter wie Halbwertsschicht, Zehntelwertschicht und mittlerer freier Weg. Mit zunehmendem Anteil des BiVO4-Nanofüllstoffs nimmt der Transmissionsfaktor ab und gleichzeitig steigt die Strahlenschutzeffizienz. Darüber hinaus zielt die aktuelle Untersuchung darauf ab, die Werte des Dickenäquivalents (Xeq), der effektiven Ordnungszahl (Zeff) und der effektiven Elektronendichte (Neff) als Funktion der Konzentration von BiVO4 in einer PVC-Matrix zu bewerten. Die anhand der Parameter erzielten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Einbindung von BiVO4 in PVC eine wirksame Strategie zur Entwicklung nachhaltiger und bleifreier Polymer-Nanokomposite mit potenziellem Einsatz in Strahlenschutzanwendungen sein kann.

Flexible bleifreie Nanokompositfolien zur Strahlungsabschirmung auf Basis von Polyvinylchlorid (PVC) sind ein häufig verwendetes Polymer, das mit Metall- oder Metalloxid-Nanopartikeln kombiniert wird, um eine Strahlungsschutzschicht innerhalb der Folie zu bilden. Diese Nanopartikel werden anstelle von Blei verwendet, da sie vergleichbare Abschirmeigenschaften ohne Toxizität bieten. Die resultierenden Folien sind flexibel, leicht und kosteneffizient. Sie können für verschiedene medizinische Einrichtungen, Kernenergie, Luft- und Raumfahrt sowie industrielle Röntgentestanwendungen eingesetzt werden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Wirksamkeit dieser Folien je nach Art und Intensität der abzuschirmenden Strahlung variieren kann1,2. Aufgrund seiner im Vergleich zu anderen Polymeren hohen Dichte kann PVC eine geeignete Wahl für die Herstellung von Verbundmaterialien zur Gammastrahlenabschirmung im Bereich radiodiagnostischer Energien durch den Einbau verschiedener Nanopartikel (NPs)1,2,3,4,5,6 sein.

Wismutoxid Bi2O3 ist ein Halbleiter vom p-Typ (mit der Ordnungszahl 83) mit einer hohen Dichte von 8,9 g/cm3. Bemerkenswert ist, dass dieses Material ungiftig ist. Es wurde auch festgestellt, dass es Gammastrahlen-Abschirmungseigenschaften aufweist, die denen von Blei entsprechen7. El-Sharkawy et al.1 haben über die Einbindung von Bi2O3-NPs in recyceltes PVC als mögliche Lösung zur Abschirmung von Gammastrahlung berichtet. Außerdem beabsichtigten Maksoud et al.8 die Entwicklung eines neuartigen Gammastrahlungs-Abschirmmaterials auf Basis eines PVB (hochflexibel, leicht, bleifrei), dotiert mit Wismutoxid Bi2O3 und Bariumzirkonat-Perowskit BaZrO3 als Nano-Metalloxid-Füllstoff.

Vanadiumpentoxid V2O5 ist ein Material, das für den Einsatz in mikroelektronischen, elektrochemischen und optischen Geräten vielversprechend ist9. Laut Hou et al.10 sorgt V2O5 für photogenerierte Träger und kinetisches Verhalten und erhöht die Fähigkeit eines Materials, ultraviolette Strahlung zu absorbieren. Narayanan et al.11 berichteten, dass der Einbau von V2O5 in die Polyanilin-Polymermatrix die dielektrische Leistung und die elektromagnetischen Abschirmungseigenschaften von Polymer-Nanokompositen verbessert und gleichzeitig ein hochwirksames Verbundnetzwerk zwischen V2O5 und Polyanilin entwickelt.

Bismutvanadat (BiVO4)-basierte Materialien wurden in zahlreichen Anwendungen als bedeutender ternärer Oxidhalbleiter mit einer schmalen Bandlücke (2,2 eV) umfassend eingesetzt12,13.

Ziel dieser Forschung ist die Entwicklung kostengünstiger, bleifreier, umweltfreundlicher und nachhaltiger PVC-Polymer-Nanokomposite, die durch verschiedene Anteile an BiVO4-Nanofüllstoff verstärkt werden. Darüber hinaus untersucht diese Arbeit die strukturellen, optischen und thermischen Eigenschaften von vier hergestellten PVC + x % BiVO4-Nanokompositen, um Einblicke in den Einfluss verschiedener BiVO4-Nanofüllstoffbeladungen auf die PVC-Leistung zu erhalten. Darüber hinaus wurden Abschirmungsparameter wie die Halbwertsschicht (HVL), die effektive Ordnungszahl Zeff, die effektive Elektronendichte Neff und der Belichtungsaufbaufaktor (EBF) verwendet, um die Wechselwirkung und Durchdringung der Gammastrahlen zu bewerten. Der vom MCNP5-Simulationscode erzeugte MAC wurde mit den theoretisch mithilfe der Phy-X/PSD-Datenbank abgeleiteten MAC-Werten verglichen, um die Zuverlässigkeit der aus der MCNP5-Simulation gewonnenen Ergebnisse zu bewerten.

Zu den in dieser Studie verwendeten Materialien gehört Poly(vinylchlorid) (PVC), ein reines Pulver mit einer Dichte von 1,4 g/ml bei 25 °C, hergestellt von Sigma-Aldrich, USA. Außerdem wurden Wismutoxid (Bi2O3, 99,9 %) und Vanadatpentoxid (V2O5, 99,7 %) von Alfa-Aesar, USA, bezogen. Tetrahydrofuran (THF) wurde von Aldrich, Deutschland, bezogen.

Die vorliegende Studie berichtet über die erfolgreiche Synthese von BiVO4 (BVO) mithilfe einer Festkörperreaktionsmethode. Bi2O3 und V2O5 wurden im stöchiometrischen Molverhältnis 1:1 (Bi:V) abgewogen und dienten als Quellen für Bi bzw. V. Die Vorläufer wurden manuell mit Stößel und Mörser gemischt und 1 Stunde lang einer Kugelmühle unterzogen, um eine gleichmäßige Mischung zu erreichen. Die resultierenden Mischungen wurden 4 Stunden lang bei 700 °C kalziniert.

Das BiVO4-Nanopulver mit unterschiedlichen Gewichtsprozenten (x = 0, 1, 3 und 6 Gew.-%) wurde 30 Minuten lang unter Verwendung von Ultraschallenergie in THF dispergiert. Eine PVC-Lösung wurde formuliert, indem 3,5 g PVC-Pulver in 100 ml THF unter kontinuierlichem Rühren für 2 Stunden gelöst wurden. Anschließend wurde die Polyvinylchlorid (PVC)-Lösung mit der vollständig dispergierten Suspension von Bismutvanadat-BVO-Nanofüllstoffen vermischt. Die resultierende Mischung wurde eine Stunde lang kontinuierlich gerührt. Anschließend wurde die erzeugte Suspension vorsichtig in Glaspetrischalen überführt und einer Lufttrocknung unterzogen. Die PVC + x % BVO-Nanokompositfilme wurden wie in Abb. 1 dargestellt fotografiert, zusätzlich zu dem Gewichtsanteil der vorbereiteten PVC + x % BVO-Nanokompositfilme, der in Tabelle 1 gezeigt ist.

Foto der Nanokompositfolien aus reinem PVC und PVC + x % BVO.

Röntgenbeugung (XRD; Shimadzu XRD-6000) ermittelt die Kristallstruktur von PVC + x % BVO-Nanokompositfilmen. Die HR-TEM-Analyse an einem (JEOL-JEM-100 CX) wurde auch verwendet, um die Form und Größe der synthetisierten BiVO4-Pulver-Nanopartikel zu untersuchen. Die PVC + x % BVO-Nanokompositfilme werden mithilfe der energiedispersiven Röntgenanalysespektren (EDAX), JEOL JSM-5600 LV, Japan, untersucht. Um die funktionellen Gruppen der untersuchten Filme zu bestätigen, wird Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR) (NICOLET iS10-Modellinstrument) über einen breiten Bereich (350–1800 cm−1) mit einem NICOLET iS10-Modellinstrument durchgeführt. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM, JEOL JSM-5500 LV, Japan) wird die Morphologie der Nanokompositfolien aus PVC + x % BVO bestimmt. Mit einem Zweistrahl-Spektrophotometer (Jasco, V-570 UV-VIS-NIR) wurden die optischen Eigenschaften von PVC + x % BVO-Nanokompositfilmen im Wellenlängenbereich von 200–2500 nm bewertet.

Durch Anwendung der folgenden Gleichung wurde die Archimedes-Regel zur Berechnung der Dichte toluolgetränkter Proben verwendet:

Dabei ist Wa das Gewicht der Probe in der Luft, WT das Gewicht des Nanokompositfilms in der Toluolflüssigkeit und ρT die Dichte der Toluolflüssigkeit (0,86 g/cm3 bei Umgebungstemperatur).

Es zeigt auch die Schwere (H) der Proben, die mit der folgenden Gleichung berechnet wurde;

ρm ist die Dichte der vorbereiteten PVC-Verbundfolie und ρPb ist die Bleidichte.

In der vorliegenden Studie wurden die unten beschriebenen Gammastrahlen-Wirksamkeitsbeziehungen verwendet, um die Gammastrahlen-Dämpfungseigenschaften von Polyvinylchlorid (PVC) zu bewerten, das unterschiedliche Konzentrationen an Wismutvanadat (BVO)-Nanopartikeln (NPs) enthält8,14,15,16,17, 18,19.

Die vorliegende Studie umfasste die Bestimmung des Massenabschwächungskoeffizienten (MAC) und der linearen Abschwächung (LAC) von Nanokompositfolien aus PVC und x % BVO. Zu diesem Zweck wurde der NaI(Tl)-Szintillationsdetektor (F4-Tally) und der MCNP5-Simulationscode verwendet.

wobei Io und Id die Vorfälle und übertragenen Intensitäten sind.

Die Gleichung wurde unter Verwendung der Tabellen der Phy-X/PSD-Software für theoretische Berechnungen angewendet:

Dabei ist Wi der Gewichtsanteil jedes i-ten Bestandteils in der Probe.

Darüber hinaus wurden Messungen von LAC und MAC verwendet, um die MFP-, Zeff-, Neff-, HVL- und TVL-Werte gemäß den folgenden Beziehungen zu ermitteln;

Die vorliegende Studie umfasste außerdem die Schätzung des Transmissionsfaktors (TF), der Strahlenschutzeffizienz (RPE) und einer Dicke, die der Bleidicke (Xeq, cm) entspricht, mithilfe etablierter Beziehungen20;

Dabei sind LACsample und LACPb der lineare Dämpfungskoeffizient der untersuchten PVC-Nanokompositfolien bzw. Blei und tPb die Dicke des Bleis (cm).

Die effektive Ordnungszahl (Zeff) kann durch die folgende Beziehung berechnet werden

Die effektive Elektronendichte (Neff) kann durch die folgende Beziehung abgeschätzt werden;

Dabei beziehen sich fi, Ai und Zj auf den Bruchteil des Wohlstands, das Atomgewicht bzw. die Ordnungszahl des i-ten konstituierenden Elements und NA stellt die Avogadro-Konstante dar.

Abbildung 2a zeigt das XRD-Muster von BiVO (BVO)-Nanopulver. Das XRD-Muster zeigt die Bildung einer reinen BiVO4-Phase ohne Verunreinigungsphasen. Die Zahl entspricht den Standarddaten für kristallines monoklines BiVO (JCPDS-Karte Nr. 14-688) 21,22. Darüber hinaus ist es möglich, das Vorhandensein kleinerer Peaks bei 2θ = 27,21° und 32,91° auf restliches Bi2O3 zurückzuführen, das aus dem chemischen Syntheseverfahren 8 resultiert.

(a) XRD-Muster, (b) TEM von BiVO4.

Die Kristallitgröße D wurde mithilfe der bekannten Scherer-Gleichung ermittelt:

wobei 0,154 nm die Wellenlänge (λ) der verwendeten Cu-Kα-Strahlung ist, betrug der berechnete D-Wert 30,68 nm. Außerdem zeigen die TEM-Bilder die asymmetrisch angeordnete BiVO4-Nanostruktur, deren Formen plattenartig sind, wie in Abb. 2b dargestellt.

Abbildung 3 zeigt die Röntgenbeugungsmuster von hergestellten PVC + x % BVO-Nanokompositfilmen mit unterschiedlichen Dotierungsverhältnissen von BiVO4. Die beobachteten Muster bestätigen die amorphe Natur der reinen PVC-Polymerprobe, was durch das Fehlen deutlicher Peaks in den Eigenschaften der amorphen Phase belegt wird. Darüber hinaus variierte und verbesserte sich die Intensität der Peaks für die Nanokomposite, abhängig vom Gewichtsanteil des BVO-Nanofüllstoffs im PVC. Dies wurde auch nach Zugabe von 6 % BVO-Nanofüllstoff zu PVC festgestellt, was die erfolgreiche Herstellung von PVC + x % BVO-Nanokompositfilmen, Komplexierung und gleichmäßige Verteilung von BVO innerhalb der PVC-Polymermatrix zeigt1,8.

XRD-Muster von PVC + x % BVO-Nanokompositfolien.

Abbildung 4a zeigt die Oberflächenmorphologieeigenschaften der Nanokompositfolien aus PVC und x % BVO-Nanofüllstoff. Die REM-Mikrostruktur des PVC + 6 % BVO-Nanokompositfilms, wie in Abb. 4a dargestellt, zeigt aufgrund der Zugabe von BiVO4-Nanofüllstoff eine quasi-kugelförmige und flockenförmige Struktur. Es wird beobachtet, dass der Nanofüllstoff mit einigen geringfügigen Agglomerationen gleichmäßig in der PVC-Matrix verteilt ist. Die EDX-Spektren und die Elementzusammensetzung des in Abb. 4b dargestellten Nanokompositfilms aus PVC + 6 % BVO belegen das Vorhandensein von Signalen, die Wismut, Sauerstoff und Vanadat zugeschrieben werden. Dies deutet darauf hin, dass BiVO4 erfolgreich in die PVC-Ketten eingebaut wurde.

(a) SEM-Bilder und (b) EDX von PVC + 6 % BVO-Nanokompositfilm.

Abbildung 5 zeigt eine Elementkartierungsanalyse, die an einer Nanokompositfolie aus PVC und 6 % BVO durchgeführt wurde. Der BiVO4-Nanofüllstoff weist eine gleichmäßige Verteilung auf, was durch die gelben, orangen, rosafarbenen, grünen und blauen Farben von O, V, C, Cl bzw. Bi belegt wird. Die gleichmäßige Verteilung des BiVO4-Nanofüllstoffs in der PVC-Matrix lässt auf ein erhebliches Potenzial zur Abschwächung niederenergetischer Gammastrahlen schließen.

EDX-Mapping-Bild für die Elementzusammensetzung einer Nanokompositfolie aus PVC + 6 % BVO.

Zur Erkennung und Charakterisierung der in den vorbereiteten Nanokompositfilmen vorhandenen funktionellen Gruppen wurde die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR)-Methode eingesetzt. Die spektralen Eigenschaften der Nanokompositfilme aus PVC und x % BVO wurden im Bereich von 4000–400 cm−1 analysiert, wie in Abb. 6 dargestellt. Basierend auf der vorhandenen Literatur wurde die starke Infrarotbande bei 616,2 cm−1 beobachtet kann auf die antisymmetrische Streckschwingung aufgrund von VO4 zurückgeführt werden. Darüber hinaus ist die schwache Infrarotbande bei 464 cm−1 eine Folge der Absorption der Bi-O-Bindung. Die bei 1012 cm−1 beobachtete Absorptionsbande, die eine hohe Intensität aufweist, wird der ungeteilten Streckschwingung von V–O zugeschrieben. Ein Schwingungsmodenpeak von V(Bi–O–Bi) wird auch bei 1129,79 cm−1 23,24 beobachtet. Die vorliegende Studie berichtet über die Beobachtung charakteristischer Absorptionspeaks für reines PVC. Insbesondere wurde der CH2-Deformationsmodus bei 1269 cm−1, der -CH-Streckmodus bei 2928 cm−1, der CH3-Streckmodus bei 1440 cm−1, der CH-Rocking-Modus bei 1269 cm−1 und der Trans- C-H-Wagging-Modus bei 957 cm-1, der C_Cl-Streckschwingungsmodus bei 743 cm-1 und der cis-CH-Wagging-Modus bei 620 cm-1 und 693 cm-1. Diese Ergebnisse stimmen mit einem früheren Bericht überein. Die Einführung von BVO-Füllstoffen führte zu einem neuen Peak bei 609 cm−1 im Wachstum des cis-CH-Wagging-Peaks. Eine Erhöhung der BVO-Nanofüllstoffbeladung erhöhte die Intensität des 464,15 cm-1-Peaks. Die bei 2178,8 cm−1 und 1722 cm−1 beobachteten Banden können auf die Ion-Dipol-Wechselwirkungen der BVO-Füllstoffe, der in den Styrolmolekülen vorhandenen aromatischen Ringe oder der –CH2– (Methylen)-Einheiten in PVC-Molekülen zurückgeführt werden1,25 .

FTIR-Spektren von PVC + x % BVO-Nanokompositfilmen.

Abbildung 7 zeigt die Absorptions- und Transmissionsspektren eines PVC + x % BVO-Nanokompositfilms, der im UV-Vis-Wellenlängenbereich von 200–1100 nm hergestellt wurde. Abbildung 7a zeigt die Absorptionsspektren und zeigt, dass sich die Absorption von PVC + x % BVO-Nanokompositfolien mit zunehmender Konzentration von BiVO4-Nanofüllstoffen verbessert. Der Einbau von BiVO4 in die PVC-Matrix hat zu einer breiten, nahezu sichtbaren Bande in den Absorptionsspektren geführt. Dies ist auf die durch das Dotierungsmittel vergrößerte Oberfläche der Mischung zurückzuführen, die wiederum mehr Möglichkeiten zur Absorption von Lichtstrahlen bietet. Das breite Spektralband im Nahbereich weist aufgrund der Komplexierung zwischen dem Polymer und dem BiVO4-Füllstoff eine nahezu gesättigte Tendenz zu längeren Wellenlängen auf. Die beobachteten Absorptionspeaks könnten dem elektronischen Übergang zwischen den Valenz- und Leitungsbändern innerhalb des Wirtsgitters zugeschrieben werden. Die Transmissionsspektren einer Nanokompositfolie bestehend aus PVC und x % BVO sind in Abb. 7b dargestellt. Die reine PVC-Matrix weist eine hohe Transparenz auf, die im sichtbaren Spektrum über 90 % liegt. Bemerkenswert ist, dass die Einarbeitung von BiVO4-Nanofüllstoffen in PVC zu einer rauen Oberfläche geführt hat, die mit zunehmender Konzentration von BiVO4-Nanofüllstoffen zu einem deutlichen Anstieg der Absorption und einer entsprechenden Abnahme der Durchlässigkeit von PVC führte. Die Ergebnisse korrelieren stark mit den FTIR-Messungen26,27.

UV-Vis-Spektren von Nanokompositfolien aus PVC + x % BVO: (a) Absorption (A %) und (b) Transmission (T %).

Es ist bemerkenswert für die Bewertung des Eg der PVC + x % BVO-Nanokompositfilme unter Verwendung des zuvor genannten Ausdrucks.

Die vorherige Formel bezieht sich auf die Bestimmung der optischen Energiebandlücke, wobei B eine Konstante ist, s entweder 1/2 oder 2 für erlaubte direkte bzw. indirekte Übergänge bezeichnet und Eopt die entsprechende Energiebandlücke darstellt.

Abbildung 8 veranschaulicht die Variationen des direkten (αhυ)2- und indirekten (αhυ)1/2-Übergangs bezüglich des (hυ) von PVC + x % BVO-Nanokompositfolien. Das Tauc-Diagramm wurde verwendet, um die Energie zu bestimmen, die erforderlich ist, um ein Elektron vom Valenzband zum Leitungsband zu stimulieren. Die erhaltenen Werte für PVC betrugen 4,11 eV (\({E}_{g}^{dir})\) und 4,142 eV (\({E}_{g}^{ind})\), während die für PVC + 6 % BVO-Nanokompositfilm wurden auf 4,01 eV (\({E}_{g}^{dir})\) und 4,06 eV (\({E}_{g}^{ind})\) reduziert in Tabelle 2 dargestellt. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Untersuchungen überein2.

Variation von (a) (αhυ)2 und (b) (αhυ)1/2 mit (hυ) von PVC + x % BVO-Nanokompositen.

Unter Verwendung der folgenden empirischen Formel muss die Urbach-Energie (Eu) geschätzt werden, um den Grad der Unordnung in den betrachteten Filmen zu bewerten, der durch die Entwicklung lokalisierter Zustände innerhalb der verbotenen Bandlücke verursacht wird8,15:

Das Symbol (αo) stellt einen konstanten Wert dar. Die Urbach-Energiewerte der PVC + x % BVO-Nanokompositfilme können durch Abschätzen der reziproken Steigung der linearen Abschnitte von ln(α) gegenüber (hυ) ermittelt werden. Die geschätzten Werte der Eu-Energie für diese Folien finden sich in Tabelle 2. Die Untersuchung ergab, dass die Werte von Eu einen Anstieg von 78 meV in der reinen PVC-Matrix auf 170 meV in der PVC + 6 % BVO-Nanokompositfolie aufwiesen dotiert mit einer hohen Konzentration an BiVO4-Nanofüllstoffen. Die vorliegenden Ergebnisse bestätigen, dass die Einführung von BiVO4-Nanofüllstoffen in die PVC-Polymermatrix zu einem entsprechenden Anstieg der Bandschwanzenergie führt, was auf eine erhöhte Konzentration lokalisierter Zustände hinweist2.

Die vorliegende Studie verwendet einen Monte-Carlo-N-Teilchen-Transportcode, um den Transport von Elektronen, Neutronen, Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und allen ihren Kombinationen zu simulieren. Der MCNP5-Simulationscode ist ein Strahlungstransportcode, der vom Los Alamos National Laboratory (LANL)28,29 entwickelt und produziert wurde. Um eine MCNP-Simulation durchzuführen, muss die MCNP-Eingabedatei genaue Daten zur Geometrie, Quellkarte und Zusammensetzung (Materialkarte) enthalten. Die im MCNP-Code verwendete Eingabedatei emuliert die geometrischen und kompositorischen Eigenschaften der in Abb. 9 dargestellten Konfiguration. Der NaI(Tl)-Szintillationsdetektor (F4-Tally), der Bleikollimator, die untersuchten Materialien und die von Blei umgebene Abschirmung sind vorhanden sind in den Zell- und Oberflächenkarten hinsichtlich ihrer Dichtewerte, Abmessungen und geometrischen Formen definiert. Gemäß der (SDEF)-Quellenkartendefinition handelt es sich bei der Punktquelle um eine radioaktive Quelle, deren Position, untersuchte Energien und Emissionsrichtung angegeben sind. Die Simulation wurde mit 106 Partikeln unter Verwendung einer NPS-Karte durchgeführt. Die Monte-Carlo-N-Teilchen-Simulation (MCNP) ergibt einen relativen Fehler von unter 1 %. In der vorliegenden Studie wurde die Abschirmwirkung von Nanokompositfolien aus PVC und x % BVO für verschiedene Energien von Ba-133, Eu-152, Co-60 und Cs-137 bewertet. Die Berechnungen wurden mit einem kürzlich entwickelten Online-Tool, Phy-X/PSD 30, durchgeführt.

MCNP-Simulationsgeometrie.

Gemäß den in Tabelle 1 dargestellten Daten weist der PVC + 6 % BVO-Verbundwerkstoff unter den untersuchten Verbundwerkstoffen ein höheres Gewicht auf, ist aber immer noch 83,48 % leichter als Blei. Es wird darauf hingewiesen, dass hergestellte Polymerverbundstoffe im Vergleich zu herkömmlichen Abschirmmaterialien wie Blei 31 eine lobenswerte Schwerelosigkeit aufweisen. Insbesondere erhöht sich die Dichte von 1,448 für PVC-Blank auf 1,875 g/cm3 für PVC + 6 % BVO-Folie. Der beobachtete Trend bei den untersuchten Nanokompositfolien aus PVC + x % BVO deutet auf eine Zunahme der Dichte mit zunehmendem BiVO4-Nanofüllstoff hin. Die Gesamtdichte eines mit Partikeln gefüllten Verbundstoffs kann durch Anwendung der Mischungsregel bestimmt werden, die eine Beziehung zwischen den Dichten der Partikelbestandteile des Verbundstoffs herstellt. Der beobachtete Anstieg der Größenordnung kann auf die vergleichsweise höhere Dichte von BiVO4 zurückgeführt werden, die bei 6,98 g/cm3 liegt, im Gegensatz zur Dichte von PVC, die bei 1,448 g/cm3 32 gemessen wird.

Abbildung 10 zeigt die LAC-Werte (Linear Attenuation Coefficient) für PVC-Verbundproben bezüglich des BiVO4-Gehalts und verschiedener Photonenenergien im Bereich von 0,081 bis 1,408 MeV. Der Anstieg des BiVO4-Gehalts führt zu einem spürbaren Anstieg des linearen Dämpfungskoeffizienten (LAC) aufgrund der Einarbeitung von BiVO4-Pulver in PVC, was sich auf die Absorption von Gammastrahlen auswirkt. Der Einbau von x % BVO in PVC-Nanokompositfolien führt zu einer Erhöhung sowohl des Molekulargewichts als auch der Dichte des Materials. Im Allgemeinen nimmt der lineare Dämpfungskoeffizient (LAC) tendenziell ab, wenn das Energieniveau steigt. Dies kann auf die erhöhte Fähigkeit hochenergetischer Photonen zurückgeführt werden, Materialien zu durchdringen. Die Daten zeigen, dass der lineare Dämpfungskoeffizient (LAC) von reinem Polyvinylchlorid (PVC) einen abnehmenden Trend aufweist, wenn die Energie der einfallenden Gammastrahlen zunimmt. Die LAC-Werte neigen dazu, mit steigendem BVO-Verhältnis zu steigen, wobei der niedrigste (höchste) Wert bei 0,3292 cm−1 (0,0783 cm−1) bei 0,081 MeV (1,408 MeV) für reines PVC und der höchste (niedrigste) Wert liegt von 0,6141 cm−1 (0,1073 cm−1) bei 0,081 MeV (1,408 MeV) für PVC + 6 % BVO-Nanokompositfolie. Die Werte des LAC der PVC + x % BVO-Nanokompositfolien wurden durch zwei unterschiedliche Parameter beeinflusst: die Energie der Photonen und das Verhältnis der BiVO4-Dotierung. Abbildung 10 zeigt einen Trend zur exponentiellen Verringerung der LAC-Werte, wenn sich die Energie der einfallenden Gammaphotonen verbessert. Das beobachtete Verhalten lässt sich auf die drei primären photonischen Wechselwirkungen mit Materie zurückführen, die zuvor untersucht wurden33. Die probabilistische Natur der Wechselwirkung zwischen Materie und Gammaphotonen ist ein wohlbekanntes Verhalten1,2.

Die Variation des LAC von PVC-Folien als Funktion des BiVO4-Gehalts im Energiebereich 0,081–1,408 MeV.

Die Bestimmung der Abschirmwirkung eines Materials erfordert die Messung seines Massenschwächungskoeffizienten, der ein entscheidender Parameter im Zusammenhang mit der Gammastrahlenabschirmung ist. Wie oben erwähnt, quantifiziert der Parameter den Anteil der Gammastrahlenphotonen, die eine Dämpfung durchlaufen, während sie den PVC + x % BVO-Nanokomposit-Dämpfer durchqueren. Abbildung 11 zeigt die MAC-Werte von PVC-Verbundproben (Polyvinylchlorid) bezüglich des BVO-Gehalts in Verbindung mit den entsprechenden Daten für alle Photonenenergien. Die Studie beobachtete einen signifikanten Rückgang der MAC-Werte von Nanokompositen aus PVC + x % BVO sowie einen Anstieg der Gammastrahlungsenergie für bestimmte Gewichtsanteile von BiVO4-Nanofüllstoffen. Die Korrelation zwischen MAC und der Energie von Gammastrahlenphotonen ist von den damit verbundenen partiellen Photonenwechselwirkungen abhängig geworden. Die Energieeigenschaften von MAC können durch die Betrachtung der relativen Bedeutung all dieser partiellen Photonenprozesse aufgeklärt werden34.

Die Variation des MAC von PVC + x % BVO-Nanokompositfolien.

Die probabilistische Varianz hinsichtlich der Wechselwirkung zwischen Gammaphotonen und Materie wurde in drei verschiedenen Energiebereichen untersucht, einschließlich des durch photoelektrische Wechselwirkung (PE) gekennzeichneten Niedrigenergiebereichs. Die aktuelle Forschung zeigt, dass der Absorptionsquerschnitt direkt proportional zur vierten oder fünften Potenz der Ordnungszahlen (Z4 oder Z5) und umgekehrt proportional zur Photonenenergie (E(7/2)) der Bestandteile innerhalb der Nanokompositstruktur ist . Bei Energieniveaus unter 0,2 MeV kann beobachtet werden, dass alle Proben ihre maximalen MAC-Werte aufweisen. Bei Photonenenergien über 0,5 MeV wird das Phänomen der Compton-Streuung (CS) zur vorherrschenden Art der Wechselwirkung. Diese Wechselwirkung ist durch eine proportionale Beziehung zwischen dem Querschnitt und sowohl der Ordnungszahl (Z) als auch der Photonenenergie (E) gekennzeichnet, was zu einer Verringerung der Variabilität der Werte des Massenschwächungskoeffizienten (MAC) führt. Die MAC-Werte gingen als Reaktion auf die steigenden Energieniveaus in der angegebenen Region allmählich zurück. Bei Energieniveaus von mehr als 1 MeV Gammastrahlung ist die Paarproduktion (PP) die vorherrschende Wechselwirkung. Es wird beobachtet, dass eine proportionale Korrelation zwischen dem Wechselwirkungsquerschnitt und sowohl Z2 als auch log E33 besteht.

Bei einem Energieniveau von 81 keV wies die PVC + 6 % BVO-Verbundfolie einen Maximalwert von 0,3275 cm2/g für MAC auf, während die reine PVC-Folie einen Maximalwert von 0,2273 cm2/g aufwies. Die minimalen MAC-Werte, die bei 1408 keV bestimmt wurden, betrugen 0,0572 cm2/g (PVC + 6 % BVO) und 0,05407 cm2/g (PVC).

Tabelle 3 und Abb. 11 zeigen einen konsistenten Anstieg des MAC mit der Zunahme des Gewichtsprozentsatzes von BiVO4-Nanofüllstoffen in den hergestellten Nanokompositen, wie er bei allen untersuchten Gammastrahlen-Photonenenergien beobachtet wurde. Das beobachtete Phänomen könnte auf die homogene Dispersion von BiVO4-Partikeln zurückgeführt werden, die eine hohe Ordnungszahl und Dichte aufweisen. Diese Eigenschaft erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zwischen dem Nanokompositschild und Gammastrahlenphotonen, was zu einer Energieübertragung zwischen ihnen führt. Das gleiche Verhalten wurde in früheren Studien beobachtet2,35,36. Der theoretische MAC wurde mithilfe des Online-Tools Phy-X/PSD berechnet. Die simulierten Ergebnisse des MAC für PVC-Folien, die mit x % BVO-NPs gemischt wurden, erwiesen sich als analog zu denen, die durch die Verwendung von Phy-X/PSD erzielt wurden. Dies weist darauf hin, dass die in Tabelle 3 dargestellten Werte für den MAC konsistent sind.

Zu den weiteren Parametern, die zum Nachweis der Photonenabschirmungskapazität eines Materials herangezogen werden können, gehören die Halbwertsschicht (HVL) und die Zehntelwertschicht (TVL). Die HVL (Halbwertschicht) und TVL (Zehnwertschicht) werden häufig zur Messung der nuklearen Abschirmwirkung eingesetzt. Diese Maßnahmen basieren auf dem Prinzip, dass mit zunehmender Dicke einer Abschirmung die durch sie hindurchtretende Strahlung abnimmt. Konkret ist die HVL als die Dicke einer Abschirmung definiert, die erforderlich ist, um den Strahlungspegel um die Hälfte zu reduzieren, während der TVL die Dicke ist, die erforderlich ist, um den Strahlungspegel um ein Zehntel seines ursprünglichen Wertes zu reduzieren. Die mittlere freie Weglänge (MFP) quantifiziert die typische Distanz, die ein Photon zurücklegt, bevor es mit einem Abschirmmaterial interagiert33.

Die Studie umfasste die Berechnung von HVL, TVL und MFP für PVC + x % BVO-Nanokomposite unter Verwendung von Gammaphotonenenergien im Bereich von 0,081 bis 1,408 MeV. Die Analyseergebnisse sind in Abb. 12 dargestellt. Typischerweise weisen die Variablen eine positive Korrelation auf, die in die gleiche Richtung variiert und entweder gleichzeitig zunimmt oder abnimmt. Die Effizienz der Gammastrahlendämpfung ist direkt proportional zu den Werten von HVL, MFP und TVL bei verschiedenen Photonenenergien. Niedrigere Werte dieser Parameter weisen auf eine größere Wahrscheinlichkeit einer Photonenwechselwirkung mit dem Abschirmmaterial hin, was zu einer effizienteren Dämpfung führt1,16,33.

Variation der (a) HVL-, (b) TVL- und (c) MFP-Werte für PVC + x % BVO-Nanokompositfolien mit ausgewählten Gammastrahlenenergien.

Es wurde beobachtet, dass die HVL-Werte von Nanokompositfolien aus PVC + x % BVO ihr Maximum (am kleinsten) bei 1,408 MeV (0,081 MeV) erreichten, mit entsprechenden Werten von 8,852 (2,106), 8,211 (1,837), 7,539 (1,512) und 6,459 (1,29) cm für x = 0, 1, 3 bzw. 6 %, wie in Abb. 12a dargestellt.

Die Werte der Zehntelwertschicht (TVL) sind in Abb. 12b dargestellt. Hier betrugen die bei der minimalen Gammastrahlenenergie (0,081 MeV) gemessenen Werte 6,994 cm, 6,103 cm, 5,024 cm und 3,749 cm für x = 0, 1, 3 bzw. 6 %. Beim höchsten untersuchten Energieniveau der Gammastrahlen (1,408 MeV) betrugen die erhaltenen TVL-Messungen 29,407 cm, 27,278 cm, 25,044 cm und 21,457 cm für x-Werte von 0, 1, 3 bzw. 6 %.

Die grafische Darstellung in Abb. 12c zeigt eine Korrelation zwischen MFP und Photonenenergie, was darauf hinweist, dass Ersteres von Letzterer abhängt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die steigende Menge an BiVO4-Nanofüllstoffen die Abschirmung von Gammastrahlung im Energiebereich von 0,081 bis 1,408 MeV verbessert. Basierend auf den aufgezeichneten Werten bei 0,081 MeV (1,408 MeV) ergaben die Messungen Ergebnisse von 3,038 cm (12,771 cm), 2,6504 cm (11,846 cm), 2,182 cm (10,877 cm) und 1,628 cm (9,319 cm) für x = 0 , 1, 3 bzw. 6 %.

Somit ist aus Abb. 12 ersichtlich, dass die Werte der Halbwertsschicht (HVL), der Zehntelwertschicht (TVL) und der mittleren freien Weglänge (MFP) erheblich von der Zusammensetzung jedes Nanokompositmaterials im Abschirmmaterial und der Energie beeinflusst werden der Gammastrahlen.

Abbildung 13 zeigte, dass die HVL von PVC + 6 % BVO-Nanokompositfolie mit anderen privaten Arbeiten vergleichbar ist. Außerdem sind die HVL-Werte der Nanokompositfolie aus PVC + 6 % BVO (ρ = 1,875 g/cm3), die bei den Energien 0,662, 1,173 und 1,333 MeV angegeben wurden, niedriger als die HVL-Werte des Epoxidharz + 30 % Bi2O3-Komposits (ρ = 1,34). g/cm3), HDPE + 50 % PbO NPs (ρ = 1,652 g/cm3), gewöhnlicher Beton (ρ = 2,281 g/cm3) und Hämatitbeton (ρ = 2,691 g/cm3), die aufgrund unterschiedlicher Dichte und unterschiedlicher Gehalte variieren Verbundwerkstoff aus verglichenen Schildmaterialien. Es wird ihr Einfluss auf die Strahlungsschwächungsparameter angegeben 32,37,38,39.

Variation der HVL als Funktion der Photonenenergie für die Nanokompositfolien aus PVC + 6 % BVO im Vergleich zu herkömmlichen Abschirmmaterialien.

Der Transmissionsfaktor (TF) ist eine Metrik, die das Verhältnis der Anzahl der Photonen, die ein bestimmtes Material durchdrungen haben (Np), zur Gesamtzahl der Photonen, die darauf eingefallen sind (Ni), quantifiziert. Andererseits ist die Strahlenschutzeffizienz (RPE, %) ein Indikator für den Anteil der in PVC + x % BVO-Nanokompositfolien absorbierten Photonen (Na) an der Gesamtzahl der einfallenden Photonen (Ni).

Der Einfluss hoher Photonenenergie auf den Transmissionsfaktor (TF) und die Strahlenschutzeffizienz (RPE) von PVC + x % BVO-Nanokompositfolien bei einem Probenabstand von 1 cm ist in Abb. 14 dargestellt. Gemäß den in Abb. dargestellten Ergebnissen. 14a zeigt der Transmissionsfaktor (TF) einen stetigen Anstieg mit zunehmender Photonenenergie. Gleichzeitig ist mit zunehmendem Anteil des BiVO4-Nanofüllstoffs ein Rückgang zu verzeichnen. Die TFs bei 0,081 MeV und 1,408 MeV für PVC, PVC + 1 % BVO, PVC + 3 % BVO und PVC + 6 % BVO betragen ungefähr 71,97 % und 92,47 %, 70,97 % und 92,17 %, 68,97 % und 91,55 % und 65,97 % bzw. 90,63 %, mit den niedrigsten und höchsten Werten. Abbildung 14b zeigt eine deutliche Verringerung der RPEs der PVC + x % BVO-Nanokompositfolien bei 1 cm Dicke der analysierten Proben mit zunehmender Photonenenergie, während sie mit einem höheren Anteil an BiVO4-Nanofüllstoff ansteigt. Die RPEs mit den höchsten und niedrigsten Werten liegen bei etwa 28,03 % und 7,53 %, 29,03 % und 7,83 %, 31,03 % und 8,45 % und 34,03 % und 9,37 % bei Energieniveaus von 0,081 MeV und 1,408 MeV für PVC und PVC mit 1 % BVO, PVC mit 3 % BVO bzw. PVC mit 6 % BVO.

Variation von (a) Transmissionsfaktor (TF, %) (b) Strahlenschutzeffizienz (RPE, %) gegenüber der einfallenden Gammastrahlenenergie.

Abbildung 15 zeigt die Änderungen von TF und RPE in Bezug auf die Dicke der untersuchten PVC-Polymer-Nanokomposite bei 0,662 MeV. Die Ergebnisse deuten auf eine Abnahme des TF und einen Anstieg des RPE hin, wenn die Dicke der PVC + x % BVO-Nanokompositfilme zunimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die TF-Werte in reinen PVC- und PVC + 6 % BVO-Proben abnahmen. Konkret sanken die TF-Werte von 98,87 auf 89,23 % für reines PVC und von 98,47 % auf 86,26 % für PVC + 6 % BVO, wenn die Dicke der getesteten Proben zwischen 0,1 und 1 cm erhöht wurde. Im Gegensatz dazu zeigt der RPE einen Anstieg von 1,13 % bis 10,77 % für reines PVC und von 1,53 % bis 13,74 % für PVC mit 6 % BVO, wenn die Dicke der getesteten Proben zwischen 0,1 und 1 cm erhöht wird. Erhöhte Mengen an BiVO4-Nanofüllstoff erhöhen die Molmasse und Dichte der hergestellten PVC + x % BVO-Nanokompositfolien. Mit zunehmender Häufigkeit der Kollisionen zwischen den erzeugten Photonen und den Elektronen im Material nimmt die Zahl der absorbierten Photonen (Na) zu und die Zahl der eindringenden Photonen (Np) ab. Folglich kam es zu einer Verringerung des (Np/Ni)-Verhältnisses, verbunden mit einem Anstieg des (Na/Ni)-Verhältnisses40,41,42.

Beziehung zwischen (TF, %) und (RPE, %) versus PVC + x % BVO-Nanokompositfilmdicke bei 0,662 MeV Energie.

Das Dickenäquivalent (Xeq, cm) bezieht sich auf die Dicke von hergestellten Nanokompositfolien aus PVC + x % BVO, vergleichbar mit einer reinen Bleifolie (ρ = 11,35 g/cm3) mit einer Dicke von 0,5 cm43. Abbildung 16 zeigt die Beziehung zwischen Photonenenergien und Xeq-Werten in Nanokompositfolien aus PVC + x % BVO. Die Xeq-Werte nehmen mit zunehmender Gammastrahlenenergie ab und der Anteil an BiVO4-Nanofüllstoffen steigt. Außer an den Absorptionskanten von Pb, was zu einem Anstieg der LAC-Werte von Pb im Vergleich zu den LAC-Werten von PVC + x % BVO in seinem Energiebereich (0,081–0,1) MeV führt, wachsen die Xeq-Werte, wie bei 0,1218 MeV nachgewiesen, Er erreichte 79,821 cm für reines PVC und 33,515 cm für PVC + 6 % BVO, wie in Abb. 16 dargestellt. Dann, als die einfallenden Gammastrahlenenergiewerte zunahmen, begann Xeq dramatisch zu sinken. Es wird berichtet, dass PVC + 6 % BVO den niedrigsten Xeq aufweist, mit Werten zwischen 21,674 cm bei 0,081 MeV und 2,866 cm bei 1,408 MeV.

Variation der äquivalenten Dicke (Xeq, cm) gegenüber der einfallenden Gammastrahlenenergie.

Die Messung der Werte der effektiven Ordnungszahl (Zeff) und der effektiven Elektronendichte (Neff) wird häufig bei der Erforschung der energieabhängigen Veränderungen von Materialien eingesetzt, um alternative Abschirmungen gegen Strahlungsprodukte zu entwickeln.

Um die Abschirmeigenschaften eines Mehrkomponenten-Verbundwerkstoffs als äquivalentes Element zu bestimmen, muss die effektive Ordnungszahl (Zeff) berücksichtigt werden. Die ermittelten Zeff-Werte hängen von der Ordnungszahl der in der Zusammensetzung vorhandenen Hauptbestandteile ab. Abbildung 17a, b zeigt die Zeff- und Neff-Variationen von PVC + x % BVO-Nanokompositfilmen als Funktion der einfallenden Gammastrahlenenergie. Wie in Abb. 17a dargestellt, stellt sich die effektive Ordnungszahl (Zeff) mit steigender Konzentration von BiVO4 ein, was auf den Einbau von Elementen mit hohen Ordnungszahlen (Bi mit Z = 83 und V mit Z = 23) zurückzuführen ist. Darüber hinaus weist die Energieabhängigkeit von Zeff ähnliche Merkmale auf wie die für MAC33. Der Zeff erreicht aufgrund der Bedeutung des photoelektrischen Effekts tendenziell seine Maximalwerte für Verbundwerkstoffe mit niedrigen Energieniveaus (< 0,2 MeV). Es wurde beobachtet, dass es einen schnellen Anstieg von Zeff gab, als der Prozentsatz des BiVO4-Nanofüllstoffs zunahm, was auf das Vorhandensein der K-Absorptionskante der Bi-Atome (90 keV) zurückzuführen ist. Es wurden signifikante Beobachtungen gemacht, die von 6,68 für PVC bei Eγ = 0,081 MeV bis 10,398 für PVC + 6 % BVO bei Eγ = 0,1218 MeV reichen. Bei mittleren Energien wurde aufgrund der Verringerung des photoelektrischen Effekts und des Einsetzens der Compton-Streuungswechselwirkung ein starker Rückgang beobachtet, der zu einer Verringerung der Zeff-Werte auf bis zu 1,408 MeV führte. Es wurde jedoch beobachtet, dass die Minimalwerte bei Energien zwischen 0,2 MeV und mehr auftraten. Die Werte zeigten leichte Schwankungen und lagen zwischen 5,305 und 6,995 für PVC und PVC + 6 % BVO bei Eγ = 0,6617 MeV.

Variation der (a) Zeff- und (b) Neff-Werte für PVC + x % BVO-Nanokompositfolien.

Abbildung 17b zeigt die Korrelation zwischen dem BiVO4-Gehalt und der effektiven Elektronenzahl (Neff) in Nanokompositfolien aus PVC + x % BVO. Wie Zeff zeigte auch Neff eine entsprechende Reaktion auf den Anstieg der BVO-Konzentration innerhalb der PVC-Polymermatrix, was zu einem deutlichen Anstieg der effektiven Z- und Elektronendichte der hergestellten Nanokomposite führte. Der höchste Neff wurde mit 3,861 × 1023 (Elektronen/g) für PVC bei einem Energiewert von 0,081 MeV und 4,8599 × 1023 (Elektronen/g) für PVC + 6 % BVO bei einem Energiewert von 0,1218 MeV31,33,44 erhalten. 45.

Die vorliegende Untersuchung nutzt PVC-Polymerverbundstoffe als alternative Polymermatrix zur Entwicklung umweltverträglicher Polymer-Nanokomposite. Die Nanokomposite sind mit x % BiVO4 (BVO)-Nanofüllstoffen dotiert (wobei x = 0, 1, 3 und 6 Gew.-%) und werden unter Verwendung der Lösungsgusstechnik für Materialien zur Abschirmung von Gammastrahlung hergestellt. Die Nanokompositfilme aus PVC und x % BVO wurden zur Charakterisierung mithilfe verschiedener Analysetechniken wie Röntgenbeugung (XRD), hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM), Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Rasterelektronenmikroskopie getestet Mikroskopie (SEM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX). Die Verbundproben zeigen mit steigendem BiVO4-Gehalt einen deutlichen Anstieg des Absorptionskoeffizienten und eine Abnahme der Transmission. Außerdem betrugen die für PVC erhaltenen Werte 4,11 eV \(({E}_{g}^{dir})\) und 4,142 eV \({(E}_{g}^{ind})\), während diese für PVC + 6 % BVO-Nanokompositfilm wurden auf 4,01 eV \({(E}_{g}^{dir})\) und 4,06 eV \({(E}_{g}^{ind})\) reduziert. . Das theoretische Programm Phy-X/SPD verifizierte die simulierten Werte des Monte-Carlo-Simulationscodes (MCNP); beide Ergebnisse stimmen überein. Die LAC-Werte neigen dazu, mit steigendem BVO-Verhältnis zu steigen, wobei der niedrigste (höchste) Wert bei 0,3292 cm−1 (0,0783 cm−1) bei 0,081 MeV (1,408 MeV) für reines PVC und der höchste (niedrigste) Wert liegt von 0,6141 cm−1 (0,1073 cm−1) bei 0,081 MeV (1,408 MeV) für PVC + 6 % BVO-Nanokompositfolie. Der Widerstand und die Dämpfungskapazität der hergestellten PVC + x % BVO-Nanokomposite nahmen mit zunehmender Photonenenergie ab und verbesserten sich mit steigendem BiVO4-Gehalt. Bei 0,081 MeV und 1,408 MeV betragen die Übertragungsfaktoren (TF) für PVC, PVC + 1 % BVO, PVC + 3 % BVO und PVC + 6 % BVO ungefähr 71,97 % und 92,47 %, 70,97 % und 92,17 %, 68,97 %. und 91,55 % bzw. 65,97 % und 90,63 %. Außerdem liegen bei Energieniveaus von 0,081 MeV und 1,408 MeV die Strahlenschutzeffizienzen (RPE) mit den höchsten und niedrigsten Werten bei etwa 28,03 % und 7,53 %, 29,03 % und 7,83 %, 31,03 % und 8,45 % sowie 34,03 % und 9,37 % für PVC, PVC mit 1 % BVO, PVC mit 3 % BVO bzw. PVC mit 6 % BVO. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Zusammensetzung Gammastrahlen wirksamer dämpft. Die Forschungsergebnisse legen nahe, dass die Korrelation zwischen dem Photon und dem Material von der Atomdichte und der chemischen Zusammensetzung des Materials abhängt. Die Ergebnisse der Studie bestätigen, dass die erfolgreich hergestellten PVC + x % BiVO4-Nanokomposite potenzielle Anwendungen in der optischen Abschirmung und Strahlungsabschirmung haben.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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MIA Abdel Maksoud

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KI Helal

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Said M. Kassem: Datenkuration, Untersuchung, Methodik, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. MIA Abdel Maksoud: Datenkuration, Untersuchung, Methodik, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. Adel M. El Sayed: Datenkuration, Untersuchung, Schreiben – Originalentwurf. S. Ebraheem: Datenkuration, Supervision. AI Helal: Datenkuration, Überwachung. YY Ebaid: Datenkuration, Überwachung.

Korrespondenz mit MIA Abdel Maksoud.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kassem, SM, Abdel Maksoud, MIA, El Sayed, AM et al. Optische und strahlenabschirmende Eigenschaften von PVC/BiVO4-Nanokomposit. Sci Rep 13, 10964 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37692-y

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Eingegangen: 27. Mai 2023

Angenommen: 26. Juni 2023

Veröffentlicht: 06. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37692-y

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