Radyasyon zırhlama özellikleri yüksek alçı levha kağıt ve kartonu üretiminin araştırılması
Investigation of gypsumboard paper and cardboard production with high radiation shielding properties
Yazar: TAMER SÖZBİR
Danışman: PROF. DR. AHMET TUTUŞ
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, atık kağıtlardan nükleer teknolojide önemli bir rol oynayan radyasyon zırhlama özelliği kazandırılmış alçı levha kağıt ve kartonların üretimi amaçlanmıştır. Atık kağıtlardan kolemanit, boraks ve uçucu kül dolgularıyla radyasyon zırhlama özelliği kazandırılmış 130, 150, 160 ve 180 g/m² gramajların da kağıt ve kartonlar üretilmiştir. Üretilen kağıt ve kartonlara fiziksel, mekaniksel ve optik özellikleri belirlenmiş ve ardından radyasyon soğurma testleri uygulanmıştır.
En yüksek yoğunluk artışları 180 g/m² kartonda gözlemlenmiştir. En belirgin yoğunluk artışı uçucu kül ile sağlanmıştır. Dolgu maddesi kullanımı kağıt ve kartonların kalınlığını %2 ila %8 oranında azaltmıştır. Mekanik özellikler açısından, dolgular genel olarak kağıt ve kartonların yırtılma, patlama ve scott bond dayanımlarını azaltmıştır. Yapılan istatistiksel analiz sonucunda, en iyi mekanik dayanım kolemanit dolgusu ile sağlanırken, boraks ve uçucu kül dolgulu kağıt ve kartonlar daha düşük performans göstermiştir.
Radyasyon soğurma özellikleri bakımından, Cs-137 ve Co-60 gama radyoizotop kaynakları kullanılarak transmisyon yöntemiyle yapılan deneyler, boraks, kolemanit ve uçucu kül dolgulu kağıt ve kartonların radyasyon soğurma yetenekleri belirlenmiştir. Çeşitli enerji seviyelerinde sunulan HVL (Yarı Değer Kalınlığı), LAC (Doğrusal Zayıflatma Katsayısı), MAC (Kütle Zayıflatma Katsayısı), MFP (Ortalama Serbest Yol) ve TVL (Ondalık Değer Kalınlığı) değerleri, radyasyonun farklı materyaller tarafından ne kadar etkili bir şekilde zayıflatıldığını göstermektedir.
Çalışmada kullanılan kolemanit, boraks ve uçucu kül dolgularından, özellikle %20 boraks içeren 150 g/m² ve 160 g/m² gramajlarındaki kağıt ve kartonlar, HVL, LAC, MAC, MFP ve TVL parametrelerinde en iyi ve yüksek sonuçlar vermiştir. Kolemanit bazlı materyaller, 1173 keV enerji seviyesinde özellikle HVL ve LAC değerlerinde en iyi performansı sergilemiştir. Uçucu kül bazı parametrelerde iyi performans gösterse de genellikle boraks ve kolemanit bazlı materyallerin gerisinde kalmıştır.
Sonuç olarak, dolgu malzemesi olarak kolemanit, boraks ve uçucu kül kullanılması kağıtların radyasyon soğurma özelliklerini artırmıştır. Bu çalışmanın bulguları, radyasyon zırhlama özellikli kağıt ve karton malzemelerin üretiminde, dolgu maddesi kullanımının önemli ve etkili olduğunu göstermektedir.

Abstract:
In this study, the production of gypsumboard paper and cardboard with radiation shielding properties, which play a significant role in nuclear technology, was aimed using waste paper. Paper and cardboard with basis weights of 130, 150, 160, and 180 g/m² were produced by incorporating colemanite, borax, and fly ash fillers into waste paper to impart radiation shielding properties. The physical, mechanical, and optical properties of the produced paper and cardboard were determined, followed by radiation shielding tests.
The highest density increases were observed in the 180 g/m² cardboard. The most significant density increase was achieved with fly ash. The use of fillers reduced the thickness of the paper and cardboard by 2% to 8%. In terms of mechanical properties, the fillers generally decreased the tear, burst, and Scott bond strengths of the paper and cardboard. Statistical analysis showed that the best mechanical strength was achieved with colemanite filler, while borax and fly ash fillers exhibited lower performance.
Regarding radiation shielding properties, experiments using Cs-137 and Co-60 gamma radioisotope sources through the transmission method determined the radiation shielding capabilities of paper and cardboard filled with borax, colemanite, and fly ash. Various energy level parameters such as HVL (Half-Value Layer), LAC (Linear Attenuation Coefficient), MAC (Mass Attenuation Coefficient), MFP (Mean Free Path), and TVL (Tenth-Value Layer) were presented to demonstrate the effectiveness of radiation attenuation by different materials.
Among the colemanite, borax, and fly ash fillers used in the study, especially paper and cardboard with 20% borax content and basis weights of 150 g/m² and 160 g/m² showed the best and highest results in HVL, LAC, MAC, MFP, and TVL parameters. Colemanite-based materials exhibited the best performance in HVL and LAC values, particularly at an energy level of 1173 keV. Although fly ash performed well in some parameters, it generally lagged behind borax and colemanite-based materials.
In conclusion, the use of colemanite, borax, and fly ash as fillers increased the radiation absorption properties of the papers. The findings of this study indicate that the use of filler materials is significant and effective in the production of paper and cardboard materials with radiation shielding properties.