Çinko borat katkılı polimer kompozit zırh malzemelerin üretilmesi ve özelliklerinin incelenmesi
Production of zinc borate reinforcement polymer composite shielding materials and determination of their properties
Yazar: TOYGAR ÇARDAK
Danışman: PROF. DR. SONGÜL AKBULUT ÖZEN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Gama radyasyonu = Gamma radiation ; Nötron zırhlama = Neutron shielding ; Polimer kompozitler = Polymer composites

Özet:
Teknoloji dünyasındaki gelişmeler, radyasyonun birçok alanda yaygın olarak 
kullanılmasını sağlamıştır. Bu sebepten dolayı, radyasyonun faydaları ile birlikte 
zararları da ortaya çıkmıştır. Radyasyondan yararlanırken zararını da en aza indirme 
ihtiyacı birçok araştırmanın başlığına konu olmuştur. Radyasyondan korunmak için 
çok sayıda yöntem vardır. Radyasyon zırhlama korunmak için en önemli yöntemlerin 
başında gelir. Radyasyonun çeşidine bağlı olarak zırhlama malzemeleri de çeşitlilik 
arz etmektedir. Malzemenin yoğunluğu, toksik özellik gösterip göstermemesi, 
hafifliği, esnekliği, maliyeti ve kolay elde edilebilir olması gibi özellikleri zırhlama 
malzemesi seçiminde etkilidir. Malzemelerin bu vasıflarından hareketle yola 
çıkılarak literatürde üzerinde çalışılan seramik, cam, çelik, beton ve polimerler 
sınıfından pek çok malzeme mevcuttur. Bu çalışmada ise çinko borat katkılı polimer 
kompozitlerin nötronlar ve gama ışınlarına karşı zırhlama özelliği araştırılmak 
istenmiştir. Çalışma kapsamında termoplastik poliüretan (TPU) malzemeye sırasıyla 
%5, %10, %20, %30, %40 ve %45 oranlarında çinko borat ve polipropilen (PP) 
malzemeye ise sırasıyla %5, %10 ve %20 oranlarında çinko borat katkılandırılmıştır. 
Numunelerin kütle azaltma katsayıları sırasıyla 31, 59,5, 81, 276, 302, 356, 384, 
661,6 1172 ve 1332 keV enerji değerlerinde hem deneysel hem de XCOM programı 
ile teorik olarak hesaplanmıştır. Nötron doz ölçümlerinden faydalanılarak deneysel 
makroskopik tesir kesitleri hesaplanmıştır. Ayrıca numunelerin çekme dayanımı, 
elestisite modülü ve kopma uzaması gibi mekanik özellikleri test edilmiştir. Elde 
edilen sonuçlar hem TPU hem de PP örnekleri için 31, 59,5 ve 81 keV enerji 
değerlerinde artan katkı oranı ile kütle azaltma katsayılarının arttığı gözlenmiştir. 
Enerjinin artan değerlerinde çinko borat oranının artmış olmasının kütle azaltma 
katsayıları bakımından çok anlam ifade etmediği görülmüştür. Genel olarak nötron 
doz transmisyonu değerlerinin artan numune kalınlığı ve artan katkı oranına bağlı 
olarak azalma eğiliminde olsa da katkı maddesinin homejen olmayan dağılımına 
atfedilebilecek anomalilerin oluştuğu net bir şekilde gözlenmektedir. Öte yandan 
artan katkı oranına bağlı olarak çekme dayanımı ve kopma uzaması gibi numunelerin 
mekanik özellikleri azalış gösteriken, elastiklik modülünün artış gösterdiği 
gözlenmiştir. Sonuç olarak gerçekleştirilen analiz ve testler göstermiştir ki; çinko
borat katkılı TPU ve PP örneklerinin nötronlar ve x-ışınları/düşük enerjili gama 
ışınları için alternatif bir zırh malzemesi olabilme potansiyeli vardır.

Abstract:
Advances in the world of technology have enabled the widespread use of 
radiation in many areas. Though there are important benefits of radiation in 
different fields, its harms need to be addressed equally. The need to 
minimize the damage due to radiation has been the subject of many 
research. Radiation shielding materials are one of the most important 
subjects in this regard. Depending on the type of radiation, shielding 
materials may also vary. Properties such as density, non-toxicity, lightness, 
flexibility, cost and easy availability of the material are effective in the 
selection of shielding materials. There are various materials that could be 
considered as shielding materials such as ceramics, glass, steel, concrete 
and polymers. In this study, the goal was to investigate the shielding 
properties of zinc borate added polymer composites against neutrons and 
gamma rays. Within the scope of the study, 5%, 10%, 20%, 30%, 40% and 
45% zinc borate was added to thermoplastic polyurethane (TPU), and 5%, 
10% and 20% zinc borate was added to polypropylene (PP), respectively. 
The mass absorption coefficients of the samples were calculated both 
experimentally and theoretically with the XCOM software at energy values 
of 31, 59.5, 81, 276, 302, 356, 384, 661.6, 1172 and 1332 keV. 
Experimental macroscopic cross sections were calculated using neutron 
dose measurements. In addition, mechanical properties such as tensile 
strength, modulus of elasticity and elongation at break were also tested. The 
obtained results showed that the mass absorption coefficients increased 
with increasing zinc borate ratio at 31, 59.5 and 81 keV energy values for 
both TPU and PP samples. No significant effect was observed in terms of 
absorption coefficients at higher energy values. Although the neutron dose 
transmission values did decrease due to increasing sample thickness and 
increasing zinc borate ratio, the reason behind the anomalies at higher 
energy levels were thought to be the result of inhomogeneous zinc borate 
distribution in the polymer material. On the other hand, it was observed that 
the tensile strength and elongation at break characteristics of the samples
decreased, while the modulus of elasticity increased with increasing zinc 
borate ratio. As a result, the analyses and tests carried out showed that zinc 
borate doped TPU and PP samples have the potential to be used as 
shielding material for neutron, x-rays and low-energy gamma ray radiation.