Elektromanyetik radyasyon zırhlama uygulamaları için farklı metal tuz takviyeli polimer esaslı kompozit malzemelerin geliştirilmesi
Development of composite materials with different metal salts fillers and polymer matrix for electromagnetic radiation shielding applications
Yazar: EZGİ EREN BELGİN
Danışman: PROF. DR. GÜLASİYE AYÇIK
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Günümüzde gelişen teknoloji ile birlikte İEMR kullanımı hayatımızın vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. İEMR'nin zararlı etkilerinden korunmak için radyasyon kaynağının uygun bir malzeme ile zırhlanması gerekir. Ancak yaygın olarak kullanılan İEMR zırhları olan kurşun ve beton esaslı malzemelerin yüksek toksitite (kurşun) veyoğunluk, düşük elastikiyet gibi kendilerine özgü dezavantajları vardır. Bu sebeple kullanım alanları sınırlı kalmakta veya kullanım zorlukları yaşanmaktadır. Tez çalışmamızın amacı iyonlaştırıcı elektromanyetik radyasyon (İEMR) zırhı uygulamalarında kullanılmak üzere mevcut zırh malzemelerinin bu dezavantajlarını giderecek hafif, esnek ve toksik olamayan yeni nesil zırh malzemesigeliştirilmesidir.
Tez çalışması kapsamında polimerik esaslı olup takviye malzemeleri ile İEMR zırhlama performansları arttırılmış kompozit malzemeler üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Böylece polimer malzemenin hafiflik, esneklik, kolay işlenebilirlik-şekillendirilebilirlik özellikleri ve metal tuzu-seramik malzemelerin toksik olmama, yüksek İEMR zırhlama performansı özellikleri tek bir malzemede harmanlanarak kurşuna alternatif olabilecek yeni İEMR zırh malzemeleri üretilmesi hedeflenmiştir.
Yapılan optimizasyon çalışmaları ve denemeler ışığında kompozit esası olarak izoftalik polyester, takviye malzemeleri olarak dakurşun(II)oksit, tungsten(VI)oksit, demir(II,III)oksit, bor karbür, silisyum karbür ve tungsten(IV)karbür belirlenmiştir. %10-%50 takviye yükleme oranlarında üretilen kompozitlerinperformans testleri farklı enerjideki İEMR'nin madde ile farklı etkileşim mekanizmaları göz önüne alınarak gama spektrometrik olarak tamamlanmış ve sonuçlar düşük, orta ve yüksek olmak üzere üç enerji bölgesinde toplam on farklı enerji için irdelenmiştir. Ayrıca kompozitlerin yapısal-ısıl-mekanik karakterizasyon testleri de gerçekleştirilmiştir.
Tüm kompozitler için takviye yükleme miktarı arttıkça performansın arttığı, ancak bu artışın İEMR etkileşim mekanizmalarının doğasına uygun olarak düşük enerji bölgelerinde daha keskin, orta ve yüksek enerji bölgelerinde ise daha yumuşak olduğu görülmüştür. Yapılan performans testlerinde, İEMR'nin en yaygın kullanıldığı tıp alanında kullanıma uygun (maksimum 125 keV İEMR enerjisi) kompozitin aynı kalınlık için kurşunla aynı performansı gösterdiği ve kurşundan ~5,3 kat daha hafif olduğu bulunmuştur. Çalışma sonuçlarından hareketle, farklı kullanım alanları için kurşuna alternatif olarak önerilebileceken yüksek performansı gösteren kompozitler belirlenmiştir. Kurşunla aynı zırhlama performansını gösteren bu kompozitler düşük, orta ve yüksek enerji bölgeleri için kurşundan sırasıyla ~1,5, ~1,3 ve ~1,8 kat daha hafiftir. 
Çalışma kapsamında yapılan SEM-EDS çalışmaları kompozitlerin homojen şekilde üretildiğini gösterirken FTIR analizleri esas ve takviye malzemeleri arasındaki etkileşim hakkında bilgi edinilmesini sağlamıştır. Ayrıca ısıl karakterizasyon testleri ile kompozitlerin servis sıcaklığı 100oC olarak belirlenmiştir.
Geliştirilenkompozitler hem mobil, hem durağan hem de giyilebilir yeni nesil hafif İEMR zırhları üretimi için kurşuna alternatif olabilecek üstün özellikli malzemelerdir. Bu malzemelerin performanslarının takviye yüzey modifikasyonu ile daha da arttırılabileceği düşünülmektedir. Kompozit esası olarak termoplastik bir polimer kullanılması durumunda esnek-giyilebilir zırh üretiminin mümkün olacağı da düşünülmektedir.

Abstract:
In the recent years, IEMR usage became an inseparable part of our lives by developed technology. IEMR source has to be shielded by an appropriate shield for protection from harmful effects. However, the most widely used IEMR shields; lead and concrete have characteristic disadvantages as high toxicity (lead), density and low flexibility. Thus their usage areas are limited and they have difficulties of use. Aim of this thesis is development of a novel, light weight, flexible and nontoxic shielding material to eliminate disadvantages of existing ionizing electromagnetic radiation (IEMR) shield materials.
In this study, polymeric based composite materials that are reinforced to increase IEMR radiation attenuation performances were produced and characterized. Thus it is aimed to develop novel IEMR shield materials by combining polymer's properties as; lightness, flexibility, easy processibility-formability and metal salt-ceramic's properties as non-toxicity, high attenuation performance for an alternative IEMR shielding material.  
Isophytalic polyester was chosen as composite matrix and lead(II)oxide, tungsten(VI)oxide, iron(II,III)oxide, boron carbide, silicon carbide and tungsten(IV)carbide were chosen as composite filler materials after optimization studies and experiments. The composites that were produced by 10%-50% filler loading values were gamma spectrometrically analyzed at ten different energies within three different energy regions as low, intermediate and high since interaction mechanisms of IEMR with matter differs due to IEMR energy. Structural, thermal and mechanical characterization of the composites were also performed. 
Performances of the all composites were increased with increasing filler loading but this increment was more sharp for low IEMR energies than intermediate and high IEMR energies as it is expected because of the different dominant interaction mechanisms of IEMR and matter. According to the performance results it was reported that; the composites suggested for the most widely IEMR usage area-medical field (maximum 125 keV IEMR energy) was showed the same performance with lead with ~5,3 times lighter weight. Several composites were also suggested for different usage areas and when their performances were reached to lead they were still ~1,5, ~1,3 and ~1,8 times lighter than lead at low, intermediate and high energy regions, respectively.
In the study SEM-EDS studies showed that the composites were produced homogenous while FTIR studies gave information about the nature of the interaction between matrix and filler particles. The service temperature of the composites was also determined as 100oC by thermal characterization tests.
Suggested composites are superior materials that could be alternatives of lead shields for mobile, stable and wearable shielding. Performances of the composites could also be increased by surface modification of the filler particles. On the other hand, more comfortable, wearable-flexible shields could be produced if thermoplastic matrixes are used.