X-ışınlarından koruyucu kurşun içermeyen tekstil malzemesi geliştirilmesi
Development of x-ray protective lead free textile material
Yazar: NEBAHAT ARAL YILMAZ
Danışman: PROF. DR. FATMA BANU NERGİS ; PROF. DR. CEVZA CANDAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Dokuma kumaşlar = Woven fabrics ; Polimer kaplama = Polymer coating ; Radyasyon-iyonizan = Radiation-ionizing ; Yüzey kaplama malzemeleri = Surface coating materials

Özet:
Tıbbi alanda teşhis ve tedavi amaçlı olarak kullanılan çeşitli uygulamalardaki radyasyon hem uygulamanın hedefindeki hasta, hem de uygulamayı gerçekleştiren kişinin belirli seviyelerde radyasyona maruz kalmasına sebebiyet vermektedir. Hastalar için radyasyon uygulaması yapılan bölge veya bölgeler dışındaki alanların korunması önemliyken, uygulamayı gerçekleştiren kişi açısından da her uygulamada tekrarlı olarak maruz kaldığı radyasyon seviyesinin en aza indirgenmesi hedeflenmektedir.
Tıbbi alanda kişisel korunma amaçlı olarak kurşun içerikli zırhlama malzemelerinin kullanımı yaygın olmakla beraber, genellikle önlük formunda kullanılan bu giysiler bazı dezavantajlara sahiptir. Formlarına bağlı olarak 10 kilogramlık ağırlıklara ulaşabilen bu giysiler, rutin kullanımlarda kronik bel ve sırt ağrılarına neden olmaktadır. Bununla beraber genellikle toz içerikli polimer tabakalar halinde hazırlanan koruyucu katmanlarda kullanım sırasındaki tekrarlı eğilmeler sebebiyle çatlak oluşumları gözlenmektedir. Bunlara ek olarak kurşun ve kurşun içeren malzemelerin çevresel ve toksik etkileri nedeniyle dünya genelinde kullanımlarından kaçınılmaya çalışılmakta, kullanılan kurşun miktarlarının azaltılması ve kurşuna alternatif malzeme arayışlarına önem verilmektedir. Mevcut sorunlar göz önünde bulundurularak, tez kapsamında tıbbi alanda radyasyon koruması sağlayabilecek, kurşun içermeyen ve mevcut ürünlere göre daha düşük ağırlıklarda, tekrarlı eğilmelere karşı dayanıklı bir tekstil yüzeyi tasarımı oluşturulması hedeflenmiştir.
Tez kapsamında farklı katkı malzemelerinin (tungsten, bizmut, baryum sülfat, kalay, bakır) silikon kauçuk içerisine eklenerek karışımın kumaş yüzeylerine kaplanması sağlanmıştır. Kaplama içerisine eklenen katkıların tiplerinin ve katkıların karışımdaki ağırlıksal ve hacimsel oranlarının, kumaşların radyasyon zayıflatma oranları üzerindeki etkisi incelenmiştir.  Buna ek olarak farklı enerjilerdeki x-ışınlarının ve toplam kumaş kaplama kalınlıklarının zayıflatma oranlarına etkisi gözlemlenmiştir. Tungsten tozlarının öğütülerek nano boyutlara getirilmesi sağlanmış ve tozların tane boyutunun malzeme özellikleri üzerindeki etkisi değerlendirilmeye çalışılmıştır. Deneysel sonuçlardan elde edilen malzeme atenüasyon katsayıları XCOM veritabanı kullanılarak hesaplanan teorik katsayılar ile karşılaştırılmıştır. Malzemelerin radyasyon davranışının yanı sıra farklı kalınlıklarda ve farklı katkı içeriğinde kaplanmış kumaşların eğilme dayanımı ve kumaş katılığı tayinleri yapılmıştır.
Yapılan çalışmalar sonucunda kurşun eşdeğeri korumalar için gerekli kaplama kalınlıkları ve o kalınlıklara denk gelen ağırlıklar hesaplanmıştır. Tüm numuneler içerisinde 100 kV'da %90 koruma sağlayan en ince kumaş kaplaması, kaplama içerisinde hacimsel olarak %20 tungsten içeren numunelerle sağlanabilmekte olup; 0,69 mm kaplama kalınlığı yeterli olmaktadır. Bu kalınlığa denk gelen kaplama malzemesi gramajı da 3232,62 g/m2 olarak hesaplanmıştır. Tungsten tozlarının nano boyutlu tanecikleriyle yapılan çalışmada ise mikro boyutlu tozlara göre nano boyutlu tozların daha üniform bir dağılıma sahip olduğu gözlenmiştir. Aynı hacimsel orana sahip olan mikro ve nano boyutlu toz içeren numunelerde tane boyut ortalaması daha küçük olan nano toz takviyeli numunelerin daha yüksek radyasyon tutuculuk oranlarına ulaştığı görülmüştür. Bu sayede ortalama %12 hacimsel oranda 150 nm toz boyutuna sahip tungsten toz içeren numuneler ölçüldüğünde 100 kV'da %90 koruma için 2836,20 g/m2 kaplama ağırlığının yeterli olduğu görülmüştür.
Tez çalışması kapsamında hedeflendiği üzere kurşun içermeyen ve kurşun eşdeğeri koruma sağlayabilen kaplanmış kumaş formunda, giyilebilir malzemeler geliştirilmesi mümkün olmuştur. Kaplamadaki radyopak toz katkı tipi, malzeme bileşen oranları ve toz tane boyutu değişkenleri üzerinden denemeler yapılarak ağırlık ve kalınlık kazancı sağlanabilmiştir. Yapılan fiziksel testler sonucu kaplanmış kumaşların eğilmelere karşı dayanıklı olduğu da görülmüştür. Bu sayede kurşun içermeyen, tıp alanında kullanılan x-ışınlarına karşı istenilen korumaları sağlayabilecek, kullanım ve giyim özellikleri geliştirilmiş bir tekstil malzemesi geliştirilmesi mümkün olmuştur.

Abstract:
Radiation used in medical applications with the aim of diagnosis and therapy affects both the patients and the physicians at particular levels. Protection from direct and indirect scattered radiation has a major importance on minimization the negative effects of radiation on human health by considering the annually dose limits. The aim of the personal radiation protection is to preserve the parts of patient's body which are out of the target area and to minimize the radiation level that has a repetitive impact on the physicians.
The personal radiation protection clothing used in medical application areas which are generally aprons formed from polymer sheets with lead content that has several disadvantages. The heavy weights of these lead aprons that can reach nearly 10 kg depending on type, can cause chronicle waist and back pains especially in long time usage. Furthermore, the formation of cracks and holes on sheets in shielding equipment is another concern due to folding and incorrect hanging after use, which decreases the protection level dramatically and makes the equipment unusable.  In addition to that, investigation on alternative materials to lead and lead based materials is an important research area because of the high toxicity and unfavourable environmental effects of lead. From this point of view, the aim of this thesis is to develop a new textile based protective and light-weight material with high flexural resistance for personal x-ray protection during medical applications.
Polymer composites have become promising candidates for developing materials that can be utilized for protection against photon or particle radiation. Most polymers are transparent to x-rays and recent studies have focused on developing processes that incorporate radiopaque powders into polymer sheets for effective shielding. 
In this study, the idea of developing environmentally friendly x-ray shielding material with the integration of minerals and metals in polymer coating on textile surface is extended with theoretical modelling and focusing on the required x-ray protection in medical applications. We aimed to develop polymer compositions against x-ray radiation by reinforcing the structure with textile materials with taking into consideration the conditions of usage and clothing behaviour of the materials. For the protective material development process, radiopaque powders (i.e. tungsten, barium sulphate, bismuth, tin, copper powders) were used as additives in polymer compositions (with different volume ratios) and were applied on woven fabrics by using the coating technique. The x-ray protection and flexural properties of the materials were investigated with the aim of reaching both adequate protection levels with metal powder additives and satisfying physical properties.

Silicone rubber coating with the content of radiopaque additives was directly applied on textile surface using relevant conventional textile technologies. Tungsten, barium sulphate, bismuth, tin, and copper powders with recognized shielding abilities were used as additives against x-rays. The cotton fabrics were coated with silicone rubber that contains radiopaque powders in different weight and volume fractions to investigate the effect of the content ratios in coating on x-ray attenuation ratios. The attenuation ratios of the samples were measured at different x-ray tube voltages (30 kV, 80 kV, 100 kV, and 150 kV) in accordance with medical protection standards. Using the theoretical models, the thicknesses required for 90%, 95%, and 99% attenuation ratios at 100 kV level were also estimated for the materials and the required coating weights were calculated.
The results showed that, at 60% weight ratio, 1.55 mm bismuth embedded coating can attenuate 90% of x-ray photons at 100 kV level while the required thickness of tungsten embedded coating is 1.73 mm for same protection level. At the same weight ratios bismuth-silicone rubber blend reached better attenuation ratios per thickness in comparison with tungsten and barium sulphate powder - silicone rubber blends. On the other hand, at same additive volume ratios the tungsten additives in silicone rubber coating had better attenuation ratios than the samples that contain tungsten-tin, bismuth, and tungsten-copper. Moreover, the increment of tungsten volume ratios in coating blend resulted in higher shielding performance at same effective thicknesses and the lower silicone rubber amount in coating lead to compose thinner and lighter fabrics for equal protection level. To obtain a 90% protection level, 1.73 mm of coating is needed for the blend with 8% tungsten volume ratio whereas for the same level of x-ray shielding 1.14 mm of coating with 12% tungsten volume ratio and 0.69 mm of coating with 20% tungsten volume ratio would be satisfactory. This suggests that lowering the ratio of silicone rubber amount in a blend causes nearly 60% reduction in thickness, which in turn makes possible to develop thinner (or lighter) fabrics having the required protection level.
The higher amount of tungsten in the coating gives rise to lighter weights for the same protection level (90% and 95%), where the weight of coating with 20% tungtsen volume ratio is 3232.62 g/m2 and that of the coating with 8% tungsten is 4419.48 g/m2. Silicone rubber has nearly no shielding ability against x-rays and therefore the higher ratios of metals, together with the lower ratios of silicone rubber in the mixture, facilitate to increase the shielding ability of the coating. However, the results showed that the reduction in the weights was not as high as the reduction in thicknesses, because of the higher densities of the coating materials that have higher metal additive ratios. As a result, in order to design wearable clothing from these materials, both the weight and the thickness of the coating should be considered when determining the material volume ratios.
The flex resistance and the flexural rigidity of the samples with tungsten content were also investigated. The coated fabrics with different powder loadings and thicknesses showed good resistance against repetitive folding; on the other hand, the results showed that the increment of tungsten amount in the coating resulted in stiffer fabrics. Consequently, the results suggested that the amount of the additive in the coating composition and the coating thickness are critical for both x-ray attenuation and the flexural properties. For the same protection level the required thickness and the weight of the samples with tungsten at 20% volume ratio in the coating composition (i.e., the sample with the highest tungsten volume ratio used in the study) are lower than those of the other compositions (i.e., 8% and 12% volume ratios). On the other hand, higher tungsten amount in the coating resulted in higher fabric stiffness values. Hence, it can be stated that the parameters like the volume ratio and the coating thickness should be determined by considering both attenuation and flexural properties to achieve the required protection.
In the last section of the thesis the effect of additive particle size in coating on x-ray shielding performance of the coated fabrics was investigated. The coated fabrics with nano sized tungsten additives (average size: 150 nm and 300 nm) can attenuate more radiation than the samples which were composed of micro sized powders. Besides the samples with lower average particle size has the highest attenuation ratios at each tube voltage levels. In conclusion, our results indicated that the particle size of tungsten additives in textile coating has an effect on x-ray shielding performance which possibly stems from the more uniform particle distribution of tungsten powders in coating.