Tese de Doutorado

A emissão de radiação ionizante, tal como raios X, radiação gama, dentre outras, está presente no dia a dia do atendimento à saúde ou na indústria e pode afetar a saúde do trabalhador desde que não se tome medidas protetivas com a utilização de barreiras com placa de chumbo. O objetivo do presente estudo é o desenvolver um compósito de fibra de carbono/epóxi e dispersão de trióxido de bismuto (Bi₂O₃) na matriz polimérica para aplicação como barreira de fótons de baixa energia. A metodologia de pesquisa quantitativa é utilizada no desenvolvimento do trabalho. O trióxido de bismuto foi caracterizado por meio dos ensaios de difração de raios X, microscopia eletrônica de transmissão e DLS. A atenuação da radiação dos fótons de baixa energia (25 a 125 keV) foi simulada com o software Topas MC (versão 3.7). As frações mássicas de bismuto (III) utilizadas no compósito foram de 0,100; 0,193; 0,300 e 0,400 (em partículas de escala micro), e de 0,080 e 0,060 (em partículas na escala nano). Para a simulação, a fração em massa de 0,40 de trióxido de bismuto num compósito com espessura de 2,29 mm, em que ocorreu uma atenuação de 89,03% na energia dos fótons, enquanto que para uma atenuação similar foi necessária uma placa de chumbo com uma espessura de 0,34 mm, o que sugere que o compósito teria grande possibilidade de uso no lugar da placa de chumbo. Para a concentração de 30% trióxido de bismuto no compósito, o coeficiente de atenuação em massa representa aproximadamente 36,7% em relação à tal grandeza para o chumbo para a energia de 48 keV, sendo que para as energias de 65, 82 e 119 keV tal relação é de aproximadamente 43,1; 64,8 e 77,6% respectivamente. Ou seja, o compósito objeto de estudo deste trabalho é uma excelente alternativa em relação ao chumbo, material costumeiramente utilizado como barreira à radiação de fótons, principalmente para energias menores que 118 keV de tais, pois o compósito, além de atenuar a radiação de tais fótons de baixa energia, apresenta facilidade em sua produção e um menor impacto ambiental quando comparado ao chumbo. Vantagens adicionais estariam associadas a um peso específico reduzido, custo inferior e facilidade de fabricação. Assim, concluindo, um laminado de compósito de epóxi reforçado com fibra de carbono e com dispersão de trióxido de bismuto é uma excelente opção para barreira a radiação de fótons de baixa energia, quando comparado com placas de chumbo. O laminado, em função de sua densidade menor em comparação ao chumbo, tornaria os EPIs (equipamentos de proteção individual) radiológicos mais ergonômicos, além de não ser carcinogênico e não causar toxicidade à reprodução, ambas vantagens em relação ao chumbo. As aplicações na indústria aeroespacial também parecem promissora.

The emission of ionizing radiation, such as X-rays, gamma radiation, among others, is present in the day-to-day of health care or in industry and can affect the health of the worker as long as protective measures are not taken with the use of lead plate barriers. The objective of the present study is the development of a composite of carbon fiber/epoxy and dispersion of bismuth trioxide (Bi₂O₃) in the polymeric matrix for application as a low energy photon barrier. The aim of this research is the development of epoxy composite laminates reinforced with carbon fiber and dispersion of bismuth trioxide (Bi₂O₃). The quantitative research methodology is used in the development of the work. Bismuth trioxide was characterized using X-ray diffraction, transmission electron microscopy and DLS tests. The radiation attenuation of low energy photons (25 to 125 keV) was simulated with the Topas MC software (version 3.7). The mass fractions of bismuth (III) used in the composite were 0.100; 0.193; 0.300 and 0.400 (in micro scale particles), and 0.080 and 0.060 (in nano scale particles). For the simulation, the mass fraction of 0.40 in a laminate with a thickness of 2.29 mm, promoted an attenuation of 89.03% in the energy of the photons. However, similar attenuation required a lead plate, 0.34 mm thick. For a 30% bismuth trioxide concentration in the composite, the mass attenuation coefficient is approximately 36.7% of that for lead at 48 keV, while for 65, 82, and 119 keV, the ratio is approximately 43.1%, 64.8%, and 77.6%, respectively. In other words, the composite studied in this work is an excellent alternative to lead, a material commonly used as a barrier to photon radiation, especially for energies below 118 keV. Besides attenuating the radiation of these low-energy photons, the composite is easy to produce and has a lower environmental impact compared to lead. Additional advantages include reduced specific weight, lower cost, and ease of manufacture. Therefore, production of the laminate proved to be easier and more economical than the production of the lead plate. In conclusion, an epoxy composite laminate reinforced with carbon fiber and with bismuth trioxide dispersion is an excellent option for barrier to low energy photon radiation, when compared with lead plates. The laminate, due to its lower density compared to lead, would make radiological PPE (personal protective equipment) more ergonomic, in addition to not being carcinogenic and not causing toxicity to reproduction, both advantages over lead. Applications in the aerospace industry also look promising.