Développement de l'ultra

Jun 06, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22532 (2022) Citer cet article

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Dans les établissements médicaux, la protection contre les rayonnements est une stratégie efficace pour protéger le personnel médical et les patients contre l'exposition. La réduction du poids du bouclier porté par le personnel médical dans la zone génératrice de rayonnement joue un rôle clé dans l'amélioration de leur productivité et de leur mobilité. Dans cette étude, un nouveau bouclier de rayonnement léger a été développé par électrofilage d'un matériau composite polymère-tungstène pour produire des nanofibres avec une structure à couche mince multicouche similaire à celle d'une aile de papillon morpho. Le blindage fabriqué se présentait sous la forme d'un papier de blindage flexible de 0,1 mm d'épaisseur. La structure multicouche du papier de protection mince a été obtenue par formation de motifs de nanofibres par électrofilage d'une dispersion de particules de tungstène. À 0,1 mm d'épaisseur, le taux de blindage du papier était de 64,88 % à 60 keV. De plus, à 0,3 mm d'épaisseur et disposés en structure feuilletée, le taux de blindage était de 90,10 % et l'équivalent plomb était de 0,296 mmPb. Lorsqu'il est utilisé comme matériau de tablier, le poids peut être réduit de 45 % par rapport aux produits en plomb existants. De plus, le matériau est hautement transformable et peut être utilisé pour fabriquer divers produits flexibles, tels que des chapeaux, des gants, des sous-vêtements et des foulards utilisés dans les établissements médicaux.

La radiographie est une technologie médicale qui transmet les rayons X à travers le corps humain et utilise la différence de densité des substances dans le corps humain pour imager les structures anatomiques1. La pénétration des rayons X est limitée lorsque la densité du tissu est élevée, alors que les tissus de densité relativement faible peuvent être facilement pénétrés2. Ainsi, plus la densité du blindage est élevée, plus il peut être avantageux pour la radioprotection.

Les rayonnements artificiels, tels que les rayons X, ont été développés pour les technologies médicales et industrielles. Cependant, en raison de l'utilisation croissante des dispositifs médicaux, la population générale et les travailleurs médicaux et industriels sont soumis à une exposition accrue aux rayonnements3. Par conséquent, une technologie de défense active contre les rayonnements est nécessaire pour réduire l'exposition. De plus, l'utilisation d'appareils mobiles à rayons X a augmenté en raison de la récente pandémie de COVID-194. La Commission internationale de protection radiologique (CIPR) précise que les rayonnements utilisés dans le domaine médical doivent être utilisés au bénéfice des patients et doivent être optimisés5.

La technologie de protection contre les radiations utilisée dans les établissements médicaux est associée au temps et à la distance6. Des plaques ou des feuilles de plomb constituées de poudre de plomb et d'un polymère, tel que le caoutchouc, sont généralement utilisées comme écrans contre les rayons X7. Cependant, du fait de sa toxicité, le plomb pose des problèmes de saturnisme et d'élimination. Par conséquent, les écrans utilisés dans les établissements médicaux sont de plus en plus fabriqués avec des matériaux sans plomb8. Cependant, la plupart des dispositifs médicaux, des fournitures et des installations qui utilisent des rayonnements utilisent encore du plomb comme matériau de protection. Par conséquent, pour surmonter ce problème, l'utilisation de matériaux sans plomb bon marché et respectueux de l'environnement avec des performances de blindage équivalentes au plomb doit être étendue.

Des matériaux tels que le tungstène, l'oxyde de bismuth, le sulfate de baryum et le bore sont généralement utilisés comme alternatives au plomb9. Compte tenu des performances de blindage, le tungstène est le matériau de blindage écologique le plus utile. En général, les matériaux de blindage de remplacement du plomb doivent être non toxiques, flexibles et traitables. De plus, les matériaux doivent être proposés comme un matériau ayant une excellente affinité avec le polymère à mélanger ou comme un matériau capable de réduire le poids lors de la fabrication d'un bouclier. Les types de boucliers qui peuvent être produits avec ces matériaux de blindage comprennent les plaques, les fibres et les feuilles, et le moulage par pressage ou par injection dans la forme souhaitée est possible en fonction de la technologie du procédé.

Un écran de type fibre est tissé à partir d'un fil imprégné du matériau de protection. Cependant, les performances de blindage sont limitées par les trous d'épingle générés entre les fils pendant le processus de tissage. Par conséquent, les écrans à base de fibres sont principalement utilisés pour protéger contre les rayonnements secondaires (ou diffusés)10. Un bouclier en forme de feuille est fabriqué en mélangeant un polymère et un matériau de blindage, qui est comprimé à l'épaisseur requise. L'élément le plus important de ce processus est la dispersion uniforme du matériau de blindage. Le processus de dispersion du matériau de blindage affecte la reproductibilité des performances de blindage et est difficile à appliquer à la production de masse sans standardisation du processus de production11.

Le blindage en forme de plaque à un seul composant comprend 100 % du matériau de blindage et est fabriqué par le processus de laminage. Lorsque le tungstène est sélectionné comme matériau de blindage lors de la fabrication de plaques à un seul composant, la capacité de traitement de la production est faible en raison de son point de fusion élevé12. Par conséquent, le choix du matériau de blindage pour les blindages à plaques à un seul composant est limité. Ces dernières années, la flexibilité de la plaque a été obtenue en utilisant des matériaux composites et la plaque fabriquée de cette manière a été largement utilisée comme matériau pour des applications telles que les murs de blindage13. Les matériaux pour d'autres applications de protections, tels que les blocs, les protections de seringues et les ouvertures utilisées dans les établissements médicaux, sont fabriqués par moulage par injection en mélangeant un matériau de protection et un polymère14. La miscibilité des particules métalliques avec le polymère est un facteur crucial affectant l'aptitude au traitement et les performances de blindage des matériaux composites.

Un tablier est un bouclier anti-rayons représentatif d'une institution médicale, qui est fabriqué sous forme de vêtements et porté par le personnel médical et les travailleurs. Par conséquent, il doit être fabriqué sous une forme fine et légère pour assurer une mobilité sans contrainte du porteur. Le tablier de protection contre les rayons X actuellement disponible impose une charge physique au porteur car il pèse 2,85 à 3,15 kg pour un produit avec un équivalent plomb de 0,25 mmPb15. La réduction de poids du vêtement de protection peut être limitée car elle est directement liée à la densité et à la masse du matériau de protection. Bien que la mobilité du porteur puisse être améliorée en réduisant l'épaisseur de la feuille, cela réduirait les performances de blindage. Une méthode pour améliorer les performances de blindage est la dispersion contrôlée du matériau de blindage. L'atténuation de l'énergie des rayons X incidents se produit par son interaction avec les particules de matériau de protection, qui peut être augmentée en permettant au rayonnement d'interagir avec un plus grand nombre de particules16. Par conséquent, la technologie de dispersion des particules du matériau de blindage est le facteur le plus crucial en termes de performances de blindage, de réduction de poids et de reproductibilité des performances de blindage, en particulier pour les structures composites à couche mince.

Plusieurs types de structures composites inhabituelles se trouvent dans la nature. Les ailes du papillon morpho sont composées de films minces multicouches de taille microscopique et présentent une disposition régulière. En raison de la structure de surface unique, seule la lumière bleue est réfléchie et les ailes du papillon apparaissent bleues17. Les rides sont repliées sur les piliers gauche et droit avec un intervalle d'environ 700 nm et une hauteur de 2 μm, et l'intervalle entre les rides supérieure et inférieure est d'environ 200 nm18. Dans cette étude, la structure des ailes de papillon a été utilisée comme modèle pour la dispersion des particules dans un écran à rayons X. Le motif a été complété par des chevauchements répétés, similaires à la tuile utilisée pour le toit d'un bâtiment coréen. De plus, pour maintenir la reproductibilité de ce motif, la méthode d'électrofilage a été utilisée pour appliquer la même quantité de matériau de blindage au même endroit. Le matériau de blindage était constitué de particules de poudre de tungstène respectueuses de l'environnement. Même si le tungstène a un numéro atomique de 74 et une densité supérieure à celle du plomb (19,25 g cm−3), une réduction de poids est possible en réduisant l'épaisseur du blindage19. Par conséquent, cette étude vise à évaluer les performances de blindage d'un bouclier avec un motif similaire aux ailes de papillon basé sur ces matériaux.

De plus, cette étude vise à améliorer les performances de blindage en rendant le papier de protection contre les rayonnements aussi fin que possible afin qu'il puisse être utilisé dans une structure multicouche, et en induisant une interaction avec le rayonnement des particules. Le papier de blindage produit peut être utilisé dans une structure laminée souple en raison de son épaisseur réduite. Ainsi, cette étude rapporte une nouvelle technologie de rayonnement médical pour la fabrication de papiers de protection minces utilisant la structure en aile de papillon morpho. De plus, le procédé proposé peut être utilisé pour produire en masse le papier léger de protection contre les rayonnements et améliorer la sécurité des travailleurs médicaux.

Le rayonnement doit être augmenté. La technologie de dispersion des particules du matériau de blindage peut améliorer les performances de blindage en augmentant ces interactions. Par conséquent, pour un milieu composé de particules de polymère et de tungstène, la réduction de l'intensité de l'énergie incidente par son interaction avec une masse par unité de surface du matériau de blindage peut être calculée par l'équation de Beer-Lambert20 :

où \({I}_{0}\) est l'intensité des photons incidents, \(I\) est l'intensité des photons atténués, \(\rho \) (g cm−3) est la densité, et \(\mu \)(cm−1) et \({\mu }_{m}\)(cm2 g−1) sont respectivement les coefficients d'atténuation linéaire et massique. L'épaisseur du blindage, \(d\)(cm), correspond à la distance à laquelle le rayon incident interagit avec les particules du matériau de blindage. Par conséquent, \({d}_{m}\) (g cm−2) est la masse par unité de surface du papier de blindage, et lorsqu'elle est calculée comme l'épaisseur du blindage, elle peut être exprimée en équations. (2), (3):

où \({W}_{i}\) est le rapport de poids du \(i\)ème composant21. Cela implique que le nombre de matériaux de blindage dans l'écran anti-rayonnement doit être plus élevé pour augmenter la masse par unité de surface. Par conséquent, pour améliorer l'effet de blindage avec une augmentation minimale de masse, la surface unitaire du matériau de blindage doit être augmentée. La surface totale de la section atomique \({\sigma }_{a}\)(cm2 g−1) du papier de protection peut être estimée à l'aide du coefficient d'atténuation de masse. En calculant le nombre d'atomes, la densité électronique peut être obtenue comme suit :

où \({N}_{A}\) est la constante d'Avogadro. Par conséquent, la surface de la section transversale des électrons peut être obtenue comme suit :

où \({Z}_{i}\), \({f}_{i}\), \({\mu }_{m}{)}_{i}\) et \({A}_{i}\) sont le numéro atomique, la fraction molaire, le coefficient d'atténuation de masse et le poids atomique du ième composant, respectivement22.

Pour augmenter la dispersibilité des particules de matériau de protection, une nouvelle structure de dispersion a été appliquée pour produire le papier de protection. La dispersion du matériau de blindage a été réalisée pour élargir la surface totale de la section atomique, et la structure en aile de papillon morpho a été sélectionnée comme modèle le plus efficace. La figure 1 montre schématiquement l'utilisation de la structure multicouche de l'aile du papillon morpho pour la protection contre les rayons X.

Vue agrandie de l'aile d'un papillon morpho et de son application au blindage contre les rayons X.

Comme le montre la figure 2, la surface des ailes du papillon morpho se chevauche et, vue de la section transversale, on peut voir qu'elle a une structure à couches minces multicouches. Structurellement, l'épaisseur, l'indice de réfraction de l'aile et la périodicité du réseau sont conçus pour ne refléter que la longueur d'onde bleue23.

Structure élargie de l'aile du papillon morpho.

Les radiographies utilisées dans les établissements médicaux ont les caractéristiques d'un faible taux de roulement et sont très droites. Par conséquent, s'ils sont protégés par un bouclier multicouche similaire à une structure d'aile de papillon morpho, la zone de section transversale de l'unité de collision de photons peut être élargie et l'effet de protection devrait augmenter. Par conséquent, étant donné que le même motif peut être mis en œuvre à travers des nanofibres, à condition qu'un matériau de blindage en tungstène puisse être greffé sur une telle structure, une dispersion structurelle peut être utilisée pour améliorer les performances de blindage.

La structure de blindage proposée contient deux matériaux constitutifs, le tungstène et le polyuréthane. Comme matériau de blindage, du tungstène en poudre (tungstène, W, 99,9 %, < 4 µm, alliages NanGong XinDun spraying Co. Ltd., Chine) a été utilisé. La poudre de tungstène a été broyée pendant 5 min puis séchée dans un four à 60 °C pendant 24 h pour contrôler la taille des particules. Le polymère utilisé avec le tungstène était du polyuréthane (PU, P-7195A, MW 100 000–150 000, Songwon, Corée) qui a été séché dans les mêmes conditions que le tungstène. Le N-diméthylformamide (DMF, 99,5 %, Daejung, Corée) a été utilisé comme solvant pour dissoudre le polymère. Deux solvants ont été utilisés pour préparer le papier de protection ; du chloroforme (95 %, Duksan, Corée) a été utilisé comme solvant médiocre pour contrôler la vitesse de volatilisation du solvant, et du DMF pour dissoudre le polymère. La méthode de préparation de la solution de filage est illustrée à la Fig. 3. Tout d'abord, le tungstène a été placé dans une bouteille en verre de 20 ml. Par la suite, 5,165 g de DMF et 2,785 g de chloroforme ont été ajoutés, dispersés pendant 1 min avec un broyeur à ultrasons et mélangés à l'aide d'un agitateur magnétique (agitateur de laboratoire/plaque chauffante, PC-420, Corning, Mexique) à 600 tr/min. De plus, 2,05 g de PU ont été ajoutés et, après 10 min, la vitesse de l'agitateur a été réduite à 220 tr/min, et le mélange a été poursuivi pendant 12 h ou plus jusqu'à ce que le polymère soit complètement dissous et centrifugé.

Préparation de la solution de filage utilisée pour la production de papier de protection en couche mince.

Pour augmenter la puissance de dispersion du matériau de blindage, l'électrofilage a été maintenu à 10 kV en contrôlant la tension avec une alimentation haute tension (CPS-60K02VIT, Chungpa EMT Co., Corée du Sud), comme illustré à la Fig. étant donné que la capacité et la distance de collecte de la seringue affectent la formation du motif de nanofibres en raison du poids des particules de tungstène, la seringue a été déplacée à plusieurs reprises pour former le motif de nanofibres.

Méthode d'électrofilage pour augmenter le pouvoir de dispersion du matériau de blindage.

Pour reproduire la structure multicouche d'une aile de papillon morpho, une technique d'électrofilage a été appliquée qui a maintenu la même directionnalité. En général, les tapis de nanofibres sont produits en répartissant irrégulièrement les nanofibres sans direction fixe lors de l'étape de collecte24,25. Cependant, si une nanofibre ayant une structure de motif dans une certaine direction régulière est fabriquée, les erreurs résultant de la structure de motif irrégulière peuvent être réduites lorsque le rayonnement traverse le motif interne de la nanofibre26,27. De plus, si un motif de nanofibres régulier est appliqué, la compacité à l'intérieur du bouclier peut être augmentée avec la même quantité de matériau de blindage. Comme le montre la Fig. 5, la structure de l'aile de papillon (Fig. 5a) et la structure du motif polymère (Fig. 5b) se sont avérées correspondre.

Electrospinning du matériau de blindage pour augmenter son pouvoir de dispersion. (a) Images agrandies d'une aile de papillon morpho, et (b) résultat de la mise en œuvre du même motif par électrofilage.

Les conditions finales de dispersion du matériau de protection sont présentées dans le tableau 1. L'électrofilage a été effectué en maintenant la distance entre l'aiguille et la plaque collectrice à 13–15 cm, l'humidité à 25–40 % et la température à 22–25 °C. De plus, 10 ml de la solution d'électrofilage ont été électrofilés à des intervalles de 1 h de 1 ml chacun. Du fait du poids des particules de tungstène dans le matériau composite fabriqué, plus le temps d'électrofilage après agitation est court, meilleure est la dispersion.

De plus, le papier nanofibre a été soumis à un processus de post-traitement trois fois pendant 10 s à l'aide d'une presse à chaud (presse chauffante, DHP-2, Dad Heung Science, Corée du Sud) à une température de 40 ° C et une pression de 3000 psi. Ce processus a été répété cinq fois pour obtenir une feuille de papier de protection en couche mince d'une épaisseur de 0,1 mm. Le papier de protection à couche mince préparé a été observé avec un microscope électronique à balayage à émission de champ (FESEM; S-4800, Hitachi, Japon) pour analyser le degré de dispersion28. Deux critères différents ont été utilisés pour l'observation, à savoir la qualité de la dispersion des particules du matériau de protection et la proximité du motif polymère avec la structure de l'aile du papillon morpho.

L'évaluation des performances de blindage du papier de blindage était basée sur les conditions géométriques illustrées à la Fig. 629. Le rayonnement médical utilisé dans cette expérience a été converti en une énergie efficace, qui est une énergie unique. Par conséquent, pour mesurer la couche de demi-valeur (HVL), la pente a été calculée à partir de la loi du coefficient d'atténuation (\(I={I}_{0}{e}^{-\mu x}\)), et le coefficient d'atténuation linéaire \(\mu \) a été obtenu à partir de cette pente, qui a ensuite été calculée à partir de la HVL à 0,693/μ30. De plus, la table des coefficients d'atténuation massique de Hubbell a été utilisée pour calculer l'énergie effective qui a la même valeur que la HVL correspondant à l'énergie unique de la HVL obtenue ci-dessus31. Le taux de protection du papier de protection a été calculé comme suit : \((1-\frac{W}{{W}_{0}})\times 100\)32, où \(W\) et \({W}_{0}\) sont les doses mesurées avec et sans papier de protection entre le tube à rayons X et le dosimètre, respectivement. De plus, la moyenne de 10 mesures effectuées à l'aide d'un générateur de rayons X (Toshiba E7239, 150 kV-500 mA, 1999, Japon) a été utilisée à cette fin. Le détecteur de dose utilisait une chambre ionique (modèle PM-30, 2019, USA). De plus, pour mesurer avec précision le dosimètre ionisant, le facteur de correction pour la température et la pression atmosphérique a été utilisé après avoir confirmé qu'il était de 1,0 à une température de laboratoire de 22 °C et 1 atm33.

Configuration expérimentale pour évaluer les performances de blindage du papier de blindage.

Le papier de protection à couche mince produit a été fabriqué selon le même processus que la méthode de fabrication du tapis de nanofibres. Sur la base du rapport selon lequel l'effet d'absorption du rayonnement est augmenté lorsque le motif de nanofibres construit à l'intérieur du papier de protection a une certaine directionnalité, la structure du motif des nanofibres a été configurée pour être la même que celle de la structure de l'aile de papillon morpho à travers le processus d'électrofilage. Grâce à cela, la zone de section transversale où les particules de matériau de protection et de rayonnement peuvent interagir peut être agrandie et la densité de la protection peut être améliorée.

La figure 7 montre les micrographies électroniques du papier électrofilé avec la même structure multicouche qu'une aile de papillon morpho. Comme le montre la figure 7, le motif en coupe transversale du papier de protection était similaire à la structure de l'aile de papillon morpho. Le motif multicouche du papier de protection a été filé dans une structure multicouche uniforme en contrôlant la directionnalité pendant l'électrofilage.

Micrographies électroniques de (a) une aile de papillon morpho et (b) le papier électrofilé.

La microstructure du papier de protection est illustrée à la Fig. 8. La directionnalité des nanofibres s'est avérée se croiser. Les tapis de nanofibres préparés auparavant contenant du tungstène ont été mis en œuvre à plusieurs reprises sous la forme de croisements comme un tissu tissé.

Microstructure finale des nanofibres électrofilées.

L'épaisseur du papier de protection flexible, comme le montre la figure 9, était de 0,1 mm. Les caractéristiques physiques du papier de protection sont répertoriées dans le tableau 2.

L'apparence du papier de protection (a) montre la flexibilité du papier de protection, (b) l'apparence du papier de protection fabriqué.

Quant au motif mis en œuvre avec des nanofibres, en général, plus la structure est complexe, plus la perte de nanofibres augmente, il peut donc être difficile de mettre en œuvre le motif dans une forme souhaitée. Cependant, dans cette étude, la distance de rotation a été contrôlée en utilisant le poids des particules de tungstène métallique. La figure 10 montre que les particules de tungstène étaient attachées à l'extrémité de la surface de la fibre en raison du poids des particules, formant ainsi une forme multicouche. Lorsque les particules de tungstène ont subi le traitement de thermocompression dans le processus final, il peut être confirmé que la miscibilité des nanofibres et du tungstène a été améliorée, de sorte que les particules de tungstène ont été uniformément dispersées. La densité était aussi élevée que 2,463 g cm-3, et par unité de surface, elle était de 0,641 kg m-2.

Micrographies électroniques en coupe du papier de protection.

Les performances de blindage du papier de blindage fabriqué ont été comparées à celles d'un blindage en plomb de 0,25 mm. Pour cela, le nombre de couches dans le papier de protection a varié de un à trois, et une main fantôme a été imagée à l'aide de rayons X. Le tableau 3 répertorie les performances de blindage d'échantillons de plomb standard de 0,1 à 0,3 mm (pureté 99,9%). Pour le rayonnement à faible énergie, 0,3 mmPb a montré l'efficacité de blindage la plus élevée de \(\ge \) 99 %.

Considérant que le plomb utilisé dans les tabliers de protection contre les rayons X dans les établissements médicaux est de 0,25 mmPb, la performance de protection du papier de protection développé dans cette étude a été comparée à celle d'une plaque de plomb de 0,25 mm, et les résultats sont présentés dans le tableau 4. Trois feuilles ont été empilées pour obtenir un papier de protection de 0,3 mm d'épaisseur. Les performances de blindage de la plaque de plomb de 0,25 mm et du papier de blindage empilé étaient différentes d'environ 2 % pour toutes les énergies de rayons X efficaces. Le tableau 5 répertorie les performances de blindage des papiers de blindage à une, deux et trois couches. Semblable à l'expérience précédente, les performances de blindage du papier de blindage à trois couches étaient équivalentes à celles de 0,296 mmPb.

Pour vérifier visuellement l'effet de blindage, les résultats d'image aux rayons X de la feuille de plomb et du papier de blindage sont comparés, comme illustré à la Fig. 11, en utilisant un fantôme de main avec le même coefficient d'absorption que celui du corps humain. Comme il ressort de la figure 11, les performances de blindage du papier de blindage à trois couches sont similaires à celles de 0,25 mmPb, ce qui indique qu'il peut être utilisé comme blindage pour des applications médicales.

Images radiographiques d'une main fantôme recouverte (a) d'un papier de protection, (b) de deux papiers de protection, (c) de trois papiers de protection et (d) d'une plaque de plomb de 0,25 mm. (e) Condition de rayons X fantôme.

La protection contre les rayonnements des établissements médicaux devrait donner la priorité à la sécurité de l'exposition des patients et du personnel médical. Cependant, le produit de blindage actuellement proposé crée une gêne dans l'activité de l'utilisateur du fait de son poids. Par conséquent, un produit à la fois léger et respectueux de l'environnement doit être développé. Diverses tentatives ont été faites pour augmenter la densité des matériaux de blindage tout en conservant les mêmes performances de blindage pour la même zone du blindage34. Il est difficile de dépasser la limite de masse car le numéro atomique du matériau de blindage doit être élevé. Cependant, l'épaisseur du bouclier peut être contrôlée grâce à la technologie de dispersion des particules et au processus de fabrication, ce qui peut résoudre le problème de poids dans une certaine mesure.

Dans cette étude, une technologie de dispersion de matériaux de blindage qui maximise l'interaction particules-rayonnement a été étudiée. Lorsque les particules dispersées interagissaient avec le rayonnement incident ou lorsque l'énergie transmise était atténuée en raison de la forte densité du bouclier, l'intensité de l'énergie incidente était atténuée35. Cette étude a été inspirée par la structure des ailes de papillon morpho et a été réalisée dans l'espoir que l'effet de blindage serait supérieur à celui du bouclier de type feuille existant si les particules de tungstène étaient dispersées à l'intérieur de la structure. Si un matériau composite, un matériau qui mélange des particules de matériau de blindage avec un polymère, est utilisé lors de la fabrication d'un bouclier, il y a une limite au contrôle de l'épaisseur du bouclier. Le facteur le plus important pour le contrôle de l'épaisseur est la miscibilité du polymère et des particules de matériau de protection. Une mauvaise miscibilité entraîne l'agrégation des matériaux polymères et de blindage, ce qui rend difficile le contrôle de l'épaisseur et de l'uniformité du blindage36. Dans cette étude, la technologie d'électrofilage a été utilisée pour résoudre ces problèmes, et l'effet de blindage en fonction du diagramme de rayonnement a été confirmé. Par conséquent, la méthode existante de dispersion des particules de tungstène a été combinée à une nouvelle technologie pour réduire l'épaisseur du blindage et améliorer l'effet de blindage.

La production de feuilles de blindage est le processus le plus élémentaire dans la fabrication d'un tablier de blindage, et le contenu du matériau de blindage est d'environ 80 à 85 % en poids lorsqu'il est fabriqué avec une feuille de 0,25 mm à base d'équivalent plomb37. De plus, lorsque le contenu est supérieur à la valeur susmentionnée, un problème se produit dans la résistance à la traction de la feuille. Par conséquent, l'épaisseur fabriquée est maintenue à environ 0,3–0,5 mm. Le poids est d'environ 2,80 à 2,914 kg m-2 et le contenu du matériau de blindage est généralement proportionnel au poids de la feuille. Dans ce procédé de fabrication de feuille, une dispersion uniforme des particules de matériau de protection est difficile parce que les particules ne sont pas disposées uniformément pendant le processus d'agitation du matériau polymère et du matériau de protection. Le poids d'une seule feuille de papier de protection fabriquée dans cette étude était de 0,641 kg m−2 et, lorsqu'il était empilé avec trois feuilles, il était de 1,923 kg m−2. Cela implique que 1 m2 de papier de protection, nécessaire à la fabrication d'un tablier, pèserait environ 2 kg. Par conséquent, par rapport aux tabliers existants, le poids d'un tablier, lorsqu'il est fabriqué avec le papier développé, peut être réduit d'environ 1 kg et peut encore améliorer la mobilité du porteur.

Une réduction supplémentaire de l'épaisseur des vêtements de protection peut être obtenue en utilisant des particules de protection de taille nanométrique. Cependant, lors de la fabrication de fibres de blindage à l'aide de nanoparticules, il est inefficace en termes de coût et présente des limites dans le traitement des matériaux, ce qui rend la production de masse difficile38. Lorsque des nanoparticules de matériau de blindage sont mélangées à des matériaux à base de caoutchouc haute densité, elles peuvent contenir jusqu'à 90 % en poids du matériau de blindage. Cependant, il y a une limite à la réduction du poids du blindage en raison de la forte teneur en matériau de blindage. De plus, lorsque l'écran est fabriqué à l'aide d'un procédé de compression, l'épaisseur de l'écran peut être réduite, mais comme l'écran est fabriqué sous la forme d'un film, il y a un problème de flexibilité. Par conséquent, pour garantir les performances du blindage, il est nécessaire de développer des technologies de production de masse en tenant compte de la flexibilité, de la résistance à la traction, du poids et de la durabilité du blindage39.

Dans le processus présenté dans cette étude, des particules de tungstène et des matériaux polymères ont été mélangés et l'électrofilage a été effectué à l'aide d'une seringue. Si cette technologie de processus est réalisée en installant un grand nombre de seringues, tous les échantillons peuvent obtenir le même effet de blindage, de sorte que la production de masse de blindages et la reproductibilité des performances de blindage peuvent être garanties. De plus, il est efficace en termes économiques, car il peut utiliser des particules de matériau de blindage de taille micro plutôt que des particules de taille nanométrique.

Comme mentionné ci-dessus, les performances de blindage du papier peuvent être contrôlées en modifiant son épaisseur et sa densité peut être contrôlée en modifiant la température et la pression (c'est-à-dire les conditions de filage). Cependant, si une pression et une température excessives sont appliquées pour améliorer l'effet de blindage, le blindage peut perdre sa flexibilité. De plus, le contenu du matériau de blindage peut être augmenté pendant le processus de fabrication du blindage, mais une technique délicate est nécessaire car une différence de densité de blindage se produit en fonction de la distance à laquelle la solution de filature est filée. En particulier, lors de la production de masse de blindages, la conception de ces conditions est plus importante afin de reproduire les mêmes performances de blindage.

En contrôlant les conditions de traitement, une variété de structures adaptées à différentes applications peuvent être produites. Par exemple, le papier de protection peut également être utilisé comme vêtement de protection contre les rayonnements médicaux indirects (rayonnement diffusant) à une distance de 1,5 m de la source de rayonnement. De plus, ce matériau pourrait être utilisé pour fabriquer des produits médicaux tels que des gants chirurgicaux40. Lorsqu'il est utilisé pour la protection contre les rayonnements à faible dose à moins de 100 mSv, le papier de protection pourrait être efficace pour protéger le personnel médical et les patients41. Si un matériau de blindage autre que le tungstène est utilisé, il peut contribuer au développement de produits de protection contre les rayonnements cosmiques nécessaires à la vie quotidienne, tels que les vêtements de protection de l'équipage et les chapeaux pour le blindage de l'aviation. L'épaisseur et le poids du bouclier sont des facteurs importants dans la protection contre le rayonnement cosmique. Les résultats montrent que le matériau développé à l'aide du procédé proposé présenterait un comportement de blindage efficace. Par conséquent, la production de divers vêtements de protection garantissant l'activité de l'utilisateur est possible avec la technologie de processus présentée dans cette étude.

Pour réduire le poids du bouclier anti-rayonnement utilisé dans les établissements médicaux, un papier de protection a été fabriqué à partir de nanofibres avec un motif d'aile de papillon morpho. Lorsque les particules du matériau de blindage sont dispersées selon un motif multicouche, l'épaisseur du blindage peut être réduite tout en augmentant la surface de section transversale de collision de photons, de sorte que l'intensité du rayonnement de particules peut être efficacement atténuée. Par rapport à la feuille utilisée comme matériau pour le bouclier de tablier existant, le poids du papier de blindage fabriqué dans cette étude a été réduit d'environ 45 %. De plus, la performance de blindage d'un empilement de trois feuilles de papier de blindage (épaisseur combinée = 0,3 mm) était similaire à celle obtenue par l'utilisation d'une feuille de plomb de la même épaisseur. Par conséquent, le papier de protection fabriqué par le procédé de cette étude pourrait être utilisé pour développer divers boucliers légers et combinaisons de protection pour les établissements médicaux.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié (et ses fichiers d'informations supplémentaires).

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Département de génie biomédical, École de médecine de l'Université Keimyung, Daegu, Corée

Seon Chil Kim

Département de génie chimique, Université Keimyung, Daegu, Corée

Hongsik Byun

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SCK a conçu et réalisé les expériences, analysé les données et édité le manuscrit. HSB a conçu les expériences et rédigé le manuscrit.

Correspondance à Seon-Chil Kim.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Kim, SC., Byun, H. Développement d'un papier de protection contre les rayonnements ultra-mince grâce à la modélisation en nanofibres de la structure des ailes de papillon morpho. Sci Rep 12, 22532 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27174-y

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Reçu : 03 novembre 2022

Accepté : 27 décembre 2022

Publié: 29 décembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-27174-y

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