DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38733-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41760718
تاريخ النشر: 2026-02-27
المؤلف: Mona M. Khalil وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات النانوية البوليمرية وخصائصها
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تحسين خصائص مطاط السيليكون (SR) من خلال دمج جزيئات خبث الحديد المهدر بحجم الميكرو والنانومتر مع ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂). تم قياس معامل التوهين الخطي (LAC) عبر نطاق طاقة الفوتون من 0.0595 إلى 1.332 ميغا إلكترون فولت باستخدام كاشف الوميض NaI (Tl). تشير النتائج إلى أن زيادة تركيز TiO₂ يحسن قيم LAC، حيث تتفوق الحشوات بحجم النانو على نظيراتها بحجم الميكرو. تم التحقق من النتائج التجريبية مقابل التوقعات النظرية من برنامج XCOM، حيث أظهرت انحرافًا نسبيًا يتراوح بين 0.5% إلى 3% للعينات بحجم الميكرو. أكدت التحليلات الشكلية عبر المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) على حجم النانو والتوزيع المتجانس للحشوات، بينما أظهرت التحليلات الحرارية (TGA) تحسين الاستقرار الحراري مع زيادة تركيزات الحشوات.
تخلص الدراسة إلى أن دمج TiO₂ وخبث الحديد المهدر يحسن بشكل كبير الخصائص الهيكلية والحرارية وخصائص درع الإشعاع لمركب مطاط السيليكون. من الجدير بالذكر أن معامل التوهين الكتلي (MAC) يزيد مع تركيزات الحشوات الأعلى، خاصة للحشوات بحجم النانو، بينما تنخفض معايير مثل المسار الحر المتوسط (MFP) وطبقة نصف القيمة (HVL) وطبقة القيمة العشرية (TVL)، مما يشير إلى تحسين فعالية الحماية. كشفت تحليل عوامل تراكم الطاقة (EBF) عن قيم أعلى في منطقة الطاقة المتوسطة، حيث أظهرت العينة STS0 أعلى EBF. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن هذه المركبات هي مرشحة واعدة لتطبيقات درع الإشعاع.
الطرق
في هذه الدراسة، تشمل المواد المستخدمة مطاط السيليكون وثاني أكسيد التيتانيوم، المأخوذة من مورد تجاري في مصر. بالإضافة إلى ذلك، يتم الحصول على خبث الحديد من شركة EZZ Steel في الإسكندرية، ويعمل كحشوة داخل مصفوفة مطاط السيليكون. تم تحليل التركيب العنصري لمسحوق خبث فرن القوس الكهربائي (EAF) باستخدام مطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، مع تلخيص النتائج في الجدول 1. يبرز هذا النهج المنهجي دمج المنتجات الثانوية الصناعية في تركيبة مطاط السيليكون، مما قد يعزز خصائصه.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة أن معامل التوهين الكتلي (MAC) لمركبات مطاط السيليكون يتأثر بكل من طاقة الفوتون وتركيز الحشوات. على وجه التحديد، ينخفض MAC مع زيادة طاقة الفوتون ويزداد مع تركيزات الحشوات الأعلى. من الجدير بالذكر أن الحشوات النانوية تظهر قيم MAC أعلى مقارنة بالحشوات الميكرو، مع زيادة ملحوظة تتراوح بين 1-13% في MAC عند استبدال الحشوات الميكرو بالحشوات النانوية. يُعزى هذا التحسين إلى نسبة السطح إلى الحجم المتفوقة للجسيمات النانوية، مما يحسن التفاعلات السطحية ويقلل من الفراغات الدقيقة، وبالتالي يعزز امتصاص الفوتون ويقلل من خسائر التشتت. يتبع معامل التوهين الخطي (LAC) أيضًا اتجاهًا مشابهًا، حيث تم تسجيل أعلى LAC للعينة ذات أعلى تركيز حشوات، مما يشير إلى إمكانيتها في توفير حماية فعالة من الإشعاع.
يكشف تحليل العدد الذري المكافئ (Z_eq) أن تغيره مرتبط ارتباطًا وثيقًا بآليات تفاعل الفوتون السائدة بدلاً من مجرد فقدان الطاقة. عند الطاقات المنخفضة، يكون Z_eq أعلى بسبب التأثير الكهروضوئي، بينما يزداد تدريجياً في النطاق المتوسط بسبب تشتت كومبتون، ويصل إلى ذروته حول 1 ميغا إلكترون فولت قبل أن ينخفض عند الطاقات الأعلى حيث يهيمن إنتاج الأزواج. تظهر عوامل التراكم لامتصاص الطاقة والتعرض سلوكيات مميزة عبر مناطق الطاقة المختلفة، مع قيم منخفضة عند الطاقات المنخفضة وذروة عند الطاقات المتوسطة. تسلط الدراسة أيضًا الضوء على أن زيادة تركيز الحشوات، خاصة مع الجسيمات بحجم النانو، تعزز بشكل كبير قدرات التوهين للفوتون، خاصة عند الطاقات المنخفضة. بشكل عام، لا يحسن دمج الحشوات بحجم النانو فقط أداء الحماية من الإشعاع للمركبات، بل يحافظ أيضًا على الخصائص الميكانيكية المرغوبة، مما يضعها كمواد واعدة لتطبيقات الحماية الخفيفة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف مركبات مطاط السيليكون المدعمة بثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) وخبث الحديد. تم تصنيع المواد النانوية باستخدام مطحنة كروية، مع أوقات طحن محددة ونسب كرات إلى مسحوق، تلتها دمج هذه الحشوات في مطاط السيليكون لتعزيز خصائصه الميكانيكية والحرارية. وجدت الدراسة أن النسبة المئوية المثلى لوزن TiO₂ كانت 20%، وبعد ذلك تم المساس بالسلامة الميكانيكية. أظهرت قياسات الكثافة، التي أجريت وفقًا لمعايير ASTM، أن المركبات أظهرت كثافة متزايدة مع زيادة محتوى الحشوات، وهو أمر ضروري لتقييم قدراتها في الحماية من الإشعاع.
كشفت التحليلات الهيكلية من خلال الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن الحشوات كانت موزعة بشكل جيد داخل المصفوفة السيليكونية، حيث أظهرت TiO₂ بحجم النانو توزيعًا متفوقًا مقارنة بالحشوات الميكرو. أظهرت تقييمات الاستقرار الحراري عبر التحليل الحراري (TGA) أن دمج الحشوات حسن بشكل كبير مقاومة الحرارة للمركبات، حيث أظهرت العينات المحشوة بالنانو أعلى استقرار وعائد للكربون. أشارت اختبارات درع الإشعاع إلى أن معامل التوهين الكتلي (MAC) زاد مع تركيز الحشوات، خاصة للحشوات النانوية، مما يشير إلى فعاليتها في توهين أشعة غاما. تؤكد النتائج على إمكانات هذه المركبات لتطبيقات الحماية من الإشعاع، مع تسليط الضوء على أهمية حجم الحشوات وتوزيعها في تحسين أداء المواد.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38733-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41760718
Publication Date: 2026-02-27
Author(s): Mona M. Khalil et al.
Primary Topic: Polymer Nanocomposites and Properties
Overview
The research investigates the enhancement of silicone rubber (SR) properties through the incorporation of micro- and nano-sized waste iron slag-titanium dioxide (TiO₂) particles. The linear attenuation coefficient (LAC) was measured across a photon energy range of 0.0595 to 1.332 MeV using a NaI (Tl) scintillation detector. Results indicate that increasing TiO₂ concentration improves LAC values, with nano-sized fillers outperforming their micro-sized counterparts. The experimental findings were validated against theoretical predictions from XCOM software, showing a relative deviation of 0.5% to 3% for micro-sized samples. Morphological analyses via transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM) confirmed the nanoscale size and uniform distribution of the fillers, while thermogravimetric analysis (TGA) demonstrated enhanced thermal stability with increased filler concentrations.
The study concludes that the incorporation of TiO₂ and waste iron slag significantly improves the structural, thermal, and radiation shielding properties of the silicone rubber composite. Notably, the mass attenuation coefficient (MAC) increases with higher filler concentrations, particularly for nano-sized fillers, while parameters such as mean free path (MFP), half-value layer (HVL), and tenth-value layer (TVL) decrease, indicating improved shielding effectiveness. The energy buildup factor (EBF) analysis revealed higher values in the intermediate energy region, with sample STS0 exhibiting the highest EBF. Overall, the findings suggest that these composites are promising candidates for radiation shielding applications.
Methods
In this study, the materials utilized include silicone rubber and titanium dioxide, sourced from a commercial supplier in Egypt. Additionally, iron slag, obtained from EZZ Steel Co. in Alexandria, serves as a filler within the silicone rubber matrix. The elemental composition of the Electric Arc Furnace (EAF) slag powder was analyzed using Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), with the results summarized in Table 1. This methodological approach highlights the integration of industrial by-products into the silicone rubber formulation, potentially enhancing its properties.
Results
The results of this study demonstrate that the mass attenuation coefficient (MAC) of silicone rubber composites is influenced by both photon energy and filler concentration. Specifically, MAC decreases with increasing photon energy and increases with higher filler concentrations. Notably, nanofillers exhibit higher MAC values compared to micro fillers, with an observed increase of 1-13% in MAC when replacing micro fillers with nanofillers. This enhancement is attributed to the superior surface-to-volume ratio of nanoparticles, which improves interfacial interactions and reduces micro voids, thereby enhancing photon absorption and reducing scattering losses. The linear attenuation coefficient (LAC) also follows a similar trend, with the highest LAC recorded for the sample with the highest filler concentration, indicating its potential for effective radiation shielding.
The equivalent atomic number (Z_eq) analysis reveals that its variation is closely linked to the dominant photon interaction mechanisms rather than merely energy loss. At low energies, Z_eq is higher due to the photoelectric effect, while it gradually increases in the intermediate range due to Compton scattering, peaking around 1 MeV before decreasing at higher energies where pair production dominates. The buildup factors for energy absorption and exposure show distinct behaviors across different energy regions, with low values at low energies and a peak at intermediate energies. The study also highlights that increasing filler concentration, particularly with nanoscale particles, significantly enhances photon attenuation capabilities, especially at lower energies. Overall, the incorporation of nanoscale fillers not only improves the radiation shielding performance of the composites but also maintains desirable mechanical properties, positioning them as promising materials for lightweight shielding applications.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of silicone rubber composites reinforced with titanium dioxide (TiO₂) and iron slag are discussed. The nanomaterials were synthesized using a ball mill, with specific milling times and ball-to-powder ratios, followed by the incorporation of these fillers into silicone rubber to enhance its mechanical and thermal properties. The study found that the optimal weight percentage of TiO₂ was 20%, beyond which mechanical integrity was compromised. Density measurements, conducted according to ASTM standards, indicated that the composites exhibited increased density with higher filler content, which is essential for evaluating their radiation shielding capabilities.
Structural analysis through Energy Dispersive X-ray (EDX) and Scanning Electron Microscopy (SEM) revealed that the fillers were well-dispersed within the silicone matrix, with nanoscale TiO₂ showing superior distribution compared to micro-fillers. Thermal stability assessments via Thermogravimetric Analysis (TGA) demonstrated that the incorporation of fillers significantly improved the thermal resistance of the composites, with nano-filled samples exhibiting the highest stability and char yield. Radiation shielding tests indicated that the mass attenuation coefficient (MAC) increased with filler concentration, particularly for nanofillers, suggesting their effectiveness in gamma-ray attenuation. The findings underscore the potential of these composites for applications in radiation protection, highlighting the importance of filler size and distribution in optimizing material performance.