Kunststoff-Verbundmaterialien zum Schutz von Mensch und Umwelt

Das Strahlenschutzpotenzial verschiedener Verbundkunststoffe

Strahlung kann Mensch und Umwelt schädigen. Der Strahlenschutz ist insbesondere beim Personal von kerntechnischen Anlagen und im Bereich der Medizin und Forschung wichtig. Um diesen zu gewährleisten, werden unterschiedliche Werkstoffe in Form von Gehäusen oder einfacher Platten verwendet, die zwischen Quelle und Person gebracht werden. Das Steinbeis-Innovationszentrum für Anwendungsorientierte Material-, Fertigungs- und Prozesstechnik und die imq-Ingenieurbetrieb für Materialprüfung, Qualitätssicherung und Schweißtechnik GmbH untersuchen verschiedene Kunststoff-Verbundwerkstoffe, um deren Strahlenschutzpotenzial zu erforschen.

Die empfangene Strahlendosis hängt einerseits von der Art und Intensität einer Strahlenquelle und andererseits von der Dauer, vom Abstand zu der Quelle und von der abschirmenden Wirkung des verwendeten Schutzmaterials ab. So kann z.B. bei radioaktiven Strahlungen (ionisierte Strahlung) für Alpha- und Betastrahlung mit einfachen Maßnahmen und Materialien eine Abschirmung ermöglicht werden. Bei Gammastrahlung (energiereiche kurzwellige Strahlung) dagegen kann die Abschirmung nur durch Blei- oder große Betonschichten realisiert werden. Abschirmung gegen ionisierende Strahlung dient nicht nur zum Schutz von Personen und anderen Lebewesen, sondern auch für Gegenstände oder Bauteile, sowie zur Reduktion des Hintergrundes bei Strahlenmessungen. Auch die radioaktiven Abfälle müssen nach Strahlenschutzverordnung entsprechend gelagert und in geeigneten Behältern transportiert werden.

Wichtig dabei sind die Werkstoffe, die als Schutzmaterial eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang sind die mit Metallfasern oder -pulver gefüllten Kunststoff-Verbundwerkstoffe von großem Interesse. Deswegen hat das Steinbeis-Innovationszentrum für Anwendungsorientierte Material-, Fertigungs- und Prozesstechnik zusammen mit dem Unternehmen imq-Ingenieurbetrieb für Materialprüfung, Qualitätssicherung und Schweißtechnik GmbH Kunststoff- Verbundwerkstoffe mittels eines neuen, auf Wirbelstrom basierenden Prüfverfahrens hinsichtlich ihres möglichen Einsatzes bei der Abschirmung von ionisierten Strahlungen untersucht, bei der stark absorbierende Metallfasern oder -pulver als Füllstoff verwendet werden können.

Vorteile dieser innovativen Lösung sind die im Vergleich zu reinen Metallen einfachere Herstellung und Verarbeitung. Dazu kommt, dass die hierfür benötigte Technik bei jedem Kunststoffhersteller bereits zur Verfügung steht. Besondere Vorteile der Kunststoff- Verbundmaterialien sind ihre Vielfältigkeit, die passgenaue Be- und Verarbeitung und ein Endprodukt in beinahe jeder denkbaren Form.

Für die ersten Untersuchungen wurden Bleifasern in eine Harzmischung eingebracht. Mit Hilfe der Absorptionsfähigkeitsprüfung wurde der Schwächungskoeffizient μ bestimmt. Bei der Erhöhung des Fasergehaltes wurde unter Berücksichtigung eines Fehlerindikators von 5 % festgestellt, dass der Schwächungskoeffizient μ ansteigt, das heißt, die Absorptionsfähigkeit für Gammastrahlung steigt. Im Vergleich zu einer reinen Bleiprobe mit einem Schwächungskoeffizienten von 0,5 1/cm hat der mit 60 % Bleifasern gefüllte Verbundkunststoff einen Wert von 0,23 1/cm.

Mit Hilfe von neuen, leichten und maßgeschneiderten Composite-Werkstoffen können die Abschirmungseigenschaften von Strahlenschutzprodukten optimal an die Strahlenemissionen angepasst werden, um einen bestmöglichen Schutz zu ermöglichen. Neben den Thermoplasten und Duromeren können als Trägermaterial für die Bleifasern auch Elastomere verwendet werden, die eine höhere Elastizität besitzen. Damit könnten dehnbare Folien oder Bauteile hergestellt werden, die das Schützen von geometrisch komplexen Bauteilen ermöglichen. Auch andere stark Röntgenstrahlung absorbierende Werkstoffe können als Materialien für die Absorptionselemente eingesetzt werden. Diese Entwicklung wurde im Rahmen eines von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. (AiF) geförderten Forschungsvorhabens realisiert.

Kontakt

Dipl.-Ing. Alexandru Söver
Dipl.-Ing. (FH) Stephanie Seidel
Prof. Dr.-Ing. Lars Frormann

Steinbeis-Innovationszentrum Anwendungsorientierte Material-, Fertigungs- und Prozesstechnik
(Zwickau)

stz1145@stw.de

Dipl.-Ing.(FH) Christopher Seidel
Dr. rer. nat. Antje Zösch
Dr. sc. techn. Dr. rer. nat. Martin Seidel

imq-Ingenieurbetrieb für Materialprüfung, Qualitätssicherung und Schweißtechnik GmbH
(Crimmitschau)

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