CN1037788C - 中子和γ射线屏蔽纤维的制造方法 - Google Patents
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Abstract
中子和γ射线屏蔽纤维系一种具有皮芯复合结构的短纤维，同时具有中子和γ射线辐射屏蔽功能。纤维芯成分由中子和γ射线辐射屏蔽物质50-80%，偶联剂0.5-5%，抗氧剂0.3-0.7%及余量为成丝聚合物组成，皮、芯成丝聚合物熔融指数为40≥皮≥芯≥5，纤维皮、芯重量比为6∶4-2∶8。其制造方法是芯成分各物料经先低速后高速混合均匀后经螺杆挤出机一次混合后通过分设的计量泵分别计量皮、芯成分供量在230-320℃下熔融纺丝，然后在湿热条件下进行至少二次拉伸再进行卷曲处理，经干燥定型切成短纤维。
Description
本发明涉及一种核辐射，特别是中子和γ射线辐射屏蔽纤维及其制造方法。
现有的中子及γ射线辐射屏蔽纤维均是只具有单一的屏蔽功能，或是只具有中子辐射屏蔽功能或是只具有γ射线辐射屏蔽功能。而在实际应用中，存在核辐射的场所往往是同时存在中子辐射和γ射线辐射，如研究性重水反应堆厂房内的核辐射主要是中子和低能γ射线辐射，其射线剂量当量比达0.69-4.69。显然，利用现有的只具有单一屏蔽功能的屏蔽纤维织物制作的防护服、罩是不能有效地防止作业人员免遭伤害的，因此往往将防肪服作成双层，一层采用中子辐射屏蔽纤维织物制作，一层采用γ射线辐射屏蔽纤维织物制作，甚至还有的采用在防护服外面罩一个铅箔罩的方法达到同时屏蔽中子和γ射线辐射的防护目的，这不仅给服装的制作带来了麻烦并使服装造价升高，而且对于使用及作业人员的操作带来了诸多不便。
在现有屏蔽纤维的制造上，一般制作γ射线辐射屏蔽纤维是将屏蔽物质与成丝聚合物混炼纺丝，而屏蔽纤维采用的屏蔽物质一般为铅或含铅化合物及含钡化合物，这种方法制成的屏蔽纤维的织物在使用及洗涤过程中位于纤维表面的屏蔽物质颗粒因纤维的摩擦、弯折极易脱落造成屏蔽性能下降，同时因纤维表面出现凹痕而使纤维强度下降，织物易破损降低使用寿命。还有一种方法是通过工艺手段。使屏蔽物质粘附在纤维表面，这种结构的屏蔽纤维更易发生屏蔽物质脱落，因而屏蔽防护性能不可靠。再者，由于所使用的屏蔽物质均对人体有毒害作用，脱落后易对人体产生毒害作用。
欧洲专利申请0072550A1，公开了一种具有皮、芯结构的中子屏蔽纤维及这种纤维的制造方法，这种具有皮、芯结构的中子屏蔽纤维的中子辐射屏蔽物质存在于纤维的芯成分中而被封闭包裹在纤维的内部，故具有良好的应用性能并使其屏蔽性能得以保证。但是，这种中子屏蔽纤维的芯材中中子辐射屏蔽物质的含量不能超过60％，否则将下大大降低纤维的机械性能，显然这对于保证纤维具有优良的屏蔽性能是不利的。其次，在其制造方法中中子辐射屏蔽物质与作为芯成分的成丝聚合物需要进行多次混炼混合，在混炼过程中成丝聚合物经多次反复熔融、冷却会发生氧化和降解，因而纤维的品质及机械性能不易保证。再者，成丝后采用电热形式的干法加热进行一次拉伸，这种干热拉伸工艺易因纤维受热不均，拉伸倍率过大造成纤维表面破裂以及同一条纤维各段拉伸不均等现象，对纤维的屏蔽性能、机械强度性能及品质带来不利影响。还有，这种工艺制作的屏蔽纤维拉伸后不进行卷曲处理，纤维挺硬，纤维织物手感不好，制成的防护服穿着不舒适，不利于作业人员的操作。
本发明的目的是提供一种同时具有中子和γ射线辐射屏蔽功能的，在吸收中子和γ射线后无二次辐射产生的，其织物手感好、柔软，制成的服装穿着舒适，其屏蔽防护功能可靠的中子和γ射线辐射屏蔽纤维及其制造方法。
中子和γ射线辐射屏蔽纤维为具有皮、芯结构的复合短纤维。
中子和γ射线辐射屏蔽纤维芯成分由平均粒径0.1-30μm的中子和γ射线辐射屏蔽物质50-80％(混合物重)，其中γ射线辐射屏蔽物质为10-40％，0.5-5％(混合物重)的硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、甘油高级脂肪酸酯类偶联剂中的至少一种化合物、0.3-0.7(混合物重)胺类抗氧剂、苯酚类抗氧剂中的至少一种化合物及余量为成丝聚合物组成，皮成分为与芯成分成丝聚合物具有混熔性或粘接性的成丝聚合物，皮、芯成丝聚合物熔融指数为40≥皮成分成丝聚合物熔融指数≥芯成分成丝聚合物熔融指数≥5，屏蔽纤维的皮、芯重量比为6∶4-2∶8。
本发明中所使用的皮、芯成丝聚合物可以是高密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺及聚酯中的任意一种，但最好使用聚丙烯，这不仅易于保证纤维的品质和性能，而且可简化纺丝工艺。
本发明中使用的中子辐射屏蔽物质为碳化硼、氮化硼、硼酸、氧化硼中任意一种，使用的γ射线辐射屏蔽物质为三氧化二铅、醋酸铅、辛酸铅、氧化铋、氯化铋、氢氧化铋、五氧化二铋中任意一种或两种以上复合使用。屏蔽纤维芯成分中所用的硅烷类偶联剂为γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷、N-β-(氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、钛酸酯类偶联剂为异丙基三异硬脂酰基钛酸酯、异丙基异硬脂酰基二烯丙基钛酸酯、异丙基异硬脂酰基二甲基丙烯基钛酸酯、甘油高级脂肪酸酯类偶联剂为甘油单棕榈酸酯，甘油单硬脂酸酯。
本发明中为防止成丝聚合与屏蔽物质混炼及加工过程中发生氧化和降解，芯成分中添加的抗氧剂为苯基-α-萘胺、苯基-β-萘胺、1，3，5-三(3，5-二叔丁基-4-羟基苄基)-S-三嗪-2，4-6(1H，3H，5H)三酮(商品名为抗氧剂3114)，4′，4-亚甲基-双-(2，6-二叔丁基)苯酚(商品名为抗氧剂4426)中的至少一种。
为了使屏蔽纤维的优良性能及品质得到可靠的保证，以及从经济上考虑，屏蔽纤维芯成分中偶联剂最好为1-2％(混合物重)。
本发明提供的中子和γ射线辐射屏蔽纤维的制造方法是：
首先按皮、芯成分物料量比称取各种物料，将称取的中子辐射屏蔽物质、γ射线辐射屏蔽物质和偶联剂放入混合机中先低速后高速搅拌混合20-30分钟，然后投入芯成分成丝聚合物和抗氧剂先低速后高速混合均匀。混合均匀后的物料放入双螺杆挤出机中在比成丝聚合熔点高20-50℃的条件下挤出并切粒以备纺丝使用。经一次混炼的芯成分经对切粒切片显微镜下观察，中子和γ射线辐射屏蔽物质与聚合物混合分散均匀。
将上述制取的芯成分及选用的皮成分成丝聚合物放入螺杆挤出机中进行熔融并挤出，芯、皮成分经螺杆挤出机挤出后经分设的计量泵分别计量后进入分配板继而由同心圆喷丝孔在230-320℃下熔融纺制成丝，制成的复合纤维在60-130℃湿热条件下预热后进行至少两次拉伸，拉伸倍率为5.5-6.5倍。拉伸处理后的纤维在110-120℃下进行卷曲处理，然后在120-130℃温度下干燥定型，干燥定型后切成60-70毫米短丝即为成品纤维。
在上述工艺中纤维的拉伸处理最好在60-65℃的温水中将纤维预热后进行第一次拉伸，拉伸倍率控制在2.5-3.0倍之间，然后在90-95℃的热水中预热后进行第二次拉伸，拉伸倍率为1.5-2.0倍，最后在120-130℃的蒸汽中预热后进行第三次拉伸，拉伸倍率为1.5倍，经上述三次拉伸处理后的纤维在120℃下进行卷曲处理后在60-130℃温度下干燥定型30分钟，然后切成短丝。
本发明的中子和γ射线辐射屏蔽纤维的拉伸强度为1.8-3.0CN/dtex，伸度为20-38％，卷曲数为3-8个/厘米，可制成机织布、针织布及无纺布，机织布、针织布与通常生活穿用的纤维织物其手感、柔软性基本相同。机织布、针织布面密度为400-700克/米2，无纺布的面密度可根据使用要求在100-2000克/米2范围内任意选择。屏蔽纤维织物具有优良的中子和γ射线辐射屏蔽功能，无二次辐射及粒子产生。纤维织物在使用，服装穿用及洗涤中屏蔽物质不发生脱落，对人体不产生毒害作用。
在屏蔽纤维的制造上，采用一次混炼工艺，即简化了工艺，又减少了操作费用，同时避免了成丝聚合物的氧化降解的产生，特别是通过添加抗氧剂使纤维品质、性能得到了可靠的保证。
其次是采用湿热法预热拉伸工艺，克服了现有制造工艺中存在的不足和不利影响，特别是浴热中水分子渗入纤维中起到滑润增塑作用有利于拉伸和纤维质量性能的保证，工艺中增添了卷曲处理使成品纤维织物手感好、柔软、织物使用，穿着舒适利于操作人员的使用和作业操作。
实施例1：
平均粒径15μ的碳化硼60份(重量)和平均粒径为25μ的三氧化二铅10份(重量)中加入异丙基三异硬脂酰基钛酸酯0.85份(重量)，在密闭的高速混合机中先在500转/分转速下搅拌混合10分钟然后在1440转/分转速下搅拌混合10分钟，然后静止5分钟。静止后加入熔融指数为32的聚丙烯(辽阳石化公司，70218型)切粒92份(重量)和抗氧剂44260 0.15份(重量)，再次先低速后高速搅拌共20分钟，混合后的物料在直径φ30毫米，长度为1.2米的平行双螺杆混炼机中200℃及260转/分转速下挤出造粒，经切片在显微镜下观察，挤出物中屏蔽物质颗粒均匀分散在聚丙烯中，然后干燥至含水0.01％以下即为纺线的芯成分原料。
以熔融指数为35的聚丙烯(辽阳石化公司，71735型)干燥切粒为纤维皮成分原料，分别将制成的芯成分的原料和皮成分原料在φ30毫米和φ20毫米单螺杆剂出机中熔融。芯成分熔融温度为250℃，皮成分熔融温度为230℃，在50×105Pa压力下挤出进入分设的计量泵中分别计量。在芯成分泵供量为63克/分，皮成分泵供量为27克/分条件下经160-200目不锈钢网过滤后通过分配板进入150孔φ0.3毫米的同心圆型喷丝板在235℃下纺制成丝，卷绕速度为300米/分。卷绕丝集束成160万特丝束后在60-65℃的温水中预热后在五辊牵伸机上作第一次拉伸，拉伸倍率为2.5-3.0倍。然后在90-95℃的热水中预热后进行第二次拉伸，拉伸倍率为1.5-2.0倍，再在120-130℃的蒸汽中预热后进行第三次拉伸，拉伸倍率为1.5倍，三次拉伸倍率共为5.5-5.6倍。拉伸处理后的纤维在120℃温度下预热后在卷曲机上进行卷曲，然后在60-130℃条件下干燥定型30分钟切成60-70毫米的短纤维，纤维截面经显微镜下观察为皮芯均匀的同心圆，屏蔽物质颗粒均匀分布在芯材中，成品纤维的拉伸断裂强度为1.9CN/dtex，断裂伸长31％，卷曲数2-4个/厘米，纤维纺织的纱线可达15-28支，纤维可织制平纹布、斜纹布、布的面密度为400-700克/米2，也可制成密度为100-2000克/米2的无纺布。在原子反应推旁测试，同质量厚度的上述织物和无纺布具有相同的中子和γ射线辐射屏蔽效果，质量厚度为580克/米2时，热中子屏蔽率为61％，0.5-0.8Mev，γ-射线屏蔽率为21％，吸收中子后无二次辐射或粒子产生。
实施例2：
平均粒径为25μ的氮化硼30份(重量)，平均粒径为1.5μ的氧化铋40份(重量)与γ-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷0.85份(重量)按实施例1的条件和步骤混合均匀后加入熔融指数为32的聚丙烯(辽阳石化公司，71208型)和抗氧剂3114 0.5份(重量)，按实施例1的条件和步骤混合均匀制成芯成分原料，以熔融指数为32的聚丙烯(使用与芯成分聚丙烯同一种型号的聚丙烯)切粒为皮成分原料，操作同实施例1，在芯和皮成分泵供量分别为64克/分和16克/分，熔体压力为60×105Pa，温度为250℃，卷绕速度为350米/分条件纺制成皮芯结构的复合纤维卷绕丝，然后按实施例1的步骤和条件进行集束、拉伸、卷曲、干燥定型处理并切成短纤维，制取的纤维拉伸断裂强度为2.1CN/dtex，断裂伸长为28％，卷曲数3-5个/厘米，面密度为1150克/米2的无纺布热中子屏蔽率为35％，γ射线屏蔽率为39％，吸收中子后无二次辐射或粒子产生。
实施例3：
平均粒径为5μ的碳化硼40份(重量)和平均粒径为10μ的氢氧化铋40份(重量)中加入甘油单硬脂酸酯1.0份(重量)按实施1的条件和步骤操作将其混合均匀，再加入熔融指数为16的聚丙烯切粒(美国HZMONT公司产品)18.8份(重量)和抗氧剂苯基-α-萘胺0.2份(重量)按实施例1的条件和步骤制成芯成分原料，以此熔融指数的聚丙烯切粒作为皮成分，在芯、皮成分泵供量分别为30克/分和20克/分，230℃，65×105Pa压力下纺制成复合纤维卷绕丝，卷绕速度为300米/分，卷绕丝的集束、拉伸、卷曲、干燥定型、切断及织物制作同实施例1，制成的屏蔽纤维拉伸断裂强度为2.6CN/dtex，断裂伸长为23％，卷曲数为4-6个/厘米，织物为603克/米2面密度的帆布，其热中子屏蔽率为49％，γ-射线屏蔽率为52％。
Claims (5)
1、一种中子和γ射线屏蔽纤维，具有皮、芯结构，纤维的芯成分中含有平均粒径为0.1-30μ的中子和γ射线辐射屏蔽物质50-80％(混合物重)，其特征是所说芯成分中所含γ射线辐射屏蔽物质为10-40％，所说中子辐射屏蔽物质为碳化硼、氮化硼、硼酸、氧化硼中的任意一种，所说γ射线辐射屏蔽物质为三氧化二铅、醋酸铅、辛酸铅、氧化铋、氢氧化铋、氯化铋、五氧化二铋中的任意一种或两种复合使用，所说纤维的芯成份中含有0.5-5％(混合物重)的硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂、甘油高级脂肪酸酯类偶联剂中的至少一种化合物，含有0.3-0.7％(混合物重)的胺类抗氧剂、苯酚类抗氧剂中的至少一种化合物，余量为成丝聚合物，所说屏蔽纤维的皮、芯成丝聚合物熔融指数为40≥皮成份成丝聚合物熔融指数≥芯成份成丝聚合物熔融指数≥5，皮、芯重量比为6∶4-2∶8。
2、按权利要求1所述的中子和γ射线屏蔽纤维，其特征是所说皮、芯成丝聚合物为高密度聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酯中的任意一种，但最好为聚丙烯，所说偶联剂为γ-缩水甘油氧基丙基三甲基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷、N-β-(氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、异丙基三异硬脂酰基钛酸酯、异丙基异硬脂酰基二烯丙基钛酸酯、异丙基异硬脂酰基二甲基丙烯基钛酸酯、甘油单棕榈酸酯，甘油单硬脂酸酯，所说抗氧剂为苯基-a-萘胺、苯基-β-萘胺、1，3，5-三(3，5-二叔丁基-4-羟基苄基)-S-三嗪-2，4-6(1H，3H，5H)三酮、4′，4-亚甲基-双-(2，6-二叔丁基)苯酚。
3、按权利要求1所述的中子和γ射线屏蔽纤维，其特征是所说芯成份中含偶联剂为1-2％(混合物重)。
4、一种权利要求1所述的中子和γ射线屏蔽纤维的制造方法，其特征是
a)将选用的平均粒径为0.1-30μ的，用量为芯成份混合物重的50-80％，其中γ射线辐射屏蔽物质为10-40％的碳化硼，氯化硼、硼酸、氧化硼中的至少一种化合物和三氧化二铅、酯酸铅、辛酸铝、氧化铋、氢氧化铋、氯化铋、五氧化二铋中至少一种化合物和选用的0.5-5％的偶联剂γ-缩水甘油氧基丙基三甲基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷，N-β-(氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷、异丙基三异硬脂酰基钛酸酯、异丙基异硬脂酰基二烯丙基钛酸酯、异丙基异硬脂酰基二甲基丙烯基钛酸酯、甘油单棕榈酸酯、甘油单硬脂酸酯中至少一种化合物在高速混合机中先低速后高速搅拌混合20-30分钟，
b)混合物料与芯成份成丝聚合物和选用的抗氧剂苯基-α-萘胺、苯基-β-萘胺、1，3，5-三(3，5-二叔丁基-4-羟基苄基)-S-三嗪-2，4-6(1H、3H、5H)三酮，4′，4-亚甲基-双-(2，6-二叔丁基)苯酚中至少一种化合物在高速混合机中先低速后高速混合均匀，
c)混合均匀后在双螺杆挤出机中以比成丝聚合物熔点高20-50℃的温度条件下挤出并切粒，
d)制取的芯成份和选用的皮成份成丝聚合物在螺杆挤出机中分别挤出，按皮∶芯重量比为6∶4-2∶8分别计量后进入分配板继而由同心圆喷丝孔板在230-320℃下熔融纺丝，
e)纺制的复合纤维丝在60-130℃湿热条件下预热后进行至少二级拉伸，拉伸倍率为5.5-6.5倍，
f)拉伸后的纤维在110-120℃下进行卷曲处理后在120-130℃温度下干燥定型切成60-70毫米短纤维。
5、按权利要求4所述的中子和γ射线屏蔽纤维的制造方法，其特征是纺制的复合纤维在60-65℃的温水中预热后进行第一次拉伸，拉伸倍率为2.5-3.0倍，然后在90-95℃的热水中预热后进行第二次拉件，拉伸倍率为1.5-2.0倍，再在120-130℃的蒸汽中预热后进行第三次拉伸，拉伸倍率为1.5倍，纤维经三次拉伸后在120℃下进行卷曲处理，再在60-130℃温度下干燥定型30分钟切成短纤维。
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