CN106192039B - 辐射防护聚合物复合纤维的制备方法 - Google Patents

辐射防护聚合物复合纤维的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，将具有辐射防护功能的无机粒子依次进行活化处理、过滤、洗涤、干燥；然后转移至反应釜，通入惰性气体进行保护，在具有辐射防护功能的无机粒子表面原位引发聚合反应，制备出无机粒子接枝物；然后无机粒子接枝物与纤维级聚合物熔融共混、纺丝，即制得。不但具有优异的辐射防护性能，具备高效防护伽马、中子及中子与伽马混合辐射的功能，能够满足复杂辐射环境的防护需求，而且具备良好的强度与韧性，利于后续织造技术加工成面料，最终制成透气型辐射防护纺织制品。

Description

辐射防护聚合物复合纤维的制备方法
技术领域
本发明属于核辐射防护技术领域，涉及一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法。
背景技术
随着经济与社会发展要求，核技术已被广泛应用于医疗、核工业及国防等多个领域，带来了巨大的经济效益和社会效益，同时使人类接触各种核辐射的机会增加，潜在地威胁着人类健康与环境安全。辐射防护材料与装备是保证辐射场所工作人员和公共安全的关键，也是应对核应急的有效手段，是军工与民用辐射安全防护的重要保障。传统辐射防护材料与装备虽然在辐射防护方面发挥了巨大的作用，但是其已不能满足当前核技术快速发展的新需求。因而，开发出新型辐射防护材料与装备是当前辐射防护领域的迫切要求。
制造辐射防护材料与装备中的个人防护制品通常是将铅粉填充至橡胶基体，进而制备出柔性防护服与手套，具备移动及可拆卸性强，但是穿戴舒适性差(橡胶材料的透气效果较差，容易引起使用人员出汗、脱水等反应)、防护效率低(线性衰减系数小)、稳定性差(橡胶易老化、铅粉易脱落)、重复利用率低(多次折叠使用后，折痕处会破损)等等问题。以具有辐射防护功能的聚合物纳米复合纤维织造的透气型辐射防护用品能避免上述不足，但鲜见相关产品。
众所周知，聚酰胺(尼龙)、聚对苯二甲酸二乙酯(涤纶)及聚丙烯腈(丙纶)等聚合物纤维织造的服装及手套具有优异的透气性能，但是其辐射防护效果较弱。已发现并证明钨酸铅、钨酸铋、氮化硼等无机粒子具有优异的辐射防护性能，尤其是纳米级尺寸结构，相同质量的纳米粒子对射线具有更高的辐射防护效果，有助于降低产品质量。如果能将两者较好地有机结合，实现聚合物复合纤维加工工艺，进一步实现纤维丝的自动编织成型，将大大提升其穿戴舒适性，拓展其应用领域。虽然聚合物纺丝技术较为成熟，但是在聚合物复合体系中，大份数填料与基体之间的相互作用力将决定熔体纺丝成纤过程，除此之外，还会直接影响纤维丝的拉伸强度，导致进行自动化编制比较困难，所织成的产品强度较低。如何提升功能填料份数及功能填料与聚合物分子链之间的相互作用力，达到提升熔体纺丝、纤维丝织造特性及辐射防护等综合性能是亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，具有优异的防辐射性能和良好的柔韧性、透气性与舒适性，拉伸强度好，编制工艺简单。
本发明所采用的技术方案是，一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤1，将具有辐射防护功能的无机粒子依次进行活化处理、过滤、洗涤、干燥；
步骤2，将步骤1所得的物质转移至反应釜，通入惰性气体进行保护，在具有辐射防护功能的无机粒子表面原位引发聚合反应，制备出无机粒子接枝物；
步骤3，将步骤2所得的无机粒子接枝物与纤维级聚合物熔融共混、纺丝，即制得。
本发明的特征还在于，进一步的，所述步骤2中的惰性气体为氮气。
进一步的，所述步骤1中，无机粒子为钨酸铅、钨酸铋、氮化硼、碳化硼、硼酸铅与硼酸铋中的任意一种。
进一步的，所述步骤2中，制备出无机粒子接枝物为无机粒子接枝聚丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二酯及聚酰胺中的任意一种。
进一步的，所述步骤3中，纤维级聚合物为聚丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二酯及聚酰胺任意一种。
进一步的，所述步骤3中，无机粒子接枝物与纤维级聚合物的质量份数比为1：2.5～5。
进一步的，所述步骤2中，反应釜中的反应温度为160～280℃，反应时间为2～4h。
进一步的，所述步骤3中，无机粒子接枝物与纤维级聚合物熔融共混温度为160～280℃。
进一步的，所述步骤3中，制得的复合纤维直径为0.04～0.1mm。
进一步的，所述步骤1中，将具有辐射防护功能的无机粒子依次进行活化处理、过滤、洗涤、干燥的具体步骤为：将无机粒子和30wt％过氧化氢水溶液合并在圆底烧瓶，并超声处理40min；在105℃下回流并用机械剧烈搅拌，反应4小时；反应结束后，冷却至室温，混合溶液通过滤网，回收纳米颗粒并用去离子水洗涤、过滤，重复两次；将所得到的羟基化无机粒子在80℃的真空烘箱中干燥24小时。
本发明的有益效果是选择具有辐射防护功能的无机粒子作为功能填料填充至纤维级聚合物，经熔融纺丝形成具核辐射防护功能的聚合物复合纤维。具有优异的核辐射防护性能，其防护效果可通过优化无机粒子种类及比例来调节。根据不同辐射环境的需要，可分别选择具有伽马、中子及中子伽马共同防护效果的聚合物复合纤维。该辐射防护聚合物复合纤维所织成的面料或制品具备良好的柔韧性、透气性和舒适性。此辐射防护聚合物复合纤维可用于制备核辐射防护服、柔性核辐射防护屏等防护装备，可广泛用于核电站、医院等领域的日常辐射防护及核应急，其能够满足当前核技术快速发展的新需求。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有伽马辐射防护功能的钨酸铅粒子进行活化处理、过滤、洗涤、干燥；
(2)将步骤1所得物质转移至反应釜，通入氮气进行保护，于160℃条件下，在具有辐射防护功能的钨酸铅粒子表面原位引发聚合反应，反应时间2h，制备出钨酸铅粒子接枝聚丙烯腈；
(3)使用增塑剂预处理聚丙烯腈，降低其熔融温度，然后在160℃条件下，将其与步骤2所得钨酸铅粒子接枝物熔融共混、纺丝，制备出具有良好强度与韧性的聚合物复合纤维，其直径约为0.08mm。钨酸铅粒子接枝聚丙烯腈与聚丙烯腈的质量份数比为1：2.5。
(4)在机织机上，将聚合物复合纤维丝进行织造形成具有辐射防护功能的面料；叠加面料厚度约为2mm，利用高纯锗伽马谱仪测试其伽马屏蔽性能，伽马放射源选用Am-241(59.5keV)，经测试，其屏蔽率为64.7±2.1％。
实施例2：
一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有中子辐射防护功能的氮化硼粒子进行活化处理、过滤、洗涤、干燥；
(2)将步骤1所得物质转移至反应釜，通氮气进行保护，于250℃条件下，在具有辐射防护功能的氮化硼粒子表面原位引发聚合反应，反应时间3h，制备出氮化硼粒子接枝聚对苯二甲酸乙二酯；
(3)在250℃条件下，将步骤2所得氮化硼粒子接枝物与聚对苯二甲酸二乙酯熔融共混、纺丝，制备出具有良好强度与韧性的聚合物复合纤维，其直径约为0.08mm。氮化硼粒子接枝物与聚对苯二甲酸二乙酯的质量份数比为1：3.5；
(4)在机织机上，将聚合物复合纤维丝进行织造形成具有辐射防护功能的面料；叠加面料厚度约为2mm，利用中子衰减测试装置测试其中子屏蔽性能，中子放射源为热中子(0.025eV)经测试，其屏蔽率为93.6±2.5％。
实施例3：
一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有中子与伽马共同防护功能的硼酸铅粒子进行活化处理、过滤、洗涤、干燥；
(2)将步骤1所得物质转移至反应釜，通入氮气进行保护，于280℃条件下，在具有辐射防护功能的硼酸铅粒子表面原位引发聚合反应，反应时间4h，制备出硼酸铅粒子接枝聚酰胺；
(3)在280℃条件下，将步骤2所得硼酸铅粒子接枝物与聚酰胺熔融共混、纺丝，制备出具有良好强度与韧性的聚合物复合纤维，其直径约为0.07mm。硼酸铅粒子接枝物与聚酰胺的质量份数比为1：5；
(4)在机织机上，将聚合物复合纤维丝进行织造形成具有辐射防护功能的面料；叠加面料厚度约为2mm，分别利用高纯锗伽马谱仪和中子衰减测试装置测试其伽马及中子屏蔽性能，伽马放射源选用Am-241(59.5keV)，中子放射源为热中子(0.025eV)经测试，伽马屏蔽率为58.2±2.3％，中子屏蔽率为26.3±2.1％％。
实施例4：
一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有伽马防护功能的钨酸铋粒子进行活化处理、过滤、洗涤、干燥；
(2)将步骤1所得物质转移至反应釜，通入氮气进行保护，于160℃条件下，在具有辐射防护功能的钨酸铋粒子表面原位引发聚合反应，反应时间4h，制备出钨酸铋粒子接枝聚丙烯腈；
(3)使用增塑剂预处理聚丙烯腈，降低其熔融温度，然后在160℃条件下，将其与步骤2所得钨酸铋粒子接枝物熔融共混、纺丝，制备出具有良好强度与韧性的聚合物复合纤维，其直径约为0.1mm。钨酸铋粒子接枝物与聚丙烯腈的质量份数比为1：4；
(4)在机织机上，将聚合物复合纤维丝进行织造形成具有辐射防护功能的面料；叠加面料厚度约为2mm，利用高纯锗伽马谱仪测试其伽马屏蔽性能，伽马放射源选用Am-241(59.5keV)，伽马屏蔽率为31.4±2.2％。
实施例5：
一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有中子防护功能的碳化硼粒子进行活化处理、过滤、洗涤、干燥；
(2)将步骤1所得物质转移至反应釜，通入氮气进行保护，于250℃条件下，在具有辐射防护功能的碳化硼粒子表面原位引发聚合反应，反应时间3h，制备出碳化硼粒子接枝聚对苯二甲酸乙二酯；
(3)在250℃条件下，将步骤2所得碳化硼粒子接枝物与聚对苯二甲酸乙二酯熔融共混、纺丝，制备出具有良好强度与韧性的聚合物复合纤维，其直径约为0.06mm。碳化硼粒子接枝物与聚对苯二甲酸乙二酯质量份数比为1：5；
(4)在机织机上，将聚合物复合纤维丝进行织造形成具有辐射防护功能的面料；叠加面料厚度约为2mm，利用中子衰减测试装置测试其中子屏蔽性能，中子放射源为热中子(0.025eV)经测试，屏蔽率为97.3±1.8％。
实施例6：
一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将具有中子与伽马共同防护功能的硼酸铋粒子进行活化处理、过滤、洗涤、干燥；
(2)将步骤1所得物质转移至反应釜，通入氮气进行保护，于280℃条件下，在具有辐射防护功能的硼酸铋粒子表面原位引发聚合反应，反应时间4h，制备出硼酸铋粒子接枝聚酰胺；
(3)在280℃条件下，将步骤2所得硼酸铋粒子接枝物与聚酰胺熔融共混、纺丝，制备出具有良好强度与韧性的聚合物复合纤维，其直径约为0.05mm。硼酸铋粒子接枝物与聚酰胺质量份数比为1：3；
(4)在机织机上，将聚合物复合纤维丝进行织造形成具有辐射防护功能的面料；叠加面料厚度约为2mm，分别利用高纯锗伽马谱仪和中子衰减测试装置测试其伽马及中子屏蔽性能，伽马放射源选用Am-241(59.5keV)，中子放射源为热中子(0.025eV)经测试，伽马屏蔽率为43.5±2.1％，中子屏蔽率为21.3±2.0％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1，将具有辐射防护功能的无机粒子依次进行活化处理、过滤、洗涤、干燥；
步骤2，将步骤1所得的物质转移至反应釜，通入惰性气体进行保护，在具有辐射防护功能的无机粒子表面原位引发聚合反应，制备出无机粒子接枝物；
步骤3，将步骤2所得的无机粒子接枝物与纤维级聚合物熔融共混、纺丝，即制得；
所述步骤1中，无机粒子为钨酸铅、钨酸铋、氮化硼、碳化硼、硼酸铅与硼酸铋中的任意一种；
所述步骤2中，反应釜中的反应温度为160～280℃，反应时间为2～4h；
所述步骤3中，纤维级聚合物为聚丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二酯及聚酰胺任意一种；
所述步骤3中，无机粒子接枝物与纤维级聚合物的质量份数比为1：2.5～5；
所述步骤3中，无机粒子接枝物与纤维级聚合物熔融共混温度为160～280℃。
2.根据权利要求1所述的辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的惰性气体为氮气。
3.根据权利要求1所述的辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，制备出无机粒子接枝物为无机粒子接枝聚丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二酯及聚酰胺中的任意一种。
4.根据权利要求1-3任何一项所述的辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，制得的复合纤维直径为0.04～0.1mm。
5.根据权利要求1-3任何一项所述的辐射防护聚合物复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，将具有辐射防护功能的无机粒子依次进行活化处理、过滤、洗涤、干燥的具体步骤为：将无机粒子和30wt％过氧化氢水溶液合并在圆底烧瓶，并超声处理40min；在105℃下回流并用机械剧烈搅拌，反应4小时；反应结束后，冷却至室温，混合溶液通过滤网，回收纳米颗粒并用去离子水洗涤、过滤，重复两次；将所得到的羟基化无机粒子在80℃的真空烘箱中干燥24小时。
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