CN106867200A

CN106867200A - 一种γ射线屏蔽材料及其制备方法

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Publication number: CN106867200A
Application number: CN201710107926.4A
Authority: CN
Inventors: 薛向欣; 董梦格; 杨合; 段培宁
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: CN106867200B

Abstract

本发明公开一种γ射线屏蔽材料，属于屏蔽材料技术领域。屏蔽材料由以下组分制备得到：钒渣5‑90份；环氧树脂5‑8份；固化剂3‑5份；挥发性稀释剂30‑240份；环氧树脂为双酚A型环氧树脂；固化剂为合成树脂类；挥发性稀释剂为醇类化合物、酮类化合物、芳香族化合物中的一种或多种。本发明解决了以往钒渣综合利用难的问题，既为钒渣的利用开辟了新途径，也为γ射线防护材料的生产找到了十分廉价的原料，具有成本低、生产操作简单、无二次污染等特点。

Description

一种γ射线屏蔽材料及其制备方法

技术领域

本发明属于屏蔽材料技术领域，涉及一种γ射线屏蔽材料及其制备方法。

背景技术

20世纪，我国核工业有了很大的进步，同时放射性同位素与射线装置在各行各业被广泛应用。随着加速器、反应堆的使用，人们接触到放射性的种类逐渐增加，除常接触的X、γ射线外，还有中子、质子及电子等带电粒子，接触电离辐射的机会也逐渐增大。

在日常生活中，人们接触较多的是诸如微波、紫外线等电磁辐射、计算机辐射以及其他电磁辐射等，这些电磁辐射对人体都有不同程度的危害，但是，总体来说，电磁辐射的程度还是较轻的，高能核辐射比电磁辐射的严重程度要大得多，尤其是γ射线对人体的伤害和对环境的破坏，因此，寻找一种安全可靠的防护材料对于从事放射性工作人员的安全至关重要，γ射线的屏蔽材料的研究便成为一项十分重要的课题。

钒渣作为一种工业提钒原料，现有钒渣提钒工艺中的钒收率较低、能耗高、环境污染严重，钒渣综合利用难，因此，整体、高效地利用钒渣是一项亟需解决的问题。目前，国内外还未有钒渣应用于γ射线屏蔽材料研究的报道出现。

综上所述，亟需提供一种利用钒渣制备，成本低，无污染，生产操作简单的γ射线屏蔽材料及该γ射线屏蔽材料的制备方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种γ射线屏蔽材料，充分利用价格低廉的冶金钒渣作为原材料，具有成本低，无污染，对γ射线的屏蔽率高等特点。

本发明还提供一种生产制作简单的γ射线屏蔽材料的制备方法，通过该制备方法制备出成本低、无污染，对γ射线的屏蔽率高的γ射线屏蔽材料。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种γ射线屏蔽材料，该γ射线屏蔽材料由以下组分按重量份制备得到：

钒渣 5-90份；

环氧树脂 5-8份；

固化剂 3-5份；

挥发性稀释剂 30-240份；

其中，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂；

所述固化剂为合成树脂类；

所述挥发性稀释剂为醇类化合物、酮类化合物、芳香族化合物中的一种或多种。

作为一种γ射线屏蔽材料的优选方案，所述环氧树脂为E51、E44、E42、E54、E55中的一种或多种。

作为一种γ射线屏蔽材料的优选方案，所述固化剂为650聚酰胺树脂或651聚酰胺树脂。

作为一种γ射线屏蔽材料的优选方案，所述挥发性稀释剂为无水乙醇、丙酮、二甲苯中的一种或多种。

本发明还提供一种如以上所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照各组分的用量称取各组分，然后将环氧树脂、固化剂与钒渣混合，并加入挥发性稀释剂，搅拌混匀，得到混合物Ⅰ；

S2、将混合物Ⅰ在常温条件下进行固化，得到γ射线屏蔽材料。

作为一种γ射线屏蔽材料的制备方法的优选方案，在所述S1之前还包括以下步骤：

S0、对钒渣进行研磨过筛处理，得到预处理的钒渣。

作为一种γ射线屏蔽材料的制备方法的优选方案，在所述S1之后且在所述S2之前，还包括以下步骤:

S11、将混合物Ⅰ在真空条件下进行脱泡处理。

作为一种γ射线屏蔽材料的制备方法的优选方案，在所述S0中，研磨过筛处理后钒渣的粒度为100目。

作为一种γ射线屏蔽材料的制备方法的优选方案，所述S2具体为：将混合物Ⅰ倒入模具中，经注塑成型或模压成型后，在常温条件下进行固化，从模具中取出，得到γ射线屏蔽材料。

作为一种γ射线屏蔽材料的制备方法的优选方案，所述S2中的固化温度为24℃-26℃，固化时间为12h-24h。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明充分利用价格低廉的冶金钒渣为填充原材料，以环氧树脂为基体，添加固化剂和挥发性稀释剂，制备出成本低，无污染，屏蔽率高的γ射线屏蔽材料，该γ射线屏蔽材料的密度为1.1-2.6g·cm^-3，抗折强度为10-70MPa，耐受温度为228℃-245℃，线性衰减系数为0.066-0.13cm^-1，半值层厚度为5.2-10.5cm，厚度为2cm的此种材料对γ射线的屏蔽率为12.5％-25.8％。

本发明将钒渣、环氧树脂、固化剂及挥发性稀释剂均匀混合，之后在常温下固化处理，制备出具有上述特性的γ射线屏蔽材料。整个制备方法操作简单，容易成型，制作成本低，绿色环保。通过该制备方法制备的γ射线屏蔽材料能够直接加工成不同尺寸，易于后期商业应用的产品。

综上所述，本发明克服了现有钒渣应用技术的局限性，解决了以往钒渣综合利用难的问题，既为钒渣的利用开辟了新途径，也为γ射线防护材料的生产找到了十分廉价的原料，具有成本低、生产操作简单、无二次污染等特点。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的γ射线屏蔽材料的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例1提供的γ射线屏蔽材料的显微照片；

图3为本发明实施例1提供的γ射线屏蔽材料的断面显微结构照片。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

实施例1提供了一种γ射线屏蔽材料，该γ射线屏蔽材料由以下组分按重量份制备得到：钒渣(其中，含V₂O₅的质量分数为5.2％)5份；环氧树脂E518份；651聚酰胺树脂5份；无水乙醇30份；

此外，如图1所示，实施例1还提供了上述γ射线屏蔽材料的制备方法，具体步骤依次如下：

S0、将含V₂O₅为5.2％(质量分数)的钒渣研磨后过100目筛子，得预处理的钒渣。

S1、按照质量比环氧树脂E51:651聚酰胺树脂:钒渣为8:5:5添加并混合三种物质，之后加入质量比钒渣:无水乙醇为1:6的无水乙醇(浓度为99.7％)，机械搅拌15min，混合均匀，得到液态的混合物Ⅰ。

S11、将混合物Ⅰ在真空条件下进行脱泡处理，以去除混合物Ⅰ在搅拌过程中产生的大量气泡。

S2、将混合物Ⅰ在长×宽×高为160mm×160mm×5mm的模具中浇注成型，常温25℃下固化12h后从模具中取出，得到钒渣制备的γ射线屏蔽材料。

实施例1利用WDW-1010型电子万能试验机来检测γ射线屏蔽材料的抗折强度，利用S-3400N型扫描电子显微镜来检测并分析γ射线屏蔽材料整个外观形貌及断面的微观形貌，利用SDT-2960差热-热重联用分析仪对γ射线屏蔽材料进行热重分析，检测γ射线屏蔽材料的耐热性能，并在⁶⁰Coγ射线标准准直辐射场中检测γ射线屏蔽材料对γ射线的屏蔽性能。上述各性能测试的情况如下：

1、γ射线屏蔽材料的密度ρ测试

实施例1制备的γ射线屏蔽材料为形状规则的复合材料，该复合材料的密度ρ通过以下公式计算得出：

ρ＝M/V

式中：ρ——复合材料的密度(g/cm³)；

M——复合材料的质量(g)；

V——复合材料的体积(cm³)。

首先切割出一定尺寸的γ射线屏蔽材料样品，然后称量γ射线屏蔽材料样品的质量，通过上述公式计算得出，γ射线屏蔽材料的密度ρ为1.1g·cm^-3。

2、γ射线屏蔽材料的抗折强度σ_f测试

实施例1制备的γ射线屏蔽材料采用环氧树脂E51作为基体，由于环氧树脂E51为一种脆性塑料，其柔性很低，因此，需要对γ射线屏蔽材料通过抗弯性能测试表征其断裂强度。本实验采用WDW-1010型电子万能试验机对γ射线屏蔽材料的抗折强度进行检测。

抗折强度测试实验的加载应力方式采用三点抗折方式。其中，三点抗折强度σ_f公式为：

式中：P——载荷(N)；

L——支点跨距(mm)；

b——试样宽度(mm)；

h——试样高度(mm)。

本试验的试样尺寸高×宽×长为5mm×10mm×50mm，载荷P为233N，加载速率为0.5mm/min，支点跨距L为30mm，通过上述公式计算得出，γ射线屏蔽材料的抗折强度σ_f为70MPa。

3、γ射线屏蔽材料的断面的微观形貌测试

实施例1制备的γ射线屏蔽材料采用环氧树脂E51作为基体，固化后环氧树脂E51脆性大，通过分析γ射线屏蔽材料的抗折强度后，本实验采用日立S-3400N扫描电子显微镜对γ射线屏蔽材料的整个外观形貌及断面的微观形貌进行分析，样品断面经过喷金处理，可方便且清楚地观测γ射线屏蔽材料断面的微观形貌以及断裂的形式。如图2所示，可观察得到，实施例1制备的γ射线屏蔽材料的结构均匀且紧密。如图3所示，可观察得到，γ射线屏蔽材料断面。

4、γ射线屏蔽材料的耐热性能测试

实施例1制备的γ射线屏蔽材料的实际使用温度会因环境的不同而有差异，因此，很有必要对γ射线屏蔽材料的耐热性能进行研究。本实验在温度约为600℃，升温速率为10℃/min的空气条件下，采用SDT-2960差热-热重联用分析仪对试样进行热重分析，检测γ射线屏蔽材料的耐热性能。最终得出，γ射线屏蔽材料的耐受温度为245℃。

5、γ射线屏蔽材料对γ射线的屏蔽性能测试

实施例1制备的γ射线屏蔽材料对γ射线的屏蔽性能测试是在⁶⁰Coγ射线标准准直辐射场中，并在空气条件下进行的。γ射线屏蔽材料经测试后，其线性衰减系数μ_t、半值层厚度T_1/2及屏蔽率DB可通过以下几个公式计算得到：

线性衰减系数μ_t的关联公式：

ln(I/I₀)＝-μ_td

半值层厚度T_1/2的计算公式：

T_1/2＝ln2/μ_t

屏蔽率DB的计算公式：

DB＝(I₀-I)/I₀

式中：I₀——无屏蔽时γ射线的强度(μGy)；

I——γ射线穿过屏蔽材料后的强度(μGy)；

d——屏蔽材料的厚度(cm)；

T_1/2——半值层厚度(cm)；

μ_t——线性衰减系数(cm^-1)。

通过上述公式计算得出，γ射线屏蔽材料的线性衰减系数μ_t为0.069cm^-1，半值层厚度T_1/2为10.0cm，厚度为2cm的此种材料对γ射线的屏蔽率DB为12.5％。

同实施例1的步骤类似，实施例2-6是通过调整步骤S1中的钒渣中V₂O₅的质量分数，环氧树脂:聚酰胺树脂:钒渣的质量比，无水乙醇:钒渣的质量比，步骤S2中的固化温度，固化时间等参数条件来实现。实施例2-6的制备工艺条件具体如表1所示。上述工艺条件下制备的γ射线屏蔽材料的密度ρ、抗折强度σ_f、耐受温度、线性衰减系数μ_t、半值层厚度T_1/2、厚度为2cm的此种材料的屏蔽率DB等性能测试结果具体如表2所示。

表1 实施例2-6的制备工艺条件。

表2 实施例2-6的γ射线屏蔽材料的性能测试结果。

本发明充分利用价格低廉的冶金钒渣为填充原材料，以环氧树脂为基体，添加固化剂和挥发性稀释剂，制备出成本低，无污染，屏蔽率高的γ射线屏蔽材料。其中，该γ射线屏蔽材料的密度为1.1-2.6g·cm^-3，抗折强度为10-70MPa，耐受温度为228℃-245℃，线性衰减系数为0.066-0.13cm^-1，半值层厚度为5.2-10.5cm，厚度为2cm的此种材料对γ射线的屏蔽率为12.5％-25.8％。

本发明将钒渣、环氧树脂、固化剂及挥发性稀释剂均匀混合，之后在常温(24℃-26℃)下固化一定时间(12h-24h)，即可制备出具有上述特性的γ射线屏蔽材料。整个制备方法操作简单，容易成型，制作成本低，绿色环保。本发明克服了现有钒渣应用技术的局限性，解决了以往钒渣综合利用难的问题，既为钒渣的利用开辟了新途径，也为γ射线防护材料的生产找到了十分廉价的原料，具有成本低、生产操作简单、无二次污染等特点。

在上述各个实施例中，环氧树脂E51的相对分子质量为370-420，其环氧值为0.48-0.54mol/100g，在25℃下黏度为10000-25000mPa·s，有机氯值≤0.02mol/100g，无机氯值≤0.001mol/100g，挥发分≤2.0％，色泽≤2号，可作为制备γ射线屏蔽材料的一种基体材料。

环氧树脂E44的相对分子量为400左右，环氧值为0.41-0.47mol/100g，在25℃下黏度为30000-40000mPa·s，软化点为12-20℃，有机氯值≤0.02mol/100g，无机氯值≤0.001mol/100g，挥发分≤1.0％，色泽≤6号，也可作为制备γ射线屏蔽材料的一种基体材料。

当然，除了上述的两种环氧树脂外，此环氧树脂还可以选择牌号分别为E42、E54、E55中的一种或几种双酚A型环氧树脂，这些品种的环氧树脂的环氧值、黏度、软化点、有机氯值、无机氯值、挥发分及色泽等性能不同，但是均可以作为制备γ射线屏蔽材料的基体材料。

本发明的环氧树脂的固化剂为合成树脂类，优选650聚酰胺树脂和651聚酰胺树脂。650聚酰胺树脂又称H-4环氧固化剂，分子量为600-1100，其为浅棕色黏稠液体，密度在40℃条件下为0.97-0.99g/cm³，胺值为200-240mgKOH/g，无毒，可作为环氧树脂的韧性固化剂。651聚酰胺树脂为浅黄色粘稠液体，在40℃下密度为0.97-0.99g/cm³，胺值为380-450mgKOH/g，无毒，可作为环氧树脂的韧性固化剂，其固化速度快于650聚酰胺树脂。

在上述各个实施例中，挥发性稀释剂选择无水乙醇，无水乙醇的浓度(乙醇的质量分数)≥99.7％，可用来溶解钒渣、环氧树脂E51及651聚酰胺树脂的混合物，充分混合上述混合物，从而保证制备的γ射线屏蔽材料质地均匀、紧密。无水乙醇的加入量并不做特别要求，可过量，当加入过量时，多余的量可通过挥发去掉。

当然，挥发性稀释剂还可以选择醇类化合物丙二醇、酮类化合物丙酮、芳香族化合物二甲苯中的一种或多种，均能溶解钒渣、环氧树脂E51及651聚酰胺树脂的混合物，充分混合上述混合物。

在制备γ射线屏蔽材料过程中，球磨过筛能够将分散的大块钒渣进行冲击粉碎，并通过100目的筛子筛选后获得粒度较细的钒渣颗粒，从而使钒渣的组成更均一，方便钒渣与环氧树脂、固化剂和挥发性稀释剂的均匀混合，从而保证制备的γ射线屏蔽材料具有上述优良的性能。

在机械搅拌钒渣、环氧树脂、固化剂和挥发性稀释剂的混合物过程中，机械搅拌时间不局限于上述的15min，还可以是其他时间，如20min或30min，只要能够满足混合物混合均匀的要求即可。

在固化处理过程前，由于机械搅拌，混合物Ⅰ在搅拌过程中会产生大量的气泡，严重影响了γ射线屏蔽材料的物理和机械特性，因此，需要在真空条件下脱除这些气泡，以保证γ射线屏蔽材料产品的质量及性能。

在固化处理过程中，可根据最终产品的需求，将混合物Ⅰ倒入一定尺寸的模具中，经注塑成型或模压成型后，在常温(24℃-26℃)下固化处理，从模具中取出，最后经过切割加工成不同尺寸，易于后期商业应用的γ射线屏蔽材料产品。

本发明通过对比实施例1-6制备的γ射线屏蔽材料的性能测试结果，可以看出，实施例6制备的γ射线屏蔽材料对γ射线的屏蔽率最高，屏蔽效果最优。

以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种γ射线屏蔽材料，其特征在于，该γ射线屏蔽材料由以下组分按重量份制备得到：

钒渣5-90份；

环氧树脂5-8份；

固化剂3-5份；

挥发性稀释剂30-240份；

其中，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂；

所述固化剂为合成树脂类；

2.如权利要求1所述的γ射线屏蔽材料，其特征在于，所述环氧树脂为E51、E44、E42、E54、E55中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的γ射线屏蔽材料，其特征在于，所述固化剂为650聚酰胺树脂或651聚酰胺树脂。

4.如权利要求1所述的γ射线屏蔽材料，其特征在于，所述挥发性稀释剂为无水乙醇、丙酮、二甲苯中的一种或多种。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，其特征在于，在所述S1之前还包括以下步骤：

S0、对钒渣进行研磨过筛处理，得到预处理的钒渣。

7.如权利要求5所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，其特征在于，在所述S1之后且在所述S2之前，还包括以下步骤:

S11、将混合物Ⅰ在真空条件下进行脱泡处理。

8.如权利要求6所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，其特征在于，在所述S0中，研磨过筛处理后钒渣的粒度为100目。

9.如权利要求5所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述S2具体为：将混合物Ⅰ倒入模具中，经注塑成型或模压成型后，在常温条件下进行固化，从模具中取出，得到γ射线屏蔽材料。

10.如权利要求5或9所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述S2中的固化温度为24℃-26℃，固化时间为12h-24h。