CN108948463A - 一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料及其制备方法，该防护材料以合成树脂为基料，利用合成树脂的单体或与单体相似的有机化合物对填料进行改性，改性产物再添加到基料中，可以增大填料在基料中的分散程度。通过添加剂改善其硬度和韧性，经混合、开炼、压延工艺将粒度细化处理的改性填料(氧化铅粉、碳化硼粉、硫酸钡粉、重金属氧化物粉(除铅外)以及氧化铒粉)均匀弥散在合成树脂基料中，生产出具有防护效果好、韧性优、质量轻的合成树脂的片状材料。按《GBZ/T 147‑2002 X射线防护材料衰减性能的测定》检测：材料铅当量达到0.15‑0.35mmPb(厚度1mm；单位面积重量为2.0‑4.0Kg/m2)，其它性能数据均满足《GB16757‑2016X射线防护服标准》的要求。

Description

一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及防护材料，特别是一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料及其制备方法。
背景技术
随着现代科学技术的迅速发展，在工业、农业、医学、油田测井、地质勘探、石油化工、国防科研、航空航天、建筑安装、核能、造船、环境监测、三废处理等领域各种高能射线(如X、γ射线)被更加广泛的应用。带给人类巨大经济和社会效益的同时，高能射线对人体的伤害和对环境的破坏也越来越严重。随着人们对辐射生物效应认识与研究的不断深入，高能射线的防护已引起人们的高度重视。研究发现：高能射线能够引发致癌作用和细胞变异导致的遗传效应，因此做好预防辐射已刻不容缓。高能射线的防护可采用时间防护、距离防护和屏蔽防护3种方式。屏蔽防护就是在放射源和人员之间使用或设置一种能有效吸收或阻挡高能射线的防护材料，从而减弱或消除高能射线对人体的危害，并且适用性更强。
传统防护服的材料为铅，铅的原子序数为82，具有良好的能量吸收与阻挡特性，是一种公认的用以屏蔽高能辐射的理想材料。研究发现：铅粒子对能量高于88.0keV和介于13.0keV至40keV之间的辐射有良好的吸收能力，但对于能量介于40keV至88.0keV之间的辐射存在粒子吸收能力薄弱区域(即铅的/弱吸收区)，并且对中子辐射无吸收和阻挡能力。除此之外，由铅制成的材料质重，导致穿着者行动不便，体能消耗大，因此将铅作为唯一吸收物质所制成的防辐射材料，其缺陷是显而易见的。针对从业者的健康防护以及轻便角度来说，开发一款防护效果好、质量轻、柔软的辐射防护材料至关重要。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料及其制备方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料及其制备方法，其材料主要组分按重量份数计量如下：
所述合成树脂粉为乳聚丁苯橡胶、溶聚丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜，合成树脂选自其中的一种或几种。
所述重金属氧化物包括氧化铋、氧化锑、氧化碲、氧化镓、氧化铌、氧化钨、氧化锗、氧化镉、氧化锡，重金属氧化物选自其中的一种或几种。
所述偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂两类偶联剂中的一种或几种，但不能互相发生化学反应。
包括如下步骤：
步骤一：粉碎、过筛
将氧化铅粉、重金属氧化物粉(除铅外)、氧化铒粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，形成种类不同，颗粒大小不同的微纳米粉；
将碳化硼粉、硫酸钡粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，形成种类不同，颗粒大小不同的微纳米粉；
步骤二：改性、混合
将氧化铅粉、重金属氧化物粉(除铅外)、氧化铒粉，按照上述配方要求，取样置容器中，加入一定量合成树脂的单体或与单体相似的有机化合物，搅拌、加热、冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合15-20min(一类)；
将碳化硼粉、硫酸钡粉，按照上述配方要求，取样置容器中，加入一定量合成树脂的单体，搅拌、加热、冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合15-20min(二类)；
步骤三：开炼
在常温下，开炼机中加入合成树脂，塑炼3-5min，将步骤二两类混合均匀的粉体分别加入其中，之后依次加入硬脂酸锌、硬脂酸钙、防老剂4010NA，混合1-3min，再加入邻苯二甲酸二甲酯，混合2-3min，混合 10-15min，最后加入偶联剂，混合1-2min；
步骤四：压延
将步骤三的胶料在热炼机上50-60℃热炼15-20min，之后辊筒温度在35-45℃进行压延，根据不同厚度要求，调节辊筒间距，得到不同厚度的片状辐射防护材料。
利用本发明的技术方案制作的一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料及其制备方法，该防护材料以合成树脂为基料，利用合成树脂的单体或与单体相似的有机化合物对填料进行改性，改性产物再添加到基料中，可以增大填料在基料中的分散程度。通过添加剂改善其硬度和韧性，经混合、开炼、压延工艺将粒度细化处理的改性填料(氧化铅粉、碳化硼粉、硫酸钡粉、重金属氧化物粉(除铅外)以及氧化铒粉)均匀弥散在合成树脂基料中，生产出具有防护效果好、韧性优、质量轻的合成树脂的片状材料。按《GBZ/T 147-2002 X射线防护材料衰减性能的测定》检测：材料铅当量达到0.15-0.35mmPb(厚度1mm；单位面积重量为2.0-4.0Kg/m2)，其它性能数据均满足《GB16757-2016 X射线防护服标准》的要求。
具体实施方式
对本发明进行具体描述，
实施例一、乳聚丁苯橡胶制备X、γ射线辐射与中子辐射防护材料的方法
步骤一：粉碎、过筛
将氧化铅粉、重金属氧化物粉(除铅外)、氧化铒粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，待用；
将碳化硼粉、硫酸钡粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，待用；
步骤二：改性、混合
将2份氧化铅粉、20份重金属氧化物粉(除铅外)、8份氧化铒粉，取样置于装有甲苯的容器中，分散，加入过量的六亚甲基二异氰酸酯，搅拌、加热至沸腾，20min后，冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合20min(一类)；
将2份碳化硼粉、10份硫酸钡粉，取样置于装有甲苯的容器中，分散，加入过量的六亚甲基二异氰酸酯，搅拌、加热至沸腾，20min后，冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合20min(二类)；
步骤三：开炼
在常温下，开炼机中加入28份乳聚丁苯橡胶，塑炼4min，将步骤二两类混合均匀的粉体分别加入其中，之后依次加入1份硬脂酸锌、1份硬脂酸钙、1.5份防老剂4010NA，混合2min，再加入20份邻苯二甲酸二甲酯，混合2min，混合15min，最后加入1份γ-巯丙基三乙氧基硅烷，混合2min；
步骤四：压延
将步骤三的胶料在热炼机上50℃热炼20min，之后辊筒温度在35℃进行压延，通过调节辊筒间距，得到厚度0.5mm的片状辐射防护材料。
按《GBZ/T 147-2002 X射线防护材料衰减性能的测定》检测：材料铅当量达到0.20mmPb(厚度1mm；单位面积重量为2.0Kg/m2)，其它性能数据均满足《GB16757-2016 X射线防护服标准》的要求。
实施例二、顺丁橡胶制备X、γ射线辐射与中子辐射防护材料的方法
步骤一：粉碎、过筛
将氧化铅粉、重金属氧化物粉(除铅外)、氧化铒粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，待用；
将碳化硼粉、硫酸钡粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，待用；
步骤二：改性、混合
将1.5份氧化铅粉、24份重金属氧化物粉(除铅外)、8份氧化铒粉，取样置于装有无水乙醇的容器中，分散，加入过量的甲基丙烯酸甲酯，搅拌、加热至沸腾，20min后，冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合20min(一类)；
将2份碳化硼粉、10份硫酸钡粉，取样置于装有无水乙醇的容器中，分散，加入过量的甲基丙烯酸甲酯，搅拌、加热至沸腾，20min后，冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合20min(二类)；
步骤三：开炼
在常温下，开炼机中加入28份顺丁橡胶，塑炼4min，将步骤二混合均匀的粉体分别加入其中，之后依次加入1份硬脂酸锌、1份硬脂酸钙、1.5份防老剂4010NA，混合2min，再加入25份邻苯二甲酸二甲酯，混合 2min，混合15min，最后加入1份γ-巯丙基三乙氧基硅烷，混合2min；
步骤四：压延
将步骤三的胶料在热炼机上50℃热炼20min，之后辊筒温度在35℃进行压延，通过调节辊筒间距，得到厚度0.5mm的片状辐射防护材料。
按《GBZ/T 147-2002 X射线防护材料衰减性能的测定》检测：材料铅当量达到0.25mmPb(厚度1mm；单位面积重量为2.5Kg/m2)，其它性能数据均满足《GB16757-2016 X射线防护服标准》的要求。
实施例三、聚乙烯制备X、γ射线辐射与中子辐射防护材料的方法
步骤一：粉碎、过筛
将氧化铅粉、重金属氧化物粉(除铅外)、氧化铒粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，待用；
将碳化硼粉、硫酸钡粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，待用；
步骤二：改性、混合
将2份氧化铅粉、20份重金属氧化物粉(除铅外)、8份氧化铒粉，取样置于装有蒸馏水的容器中，分散，加入过量的聚乙烯醇，搅拌、加热至沸腾，20min后，冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合15min(一类)；
将2份碳化硼粉、10份硫酸钡粉，取样置于装有蒸馏水的容器中，分散，加入过量的聚乙烯醇，搅拌、加热至沸腾，20min后，冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合15min(二类)；
步骤三：开炼
在常温下，开炼机中加入18份聚乙烯和12份聚苯乙烯，塑炼4min，将步骤二混合均匀的粉体分别加入其中，之后依次加入1份硬脂酸锌、1 份硬脂酸钙、1.5份防老剂4010NA，混合2min，再加入20份邻苯二甲酸二甲酯，混合2min，混合15min，最后加入1份乙烯基三甲氧基硅烷，混合2min；
步骤四：压延
将步骤三的胶料在热炼机上50℃热炼20min，之后辊筒温度在30℃进行压延，通过调节辊筒间距，得到厚度0.5mm的片状辐射防护材料。
按《GBZ/T 147-2002 X射线防护材料衰减性能的测定》检测：材料铅当量达到0.17mmPb(厚度1mm；单位面积重量为2.2Kg/m2)，其它性能数据均满足《GB16757-2016 X射线防护服标准》的要求。
实施例四、聚氨酯制备X、γ射线辐射与中子辐射防护材料的方法
步骤一：粉碎、过筛
将氧化铅粉、重金属氧化物粉(除铅外)、氧化铒粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，待用；
将碳化硼粉、硫酸钡粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，待用；
步骤二：改性、混合
将1.5份氧化铅粉、24份重金属氧化物粉(除铅外)、8份氧化铒粉，取样置于装有甲苯的容器中，分散，加入过量的聚乙烯醇，搅拌、加热至沸腾，20min后，冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合15min(一类)；
将2份碳化硼粉、10份硫酸钡粉，取样置于装有甲苯的容器中，分散，加入过量的甲苯二异氰酸酯，搅拌、加热至沸腾，20min后，冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合15min(二类)；
步骤三：开炼
在常温下，开炼机中加入30份聚氨酯，塑炼4min，将步骤二混合均匀的粉体分别加入其中，之后依次加入1份硬脂酸锌、1份硬脂酸钙、1 份防老剂4010NA，混合2min，再加入20份邻苯二甲酸二甲酯，混合2min，混合15min，最后加入1份γ―氨丙基三乙氧基硅烷，混合2min；
步骤四：压延
将步骤三的胶料在热炼机上50℃热炼20min，之后辊筒温度在30℃进行压延，通过调节辊筒间距，得到厚度0.5mm的片状辐射防护材料。
按《GBZ/T 147-2002 X射线防护材料衰减性能的测定》检测：材料铅当量达到0.30mmPb(厚度1mm；单位面积重量为3.1Kg/m2)，其它性能数据均满足《GB16757-2016 X射线防护服标准》的要求。
在具体实施方案中，通过减少氧化铅的用量，从而减少铅的含量，从而解决由铅制成的材料质重，导致穿着者行动不便，体能消耗大的问题，到达得到轻便的防护材料。
在具体实施方案中，碳化硼(boron carbide)，别名黑钻石，分子式为B4C，通常为灰黑色微粉。是已知最坚硬的三种材料之一(其他两种为金刚石、立方相氮化硼)，用于坦克车的装甲、避弹衣和很多工业应用品中。它的摩氏硬度为9.3。
碳化硼可以吸收大量的中子而不会形成任何放射性同位素，因此它在核能发电场里它是很理想的中子吸收剂，而中子吸收剂主要是控制核分裂的速率。碳化硼在核反应炉场里主要是做成可控制的棒状，但有的时候会因为要增加表面积而把它制成粉末状。
因具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点。在耐磨材料、陶瓷增强相，尤其在轻质装甲，反应堆中子吸收剂等方面使用。此外，和金刚石和立方氮化硼相比，碳化硼制造容易、成本低廉，因而使用更加广泛，在某些地方可以取得价格昂贵的金刚石、常见在磨削、研磨、钻孔等方面的应用。
碳化硼物理化学性质：与酸、碱溶液不起反应，具有高化学位、中子吸收、耐磨及半导体导电性。是对酸最稳定的物质之一，在所有浓或稀的酸或碱水溶液中都稳定。碳化硼在空气环境下中800℃以下是基本稳定的，由于其在更高的温度氧化形成的氧化硼呈气相流失，导致其不稳定，氧化形成二氧化碳和三氧化二硼。
当有一些过渡金属及其碳化物共存时，有特殊的稳定性。在 1000～1100℃条件下元素周期表中第Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ族过渡金属与碳化硼粉末强烈反应形成金属硼化物。不过，在更高的反应温度下，文献报道指出碳化硼容易氮化或者和过渡金属氧化物反应，形成相应的氮化硼、以及硼化物，这种硼化物以稀土和碱土金属六硼化物为多。
氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾熔融时，碳化硼容易分解，并进行硼含量的测定。
它的摩氏硬度为9.3，并是继金刚石、氮化硼、的已知第三种最硬的物质。
由于制备手段的因素，碳化硼容易形成碳缺陷，导致硼碳比在很大的范围内变化而不影响其晶体结构，这往往导致其理化性能的降低。这种缺陷往往难以通过粉末衍射分辨，常常需要化学滴定以及能量损失谱确定。
在具体实施方案中，通过设置碳化硼和硫酸钡，可以起到弱化中子的作用。
在具体实施方案中，由于将铅的含量降低之后，为了弥补铅的不足，通过添加适量的重金属氧化物，从而弥补铅的不足，提高阻挡力。
在具体实施方案中，铒为银白色金属；熔点1529℃，沸点2863℃，密度9.006克/厘米3；铒在低温下是反铁磁性的，在接近绝对零度时为强铁磁性，并为超导体。铒在室温下缓慢被空气和水氧化，氧化铒为玫瑰红色。铒可用作反应堆控制材料；铒也可作某些荧光材料的激活剂。但铒本身不具有稳定的形态，所以需要氧化铒或者其他的铒的化合物形态进行稳定，同时，氧化铒或者其他的铒的化合物具有延展性。
氧化铒或者其他的铒的化合物为过度金属，从而弥补铅的不足。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料，其特征在于，其材料主要组分按重量份数计量如下：
。
2.根据权利要求1所述的一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料，其特征在于，所述合成树脂粉为乳聚丁苯橡胶、溶聚丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜，合成树脂选自其中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料，其特征在于，所述重金属氧化物包括氧化铋、氧化锑、氧化碲、氧化镓、氧化铌、氧化钨、氧化锗、氧化镉、氧化锡，重金属氧化物选自其中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料，其特征在于，所述偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂两类偶联剂中的一种或几种，但不能互相发生化学反应。
5.一种X、γ射线辐射与中子辐射防护材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：粉碎、过筛
将氧化铅粉、重金属氧化物粉(除铅外)、氧化铒粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，形成种类不同，颗粒大小不同的微纳米粉；
将碳化硼粉、硫酸钡粉，按照各自颗粒密度不同，将粉体处理、过筛(去除大颗粒和过小颗粒)，形成种类不同，颗粒大小不同的微纳米粉；
步骤二：改性、混合
将氧化铅粉、重金属氧化物粉(除铅外)、氧化铒粉，按照上述配方要求，取样置容器中，加入一定量合成树脂的单体或与单体相似的有机化合物，搅拌、加热、冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合15-20min(一类)；
将碳化硼粉、硫酸钡粉，按照上述配方要求，取样置容器中，加入一定量合成树脂的单体，搅拌、加热、冷却、过滤、干燥、破碎，通过混合机常温下混合15-20min(二类)；
步骤三：开炼
在常温下，开炼机中加入合成树脂，塑炼3-5min，将步骤二两类混合均匀的粉体分别加入其中，之后依次加入硬脂酸锌、硬脂酸钙、防老剂4010NA，混合1-3min，再加入邻苯二甲酸二甲酯，混合2-3min，混合10-15min，最后加入偶联剂，混合1-2min；
步骤四：压延
将步骤三的胶料在热炼机上50-60℃热炼15-20min，之后辊筒温度在35-45℃进行压延，根据不同厚度要求，调节辊筒间距，得到不同厚度的片状辐射防护材料。
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