CN110517802A - 基于射线与物质相互作用的辐射防护材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及辐射防护技术领域，尤其是基于射线与物质相互作用的辐射防护材料。包括顺序叠加分布且分别以成丝聚合物为主要组成成分的含重金属填料无纺布、不含填料无纺布、低含硼量填料无纺布、高含硼量填料无纺布和含铅填料无纺布；成丝聚合物包括聚丙烯、聚乙烯、聚酯和聚酰胺中的任意一种基体及均匀弥散于基体中的重核元素微粒或含锂元素的化合物或含硼元素的化合物。本发明基于射线与物质相互作用的原理，通过对金属材料和非金属材料的复合及金属含量的控制，不但具有热中子、中能中子和X、γ射线屏蔽防护的功能，而且能够有效吸收中子并保证γ射线后无二次辐射产生；其质地柔软、屏蔽效率高，具有很强的实用价值。

Description

基于射线与物质相互作用的辐射防护材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及辐射防护技术领域，尤其是基于射线与物质相互作用的辐射防护材料及其制备方法。

背景技术

从射线与物质的相互作用来看，材料的辐射屏蔽效果受到各种因素的影响，如射线的类型与能量大小、物质的组成与结构等，不同的组成元素和形貌的材料与射线产生的相互作用和效应截然不同。

以中子辐射为例，由于中子不带电，其与物质相互作用主要有两种形式，即：快中子的散射和减速、慢中子的吸收及二次释放的共化粒子或γ射线。目前，针对中子辐射而设计的辐射防护材料主要有含硼聚乙烯板、含硼橡胶和含硼或锂纤维织物等几种。其中，含硼聚乙烯板作为屏蔽材料大大降低了材料的柔软性和舒适性；含硼橡胶中的氢原子密度低，对中子的慢化不利，且橡胶类物质易发生粘结、柔软性较差、降低了穿着舒适性；含硼或锂元素的化合物纤维织物虽然具有柔软的特点，但采用离子交换纤维技术制备的纤维由于吸附量的限制，硼和锂元素的含量较低、牢度较差、屏蔽效率低；而以熔融纺丝制成的复合纤维，由于芯层辐射屏蔽物质含量不超过60％(w％)，导致其屏蔽效率低。

现有的理论研究及实际应用表明，针对中子辐射的屏蔽防护实际上是需要对快中子减速和对慢中子吸收。而诸如前述的现有辐射防护材料主要还是针对快中子屏蔽进行设计的，对中能中子的屏蔽效率很低，且没有对混合场中的X、γ射线和二次生成γ射线进行屏蔽。然而，实际的辐射场通常为混合场，且中子辐射的能谱分布很广，平均能量都在0.2MeV以上。如在研究性重水反应堆厂，中子场能量在11keV-201keV之间，热中子、中能中子和快中子的平均剂量当量份额分别为20.6％、21.0％和58.4％，且中子与中子吸收材料作用后产生能量较高的二次γ射线辐射。

鉴于核武器、核潜艇、核电站、核技术设施等场所大多为不只有一种射线，还往往是多能量或多成分射线构成的复杂辐射混合场，采用单一材料时防护效果会受到很大局限。因此，如何把非金属材料与金属材料复合在一起并满足射线屏蔽防护需求，是业内面临的关键问题之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供基于射线与物质相互作用的辐射防护材料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于射线与物质相互作用的辐射防护材料，它包括顺序叠加分布且分别以成丝聚合物为主要组成成分的含重金属填料无纺布、不含填料无纺布、低含硼量填料无纺布、高含硼量填料无纺布和含铅填料无纺布；

所述成丝聚合物包括聚丙烯、聚乙烯、聚酯和聚酰胺中的任意一种基体及均匀弥散于基体中的重核元素微粒或含锂元素的化合物或含硼元素的化合物。

优选地，所述重核元素微粒为粒径在1μm以下的锂-6同位素微粒或硼-10同位素微粒。

优选地，所述含锂元素的化合物为氟化锂、溴化锂、氢氧化锂中的一种。

优选地，所述含硼元素的化合物为氧化硼、硼酸或碳化硼中的一种。

优选地，所述成丝聚合物还包括用于将重核元素微粒或含锂元素的化合物或含硼元素的化合物均匀弥散于基体中的表面活性剂和稳定剂。

优选地，按质量比计，

所述含重金属填料无纺布由60％-85％的重金属化合物，1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和11.3％-38.7％的成丝聚合物组成；

所述不含填料无纺布由0.3％-0.7％的抗氧剂和99.3％-99.7％的成丝聚合物组成；

所述低含硼量填料无纺布由5％-30％的硼化合物、1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和66.3％-93.7％的成丝聚合物组成；

所述高含硼量填料无纺布由50％-70％的硼化合物、1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和26.3％-48.7％的成丝聚合物组成；

所述含铅填料无纺布由60％-90％的铅化合物、1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和6.3％-38.7％的成丝聚合物组成。

优选地，所述重金属化合物为碳酸钡、醋酸铅、三氧化二铅、辛酸铅、氧化铋、氢氧化铋、五氧化二铋中的任何一种或两种；

所述抗氧剂为胺类抗氧剂、苯酚类抗氧剂中的至少一种；

所述粘合剂为聚氨酯类、丙烯酸类、环氧树脂类中的一种或多种。

制备上述的辐射防护材料的方法，采用同一方法分别制备含重金属填料无纺布、低含硼量填料无纺布、高含硼量填料无纺布和含铅填料无纺布的步骤，所述方法步骤包括：

S1、熔喷：首先将成丝聚合物切片后与抗氧剂混合均匀，然后喂入螺杆挤压机中加热熔融，最后使熔融材料经由两个熔喷喷丝头分别挤出以形成两层纤网；

S2、喷涂：首先将功能填料和粘合剂加入搅拌釜中并搅拌混合均匀，然后将混合物加入喷涂装置的料筒中以通过喷涂工艺使混合物由喷涂装置的喷涂头喷出，以形成功能填料层；

S3、复合：在凝网帘上依次复合一层纤网、功能填料层和另一层纤网，然后然后经过烘干、压延、切边卷绕形成含功能填料的无纺布；

其中，功能填料为重金属化合物或硼化合物或铅化合物，且功能填料的平均粒径为1μm-10μm。

优选地，所述熔喷的工艺参数为：挤出量0.7g/min、一级气流压力为0.35MPa、二级气流压力为0.15MPa，接收距离为850mm；

所述喷涂的工艺参数为：上液量为500-800ml/min、空气压力为0.3-0.7MPa、喷涂头喷嘴的直径为10cm、喷嘴距布面距离为15cm、喷枪往返的次数为30-120次/min、搅拌时间为20-30min。

由于采用了上述方案，本发明通过对功能粒子含量的控制、功能粒子配比的协调，并经过熔喷、喷涂、烘干、压延、切边卷绕等工艺的处理，不仅对中子的屏蔽效率高，而且还能对混合场中的χ、γ射线进行屏蔽，在吸收中子和γ射线后无二次辐射产生；不但能够为军事区域核辐射环境的监测、核污染的清除治理、核军工实验室即核潜艇等涉核作业提供安全保障，而且对于新型坦克的核防护、战车乘员和防化兵指战员的中子防护、核武器地下隧道作业防护、国防舰船修造工作人员防护、核设施营运单位、核技术利用单位、铀(钍)矿和伴生放射性矿开发利用单位等亦可护起到良好的安全保障作用。

附图说明

图1是本发明实施例的所采用的工艺生产线示意图；

图2是本发明实施例的试验效果图样。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本实施例提供的基于射线与物质相互作用的辐射防护材料，它包括：

含重金属填料无纺布，主要用于使高能量的中子与重金属原子核发生非弹性散射而损失能量，从而使中能中子能量迅速降低到非弹性散射的阈值，并同时起到屏蔽X、γ射线的作用；

不含填料无纺布，主要是利用含氢元素较多的化合物与中子发生非弹性散射，以使中子能量能够进一步降低到热能区；

低含硼量填料无纺布，主要用于降低中子能量并同时吸收热中子；

高含硼量填料无纺布，主要是利用硼元素对热中子吸收截面大及俘获γ射线能量低的特点对热中子作进一步吸收；

和

含铅填料无纺布，主要用于屏蔽一次和二次γ射线；

其中，含重金属填料无纺布、不含填料无纺布、低含硼量填料无纺布、高含硼量填料无纺布和含铅填料无纺布分别以成丝聚合物为主要组成成分且相互间以由外至内呈顺序叠加方式进行层层分布，而成丝聚合物则为以聚丙烯、聚乙烯、聚酯和聚酰胺中的任意一种为基体，通过在基体中均匀添加重核元素微粒、含锂元素的化合物或含硼元素的化合物后构成的聚合物。

由此，通过将含有不同填料的无纺布进行内外叠加设置，不但可形成对中子起到全面屏蔽并同时对X、γ射线及二次γ射线进行屏蔽的辐射防护材料，而且材料本身柔软、舒适、屏蔽效率高；同时，通过各无纺布中的重核元素微粒、含锂化合物、含硼化合物等亦可实现对慢中子的有效吸收。其中，图2示出了本实施例辐射防护材料的试验效果图样。

作为优选方案，本实施例的重核元素微粒优选粒径在1μm以下的锂-6同位素微粒或硼-10同位素微粒。含锂元素的化合物优选氟化锂、溴化锂、氢氧化锂中的一种。含硼元素的化合物优选氧化硼、硼酸或碳化硼中的一种。

为使得重核元素微粒、含锂元素的化合物或含硼元素的化合物能够均匀分散在成丝聚合物的基体中，同时均匀地转移能量，本实施例的成丝聚合物还包括表面活性剂和稳定剂。

在具体实施时，作为优选方案，本实施例的各层无纺布可分别按以下组分及质量比进行组合配制，即：

含重金属填料无纺布由60％-85％的重金属化合物，1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和11.3％-38.7％的成丝聚合物组成；

不含填料无纺布由0.3％-0.7％的抗氧剂和99.3％-99.7％的成丝聚合物组成；

低含硼量填料无纺布由5％-30％的硼化合物、1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和66.3％-93.7％的成丝聚合物组成；

高含硼量填料无纺布由50％-70％的硼化合物、1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和26.3％-48.7％的成丝聚合物组成；

含铅填料无纺布由60％-90％的铅化合物、1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和6.3％-38.7％的成丝聚合物组成。

其中，抗氧剂为胺类抗氧剂、苯酚类抗氧剂中的至少一种；粘合剂为聚氨酯类、丙烯酸类、环氧树脂类中的一种或多种。重金属化合物为碳酸钡、醋酸铅、三氧化二铅、辛酸铅、氧化铋、氢氧化铋、五氧化二铋中的任何一种或两种。

基于上述材料，本实施例还提供了用于制备上述的辐射防护材料的方法，即采用同一方法和工艺设备(如图1所示的工艺生产线)分别制备含重金属填料无纺布、低含硼量填料无纺布、高含硼量填料无纺布和含铅填料无纺布的步骤，包括：

S1、熔喷：首先将成丝聚合物切片后与抗氧剂混合均匀，然后喂入螺杆挤压机A中加热熔融，最后使熔融材料经由两个熔喷喷丝头(即：喷丝头1和喷丝头2)分别挤出，以形成两层纤网；其中，熔喷的工艺参数为：挤出量0.7g/min、一级气流压力为0.35MPa、二级气流压力为0.15MPa，接收距离为850mm

S2、喷涂：首先将功能填料(即：平均粒径为1μm-10μm的重金属化合物或硼化合物或铅化合物)和粘合剂加入搅拌釜中并搅拌混合均匀，然后将混合物加入喷涂装置的料筒中以通过喷涂工艺使混合物由喷涂装置的喷涂头3喷出，以形成相应的功能填料层；其中，喷涂的工艺参数为：上液量为500-800ml/min、空气压力为0.3-0.7MPa、喷涂头1喷嘴的直径为10cm、喷嘴距布面距离为15cm、喷枪往返的次数为30-120次/min、搅拌时间为20-30min；

S3、复合：在凝网帘上依次复合一层纤网、功能填料层和另一层纤网，然后然后经过烘干、压延、切边卷绕即可形成含相应功能填料的无纺布。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.基于射线与物质相互作用的辐射防护材料，其特征在于：它包括顺序叠加分布且分别以成丝聚合物为主要组成成分的含重金属填料无纺布、不含填料无纺布、低含硼量填料无纺布、高含硼量填料无纺布和含铅填料无纺布；

所述成丝聚合物包括聚丙烯、聚乙烯、聚酯和聚酰胺中的任意一种基体及均匀弥散于基体中的重核元素微粒或含锂元素的化合物或含硼元素的化合物。

2.如权利要求1所述的辐射防护材料，其特征在于：所述重核元素微粒为粒径在1μm以下的锂-6同位素微粒或硼-10同位素微粒。

3.如权利要求1所述的辐射防护材料，其特征在于：所述含锂元素的化合物为氟化锂、溴化锂、氢氧化锂中的一种。

4.如权利要求1所述的辐射防护材料，其特征在于：所述含硼元素的化合物为氧化硼、硼酸或碳化硼中的一种。

5.如权利要求1所述的辐射防护材料，其特征在于：所述成丝聚合物还包括用于将重核元素微粒或含锂元素的化合物或含硼元素的化合物均匀弥散于基体中的表面活性剂和稳定剂。

6.如权利要求1所述的辐射防护材料，其特征在于：按质量比计，

所述含重金属填料无纺布由60％-85％的重金属化合物，1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和11.3％-38.7％的成丝聚合物组成；

所述不含填料无纺布由0.3％-0.7％的抗氧剂和99.3％-99.7％的成丝聚合物组成；

所述低含硼量填料无纺布由5％-30％的硼化合物、1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和66.3％-93.7％的成丝聚合物组成；

所述高含硼量填料无纺布由50％-70％的硼化合物、1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和26.3％-48.7％的成丝聚合物组成；

所述含铅填料无纺布由60％-90％的铅化合物、1％-3％的粘合剂、0.3％-0.7％的抗氧剂和6.3％-38.7％的成丝聚合物组成。

7.如权利要求6所述的辐射防护材料，其特征在于：

所述重金属化合物为碳酸钡、醋酸铅、三氧化二铅、辛酸铅、氧化铋、氢氧化铋、五氧化二铋中的任何一种或两种；

所述抗氧剂为胺类抗氧剂、苯酚类抗氧剂中的至少一种；

所述粘合剂为聚氨酯类、丙烯酸类、环氧树脂类中的一种或多种。

8.制备如权利要求6所述的辐射防护材料的方法，其特征在于：采用同一方法分别制备含重金属填料无纺布、低含硼量填料无纺布、高含硼量填料无纺布和含铅填料无纺布的步骤，所述方法步骤包括：

S1、熔喷：首先将成丝聚合物切片后与抗氧剂混合均匀，然后喂入螺杆挤压机中加热熔融，最后使熔融材料经由两个熔喷喷丝头分别挤出以形成两层纤网；

S2、喷涂：首先将功能填料和粘合剂加入搅拌釜中并搅拌混合均匀，然后将混合物加入喷涂装置的料筒中以通过喷涂工艺使混合物由喷涂装置的喷涂头喷出，以形成功能填料层；

S3、复合：在凝网帘上依次复合一层纤网、功能填料层和另一层纤网，然后然后经过烘干、压延、切边卷绕形成含功能填料的无纺布；

其中，功能填料为重金属化合物或硼化合物或铅化合物，且功能填料的平均粒径为1μm-10μm。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：

所述熔喷的工艺参数为：挤出量0.7g/min、一级气流压力为0.35MPa、二级气流压力为0.15MPa，接收距离为850mm；

所述喷涂的工艺参数为：上液量为500-800ml/min、空气压力为0.3-0.7MPa、喷涂头喷嘴的直径为10cm、喷嘴距布面距离为15cm、喷枪往返的次数为30-120次/min、搅拌时间为20-30min。