CN111469506A - 一种新型核辐射防护材料其制备方法 - Google Patents

一种新型核辐射防护材料其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及核辐射防护技术领域，提供一种新型核辐射防护材料其制备方法，旨在解决传统的核辐射屏蔽材料主要为含铅硫化橡胶、金属薄膜等材料，存在各种缺点的问题，制备出既具有高效核防护功能又曲径透气功能的新型核辐射防护材料，包括外层、散射层、屏蔽层以及内层，所述内层和外层为经抗静电整理的涤纶绸；所述散射层为含有石墨烯和硼元素的复合中密度热粘合纤维集聚材料；所述屏蔽层为含有金属铋微粉的高密度热粘合纤维集聚材料；所述外层、散射层、屏蔽层以及内层通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合形成核辐射防护材料。本发明尤其适用于核辐射防护的行业使用，具有较高的社会使用价值和应用前景。

Description

一种新型核辐射防护材料其制备方法
技术领域
本发明涉及核辐射防护技术领域，具体涉及一种新型核辐射防护材料其制备方法。
背景技术
近年来，随着国防科研、放射性医学和核技术应用的不断发展，各种放射性射线被广泛应用，利用辐射获利的同时，射线对人体的伤害和对环境的破坏也逐渐被人类所认识。工作人员长期接触放射性射线，对性腺、乳腺、造血骨髓等都会产生伤害，超过剂量甚至会致癌，给人体带来严重威胁。核辐射防护材料与装备是保证辐射场所工作人员和公众安全的关键，也是化解核事故危机的有效手段，是军事和民用辐射安全防护的重要保障。因此，对防辐射材料的研究便成为一项十分重要和迫切的课题。
传统的核辐射屏蔽材料主要为含铅硫化橡胶、金属薄膜等材料。但是，铅毒性大、存在射线弱吸收区、制成的材料比较笨重等缺点，橡胶材料存在透气性差、需要硫化加工、不易制备轻薄制品、硫化胶不能回收等缺点；金属薄膜为保证防护效果，需要频繁更换的缺点。
为此，我们提出了一种新型核辐射防护材料其制备方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型核辐射防护材料其制备方法，克服了现有技术的不足，设计合理，结构紧凑，旨在解决传统的核辐射屏蔽材料主要为含铅硫化橡胶、金属薄膜等材料，存在各种缺点的问题，通过将不同形态的功能纤维集聚在一起，采用不同密度结构，梯度阻隔核辐射射线的机理，形成既具有高效核防护功能又曲径透气功能的新型核辐射防护材料。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种新型核辐射防护材料，包括外层、散射层、屏蔽层以及内层，所述内层和外层为经抗静电整理的涤纶绸；
所述散射层为含有石墨烯和硼元素的复合中密度热粘合纤维集聚材料；
所述屏蔽层为含有金属铋微粉的高密度热粘合纤维集聚材料；
所述外层、散射层、屏蔽层以及内层通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合形成核辐射防护材料。
优选的，所述内层和外层为经抗静电整理的尼龙绸。
优选的，所述内层和外层为经嵌织导电纤维处理的涤纶绸。
优选的，所述内层和外层为经嵌织导电纤维处理的尼龙绸。
本发明同时提供上述新型核辐射防护材料的具体制备方法，包括如下步骤：
S1、无机粉末有机化改制：
S1-1、使用能量为1.17Mev-1.33Mev的Co-60高能射线辐照，对石墨稀、纳米钨粉、纳米铋粉和硼的混合粉料表面进行刻蚀；
S1-2、采用湿法改性工艺，以硅烷偶联剂3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)为改性剂，对S1-1中处理后的混合粉料进行表面改性，制得具有防核辐射功能的有机化无机铋粉；
S2、散射层制作：
S2-1、以聚氨酯作为涂层胶，甲苯为溶剂，聚酯颗粒(PET)为主原料，分别加入按照要求配比的有机化石墨稀和S1中所述的有机化无机铋粉，共混后烘干并纺丝，制得杂化集聚纤维材料；
S2-2、对S2-1中的杂化集聚纤维材料，经热轧工艺使纤维材料热粘合，制得散射层；
S3、屏蔽层制作：
S3-1、以聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)中的任一种作为芯层聚合物原料，与S1中所述的有机化无机铋粉混合造粒，制得共混可纺颗粒；
S3-2、以聚酯颗粒(PET)作为皮层聚合物；
S3-3、将上述芯层聚合物原料、共混可纺颗粒和皮层聚合物采用复合纤维集聚材料工艺制备，制得芯层结构中含屏蔽金属粉末的屏蔽层；
S4、将外层、散射层、屏蔽层、内层材料通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合，制得一种新型核辐射防护材料。
优选的，所述S1-2中，
按重量百分比计，混合粉料包括，石墨稀：8％-13％，纳米钨粉：6％-8％，纳米铋粉：70％-80％，硼4％-11％。
优选的，所述S1-2中，
按重量百分比计，湿法改性工艺为将20％混合粉料冷却至室温，加入2％硅烷偶联剂3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和78％去离子水，置于磁力搅拌器上搅拌改性2h，然后使用离心机离心分离20min，用无水乙醇洗涤3-5次，真空干燥并粉碎，完成改性。
优选的，所述S2-1中，
按重量计，聚酯颗粒与有机化石墨烯粉、有机化无机铋粉的比例为2:1:1，共混温度为250℃，烘干温度为80℃，烘干时间为2h。
优选的，所述步骤S3-1中，
按重量计，有机化纳米铋粉与芯层聚合物原料的比例为1:2。
优选的，所述步骤3-4中，
按重量百分比计，复合纤维集聚材料工艺为将40％-46％共混可纺颗粒40℃烘干1h，并与54％-60％皮层聚合物进行复合纺丝，制得复合丝，经牵伸定型处理，制得芯层结构中含屏蔽金属粉末的屏蔽层。
(三)有益效果
本发明实施例提供了一种新型核辐射防护材料其制备方法，具备以下有益效果：
1、本发明改变了传统涂成工艺的技术路径，通过将不同形态的功能纤维集聚在一起，采用不同密度结构，梯度阻隔核辐射射线的机理，形成既具有高效核防护功能又曲径透气功能的舒适型新型核辐射防护材料，无铅添加，减少人体伤害，显著降低材料对使用人员的健康影响，提高穿戴的舒适感。
2、本发明可以有效提高核辐射防护材料的使用寿命，并可以极大的提高核辐射防护材料生产企业的国际竞争力，增强在国际市场的占有量。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种新型核辐射防护材料其制备方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为本发明的制备方法中纺丝的设备流程图；
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
该实施例提供的核辐射防护材料的内层和外层为经抗静电整理的涤纶绸。
一种新型核辐射防护材料，包括外层、散射层、屏蔽层以及内层；
所述散射层为含有石墨烯和硼元素的复合中密度热粘合纤维集聚材料；
所述屏蔽层为含有金属铋微粉的高密度热粘合纤维集聚材料；
所述外层、散射层、屏蔽层以及内层通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合形成核辐射防护材料。
本发明同时提供上述新型核辐射防护材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、无机粉末有机化改制：
S1-1、使用能量为1.17Mev的Co-60高能射线辐照，对由石墨稀：13％，纳米钨粉：6％，纳米铋粉：70％，硼：11％组成的混合粉料表面进行刻蚀，提高混合粉料表面粗糙度和含氧活性基团数量；
S1-2、将20％混合粉料冷却至室温，加入2％硅烷偶联剂3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和78％去离子水，置于磁力搅拌器上搅拌改性2h，然后使用离心机离心分离20min，用无水乙醇洗涤3-5次，真空干燥并粉碎，完成表面改性，制得具有防核辐射功能的有机化无机铋粉；
S2、散射层制作：
S2-1、以聚氨酯作为涂层胶，甲苯为溶剂，聚酯颗粒(PET)为主原料，分别加入按照要求配比的有机化石墨稀和S1中所述的有机化无机铋粉，其中聚酯颗粒与有机化石墨烯粉、有机化无机铋粉的比例为2:1:1，共混温度为250℃，烘干温度为80℃，烘干时间为2h，共混后烘干并纺丝，制得杂化集聚纤维材料；
S2-2、对S2-1中的杂化集聚纤维材料，经热轧工艺使纤维材料热粘合，制得散射层；
S3、屏蔽层制作：
S3-1、以聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)中的任一种作为芯层聚合物原料，与 S1中所述的有机化无机铋粉混合造粒，制得共混可纺颗粒，有机化纳米铋粉与芯层聚合物原料的比例为1:2；
S3-2、以聚酯颗粒(PET)作为皮层聚合物；
S3-3、按重量百分比计，经复合纤维集聚材料工艺将40％共混可纺颗粒40℃烘干1h，并与60％皮层聚合物进行复合纺丝，制得复合丝，经牵伸定型处理，制得芯层结构中含屏蔽金属粉末的屏蔽层；
S4、将外层、散射层、屏蔽层、内层材料通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合，制得一种新型核辐射防护材料。
其中，S2-1中，纺丝使用双螺杆熔融挤出机，挤出温度：280℃，螺杆转速： 90r/min，挤出速度：9-10mm/min，牵伸倍数4.5，喷丝孔孔径：2mm，卷绕速度： 180r/min，使纤维材料热粘合形成纺丝。
实施例2
该实施例提供的核辐射防护材料的内层和外层为经抗静电整理的尼龙绸。
一种新型核辐射防护材料，包括外层、散射层、屏蔽层以及内层；
所述散射层为含有石墨烯和硼元素的复合中密度热粘合纤维集聚材料；
所述屏蔽层为含有金属铋微粉的高密度热粘合纤维集聚材料；
所述外层、散射层、屏蔽层以及内层通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合形成核辐射防护材料。
本发明同时提供上述新型核辐射防护材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、无机粉末有机化改制：
S1-1、使用能量为1.25Mevv的Co-60高能射线辐照，对由石墨稀：11.5％，纳米钨粉：7％，纳米铋粉：73％，硼：8.5％组成的混合粉料表面进行刻蚀，提高混合粉料表面粗糙度和含氧活性基团数量；
S1-2、将20％混合粉料冷却至室温，加入2％硅烷偶联剂3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和78％去离子水，置于磁力搅拌器上搅拌改性2h，然后使用离心机离心分离20min，用无水乙醇洗涤3-5次，真空干燥并粉碎，完成表面改性，制得具有防核辐射功能的有机化无机铋粉；
S2、散射层制作：
S2-1、以聚氨酯作为涂层胶，甲苯为溶剂，聚酯颗粒(PET)为主原料，分别加入按照要求配比的有机化石墨稀和S1中所述的有机化无机铋粉，其中聚酯颗粒与有机化石墨烯粉、有机化无机铋粉的比例为2:1:1，共混温度为250℃，烘干温度为80℃，烘干时间为2h，共混后烘干并纺丝，制得杂化集聚纤维材料；
S2-2、对S2-1中的杂化集聚纤维材料，经热轧工艺使纤维材料热粘合，制得散射层；
S3、屏蔽层制作：
S3-1、以聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)中的任一种作为芯层聚合物原料，与S1中所述的有机化无机铋粉混合造粒，制得共混可纺颗粒，有机化纳米铋粉与芯层聚合物原料的比例为1:2；
S3-2、以聚酯颗粒(PET)作为皮层聚合物；
S3-3、按重量百分比计，经复合纤维集聚材料工艺将42％共混可纺颗粒40℃烘干1h，并与58％皮层聚合物进行复合纺丝，制得复合丝，经牵伸定型处理，制得芯层结构中含屏蔽金属粉末的屏蔽层；
S4、将外层、散射层、屏蔽层、内层材料通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合，制得一种新型核辐射防护材料。
其中，S2-1中，纺丝使用双螺杆熔融挤出机，挤出温度：270℃，螺杆转速： 80r/min，挤出速度：7-8mm/min，牵伸倍数4.25，喷丝孔孔径：2mm，卷绕速度： 150r/min，使纤维材料热粘合形成纺丝。
实施例3
该实施例提供的核辐射防护材料的内层和外层为经嵌织导电纤维处理的涤纶绸。
一种新型核辐射防护材料，包括外层、散射层、屏蔽层以及内层；
所述散射层为含有石墨烯和硼元素的复合中密度热粘合纤维集聚材料；
所述屏蔽层为含有金属铋微粉的高密度热粘合纤维集聚材料；
所述外层、散射层、屏蔽层以及内层通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合形成核辐射防护材料。
本发明同时提供上述新型核辐射防护材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、无机粉末有机化改制：
S1-1、使用能量为1.29Mevv的Co-60高能射线辐照，对由石墨稀：10.4％，纳米钨粉：6.5％，纳米铋粉：76.1％，硼：7％组成的混合粉料表面进行刻蚀，提高混合粉料表面粗糙度和含氧活性基团数量；
S1-2、将20％混合粉料冷却至室温，加入2％硅烷偶联剂3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和78％去离子水，置于磁力搅拌器上搅拌改性2h，然后使用离心机离心分离20min，用无水乙醇洗涤3-5次，真空干燥并粉碎，完成表面改性，制得具有防核辐射功能的有机化无机铋粉；
S2、散射层制作：
S2-1、以聚氨酯作为涂层胶，甲苯为溶剂，聚酯颗粒(PET)为主原料，分别加入按照要求配比的有机化石墨稀和S1中所述的有机化无机铋粉，其中聚酯颗粒与有机化石墨烯粉、有机化无机铋粉的比例为2:1:1，共混温度为250℃，烘干温度为80℃，烘干时间为2h，共混后烘干并纺丝，制得杂化集聚纤维材料；
S2-2、对S2-1中的杂化集聚纤维材料，经热轧工艺使纤维材料热粘合，制得散射层；
S3、屏蔽层制作：
S3-1、以聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)中的任一种作为芯层聚合物原料，与 S1中所述的有机化无机铋粉混合造粒，制得共混可纺颗粒，有机化纳米铋粉与芯层聚合物原料的比例为1:2；
S3-2、以聚酯颗粒(PET)作为皮层聚合物；
S3-3、按重量百分比计，经复合纤维集聚材料工艺将44％共混可纺颗粒40℃烘干1h，并与56％皮层聚合物进行复合纺丝，制得复合丝，经牵伸定型处理，制得芯层结构中含屏蔽金属粉末的屏蔽层；
S4、将外层、散射层、屏蔽层、内层材料通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合，制得一种新型核辐射防护材料。
其中，S2-1中，纺丝使用双螺杆熔融挤出机，挤出温度：260℃，螺杆转速： 75r/min，挤出速度：5.5-6.5mm/min，牵伸倍数4.0，喷丝孔孔径：2mm，卷绕速度：130r/min，使纤维材料热粘合形成纺丝。
实施例4
该实施例提供的核辐射防护材料的内层和外层为为经嵌织导电纤维处理的尼龙绸。
一种新型核辐射防护材料，包括外层、散射层、屏蔽层以及内层；
所述散射层为含有石墨烯和硼元素的复合中密度热粘合纤维集聚材料；
所述屏蔽层为含有金属铋微粉的高密度热粘合纤维集聚材料；
所述外层、散射层、屏蔽层以及内层通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合形成核辐射防护材料。
本发明同时提供上述新型核辐射防护材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、无机粉末有机化改制：
S1-1、使用能量为1.33Mev的Co-60高能射线辐照，对由石墨稀：8％，纳米钨粉：8％，纳米铋粉：80％，硼：4％组成的混合粉料表面进行刻蚀，提高混合粉料表面粗糙度和含氧活性基团数量；
S1-2、将20％混合粉料冷却至室温，加入2％硅烷偶联剂3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和78％去离子水，置于磁力搅拌器上搅拌改性2h，然后使用离心机离心分离20min，用无水乙醇洗涤3-5次，真空干燥并粉碎，完成表面改性，制得具有防核辐射功能的有机化无机铋粉；
S2、散射层制作：
S2-1、以聚氨酯作为涂层胶，甲苯为溶剂，聚酯颗粒(PET)为主原料，分别加入按照要求配比的有机化石墨稀和S1中所述的有机化无机铋粉，其中聚酯颗粒与有机化石墨烯粉、有机化无机铋粉的比例为2:1:1，共混温度为250℃，烘干温度为80℃，烘干时间为2h，共混后烘干并纺丝，制得杂化集聚纤维材料；
S2-2、对S2-1中的杂化集聚纤维材料，经热轧工艺使纤维材料热粘合，制得散射层；
S3、屏蔽层制作：
S3-1、以聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)中的任一种作为芯层聚合物原料，与 S1中所述的有机化无机铋粉混合造粒，制得共混可纺颗粒，有机化纳米铋粉与芯层聚合物原料的比例为1:2；
S3-2、以聚酯颗粒(PET)作为皮层聚合物；
S3-3、按重量百分比计，经复合纤维集聚材料工艺将46％共混可纺颗粒40℃烘干1h，并与54％皮层聚合物进行复合纺丝，制得复合丝，经牵伸定型处理，制得芯层结构中含屏蔽金属粉末的屏蔽层；
S4、将外层、散射层、屏蔽层、内层材料通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合，制得一种新型核辐射防护材料。
其中，S2-1中，纺丝使用双螺杆熔融挤出机，挤出温度：250℃，螺杆转速： 70r/min，挤出速度：5.2-6mm/min，牵伸倍数3.8，喷丝孔孔径：2mm，卷绕速度：120r/min，使纤维材料热粘合形成纺丝。
性能测试
使用本领域中通用的核辐射测试设备依次测量实施例1-4中所得新型核辐射防护材料，结果见下表：
项目 中子 γ射线 使用寿命
实施例1 1.43 0.26 2154h
实施例2 1.41 0.25 2160h
实施例3 1.37 0.28 2162h
实施例4 1.48 0.22 2157h
金属薄膜防护服 1.72 0.46 10h
含铅硫化橡胶防护服 2.28 0.33 720h
表1
由表1可知，本发明中四个实施例的中子和γ射线的防护效果优于含铅硫化橡胶、金属薄膜等材料防护服的防护效果，且使用寿命大大增加，具有良好的核辐射屏蔽性能。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种新型核辐射防护材料，其特征在于，包括外层、散射层、屏蔽层以及内层，所述内层和外层为经抗静电整理的涤纶绸；
所述散射层为含有石墨烯和硼元素的复合中密度热粘合纤维集聚材料；
所述屏蔽层为含有金属铋微粉的高密度热粘合纤维集聚材料；
所述外层、散射层、屏蔽层以及内层通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合形成核辐射防护材料。
2.如权利要求1所述的一种新型核辐射防护材料，其特征在于：所述内层和外层为经抗静电整理的尼龙绸。
3.如权利要求1所述的一种新型核辐射防护材料，其特征在于：所述内层和外层为经嵌织导电纤维处理的涤纶绸。
4.如权利要求1所述的一种新型核辐射防护材料，其特征在于：所述内层和外层为经嵌织导电纤维处理的尼龙绸。
5.一种新型核辐射防护材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、无机粉末有机化改制：
S1-1、使用能量为1.17Mev-1.33Mev的Co-60高能射线辐照，对石墨稀、纳米钨粉、纳米铋粉和硼的混合粉料表面进行刻蚀；
S1-2、采用湿法改性工艺，以硅烷偶联剂3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)为改性剂，对S1-1中处理后的混合粉料进行表面改性，制得具有防核辐射功能的有机化无机铋粉；
S2、散射层制作：
S2-1、以聚氨酯作为涂层胶，甲苯为溶剂，聚酯颗粒(PET)为主原料，分别加入按照要求配比的有机化石墨稀和S1中所述的有机化无机铋粉，共混后烘干并纺丝，制得杂化集聚纤维材料；
S2-2、对S2-1中的杂化集聚纤维材料，经热轧工艺使纤维材料热粘合，制得散射层；
S3、屏蔽层制作：
S3-1、以聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)中的任一种作为芯层聚合物原料，与S1中所述的有机化无机铋粉混合造粒，制得共混可纺颗粒；
S3-2、以聚酯颗粒(PET)作为皮层聚合物；
S3-3、将上述芯层聚合物原料、共混可纺颗粒和皮层聚合物采用复合纤维集聚材料工艺制备，制得芯层结构中含屏蔽金属粉末的屏蔽层；
S4、将外层、散射层、屏蔽层、内层材料通过胶点粘合的方法进行多层依次贴合，制得一种新型核辐射防护材料。
6.如权利要求5所述的一种新型核辐射防护材料的制备方法，其特征在于：所述S1-2中，
按重量百分比计，混合粉料包括，石墨稀：8％-13％，纳米钨粉：6％-8％，纳米铋粉：70％-80％，硼4％-11％。
7.如权利要求5所述的一种新型核辐射防护材料的制备方法，其特征在于：所述S1-2中，
按重量百分比计，湿法改性工艺为将20％混合粉料冷却至室温，加入2％硅烷偶联剂3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和78％去离子水，置于磁力搅拌器上搅拌改性2h，然后使用离心机离心分离20min，用无水乙醇洗涤3-5次，真空干燥并粉碎，完成改性。
8.如权利要求5所述的一种新型核辐射防护材料的制备方法，其特征在于：所述S2-1中，
按重量计，聚酯颗粒与有机化石墨烯粉、有机化无机铋粉的比例为2:1:1，共混温度为250℃，烘干温度为80℃，烘干时间为2h。
9.如权利要求5所述的一种新型核辐射防护材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3-1中，
按重量计，有机化纳米铋粉与芯层聚合物原料的比例为1:2。
10.如权利要求5所述的一种新型核辐射防护材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3-4中。
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