CN113334878A - 一种类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于辐射防护技术领域，涉及一种类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料及其制备方法。所述的柔性屏蔽材料在最外侧上下两层的基层内侧分别夹有上下两层的第一功能层，在上下两层的第一功能层内侧分别夹有上下两层的功能补充层，在上下两层的功能补充层内侧分别夹有上下两层的第二功能层，在上下两层的第二功能层内侧夹有中间层的功能补充层。利用本发明的类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料及其制备方法，能够更好的制备柔性屏蔽材料，制得柔性屏蔽材料能够无铅轻量化，具有优良、持久的柔韧性、抗折弯性能和X、γ射线屏蔽性能。

Description

一种类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料及其制备方法

技术领域

本发明属于辐射防护技术领域，涉及一种类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，核技术在科研、医疗、农业、工业以及国防等领域的应用日益广泛。X和γ射线作为穿透能力较强的电离射线，在上述应用领域使用频率较高。但是长期接触X和γ射线，会对生物体的性腺、乳腺、造血骨髓等器官产生伤害，给人类的健康带来危害，而如果受照剂量超过一定范围还会引发致癌。目前ICRP(国际辐射防护委员会)已将X和γ射线列为致癌物质，因此对X和γ射线进行有针对性的防护是非常必要的，其中屏蔽材料便是常见的一种防护措施，其广泛应用于核设施、射线装置等场合。

最早用于X、γ射线的屏蔽材料是铅板、铁板等金属材料以及添加金属材料的重混凝土等，后来又开发出了含铅的玻璃、有机玻璃及橡胶等制品，并加工成各种防护服、头盔、防护手套等。虽然这些屏蔽材料屏蔽效果良好，但这些屏蔽材料普遍存在笨重、形状固定、移动不变、适用性较差等缺点，限制了其使用场合，无法满足例如管道、异形结构等特殊场合的屏蔽需求，因此需要开发形状可变的柔性屏蔽材料。

目前关于射线柔性屏蔽材料的相关专利有很多。例如中国专利申请CN105639788A公开了一种由纳米远红外陶瓷纤维，芳砜纶纤维，丝光棉，海藻纤维，不锈钢丝，胶粘剂等组成的屏蔽材料，其利用金属层形成了一层严密的屏蔽网达到屏蔽射线的效果。又如中国专利申请CN105962502A公开了一种结构包括表层和里层的柔性屏蔽材料制备方法，表层由银纤维和皮棉混纺而成，表层的外表面均匀设有若干银离子纤维凸起；里层由天然棉混纺织物纤维层和桑蚕丝纤维层混纺而成，表层和里层之间设有碳纤维棒和圣麻纤维块支撑层。又如中国专利申请CN104354351A公开了一种同时兼具辐射防护和抗菌的柔性材料的制备方法，其面料基层采用纳米银纤维纺织而成，基层上表面通过胶黏剂粘合有一层铝合金薄膜，铝合金薄膜上设置具有导电纤维的穗条构成的防静电层。

上述几种屏蔽材料的共同不足之处在于材料结构相对复杂，制备工艺难度较大，不易于大规模生产及应用，且防护效果并不理想。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料，以能够无铅轻量化，具有优良、持久的柔韧性、抗折弯性能和X、γ射线屏蔽性能。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料，所述的柔性屏蔽材料在最外侧上下两层的基层内侧分别夹有上下两层的第一功能层，在上下两层的第一功能层内侧分别夹有上下两层的功能补充层，在上下两层的功能补充层内侧分别夹有上下两层的第二功能层，在上下两层的第二功能层内侧夹有中间层的功能补充层。

本发明的第二个目的是提供一种如上所述的柔性屏蔽材料的制备方法，以能够更好的制备如上所述的柔性屏蔽材料，制得柔性屏蔽材料能够无铅轻量化，具有优良、持久的柔韧性、抗折弯性能和X、γ射线屏蔽性能。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种如上所述的柔性屏蔽材料的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：

(1)分别制备各第一功能层、第二功能层、功能补充层；

(2)对各基层进行预处理；

(3)组装所述的柔性屏蔽材料。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的柔性屏蔽材料的制备方法，其中步骤(1)中，第一功能层的制备包括如下步骤：

1)将无水乙醇和冰醋酸/乙酸酐混合，添加盐酸，配制成pH值4-5的混合液；

2)在混合液中加入由纳米级的金属钨粉和微米级的金属锡粉配制成的浆料；

3)将步骤2)所得混合液在超声波发生器中完全分散后，在高温振荡摇床反应，反应后取出降至室温；

4)在步骤3)所得混合液中加入包含有硅烷偶联剂与去离子水的混合溶液，室温下搅拌改性；

5)改性完成后离心分离，用无水乙醇在离心分散条件下清洗至中性，真空干燥后粉碎得到第一功能层的粉体。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的柔性屏蔽材料的制备方法，其中步骤(1)中，第二功能层的制备包括如下步骤：

1)将无水乙醇、异丙醇和浓硝酸混合；

2)在混合液中加入由纳米级的金属铋粉、纳米级的金属钽粉、纳米级的金属钡粉和微米级的金属锡粉配制成的浆料；

3)将步骤2)所得混合液在超声波发生器中完全分散后，在高温振荡摇床反应，反应后取出降至室温；

4)在步骤3)所得混合液中加入包含有硅烷偶联剂与去离子水的混合溶液，室温下搅拌改性；

5)改性完成后离心分离，用无水乙醇和无水甲醇混合液在离心分散条件下清洗至中性，真空干燥后粉碎得到第二功能层的粉体。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的柔性屏蔽材料的制备方法，其中步骤(1)中，功能补充层的制备包括如下步骤：

1)将聚乙烯醇加入到去离子水和甲醛的混合液中，溶解制备聚乙烯醇溶液；

2)将微米级氧化钆、氧化铕、氧化钐和氧化钕混合粉末加入到聚乙烯醇溶液中，超声分散处理，配制成浆料；

3)用碳纤维编织成碳纤维网；

4)在碳纤维网正反两面涂覆步骤2)得到的浆料，干燥后得到功能补充层。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的柔性屏蔽材料的制备方法，其中步骤(2)中，预处理包括如下步骤：

1)用一定体积分数的丙酮溶液搅拌洗涤硅橡胶片，晾干待用；

2)用一定质量分数的山梨醇单月桂酸酯的水溶液浸渍处理硅橡胶片一段时间；

3)烘干处理硅橡胶片，并置于恒温恒湿箱中储存待用。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的柔性屏蔽材料的制备方法，其中步骤(3)中，柔性屏蔽材料的组装包括如下步骤：

1)将二异氰酸酯和多元醇按照一定质量比搅拌混合均匀；

2)在部分步骤1)所得混合液中加入第一功能层的粉体，在超声波发生器内分散处理后加入丙酮调节粘度；

3)将部分步骤2)所得混合液涂覆在预处理后的硅胶基层表面，随后在该涂层上覆盖一层功能补充层，升温进行固化；

4)在部分步骤1)所得混合液中加入第二功能层的粉体，在超声波发生器内分散处理后加入丙酮调节粘度；

5)将部分步骤4)所得混合液涂覆在步骤3)制备的功能补充层的表面，随后在该涂层上再覆盖一层功能补充层，升温固化；

6)将部分步骤4)所得混合液涂覆在步骤5)制备的功能补充层的表面，随后在该涂层上再覆盖一层功能补充层，升温固化；

7)将部分步骤2)所得混合液涂覆在步骤6)制备的功能补充层的表面，随后在该涂层上再覆盖一层预处理后的硅胶基层，升温固化；

8)将多层材料在多辊机上辊制后置于通风处晾干，制得所述的柔性屏蔽材料。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种如上所述的柔性屏蔽材料的制备方法，其中所述的升温进行固化为35-45℃固化5-10min。

本发明的有益效果在于，利用本发明的类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料及其制备方法，能够更好的制备柔性屏蔽材料，制得柔性屏蔽材料能够无铅轻量化，具有优良、持久的柔韧性、抗折弯性能和X、γ射线屏蔽性能。

本发明的柔性屏蔽材料在射线辐射防护方面有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料的结构示意图，其结构包括硅橡胶层1(硅橡胶层即基层)，第一功能层2，第二功能层3，功能补充层4。

图2为示例性的本发明的类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施例1：类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料的制备

本实施例制备的类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料的结构如图1所示，在柔性屏蔽材料在最外侧上下两层的硅橡胶层1内侧分别夹有上下两层的第一功能层2，在上下两层的第一功能层2内侧分别夹有上下两层的功能补充层4，在上下两层的功能补充层4内侧分别夹有上下两层的第二功能层3，在上下两层的第二功能层3内侧夹有中间层的功能补充层4。

本实施例的制备流程如图2所示，具体包括如下步骤。

1、制备第一功能层粉体

首先，将无水乙醇和冰醋酸/乙酸酐(体积比2:1)混合，配制成pH＝4～5的混合液，必要时可适量添加盐酸。

然后，加入纳米级的金属钨粉和微米级的金属锡粉配制成质量分数5～7％的浆料，在超声波发生器中分散30min以上。所述钨粉和锡粉质量比30:1。

接下来将悬浊液转移到高温振荡摇床，85℃振荡2h，取出降至室温。

加入一定量包含有硅烷偶联剂与去离子水的混合溶液，室温下搅拌改性4h。所述混合溶液中硅烷偶联剂KH570(上海麦克林生化科技有限公司)：KH550(上海麦克林生化科技有限公司)：去离子水体积比为5：3：1。

反应完成后离心分离，用无水乙醇在离心分散条件下清洗至中性，真空干燥后粉碎得到第一功能层粉体。

2、制备第二功能层粉体

首先，将无水乙醇、异丙醇和65wt％浓硝酸(体积比8：1：2)混合。

然后，加入纳米级的金属铋粉、纳米级的金属钽粉、纳米级的金属钡粉和微米级的金属锡粉配制成的质量分数6％的浆料，在超声波发生器中分散60min以上。所述铋粉、钽粉、钡粉和锡粉质量比20：7:5：1。

接下来将悬浊液转移到高温振荡摇床，80℃振荡1.5h，取出降至室温。

加入一定量包含有硅烷偶联剂KH570与去离子水的混合溶液，室温下搅拌改性2.5h。所述混合溶液中硅烷偶联剂KH570(上海麦克林生化科技有限公司)：去离子水体积比为9:1。

反应完成后离心分离，用无水乙醇和无水甲醇混合液在离心分散条件下清洗至中性，真空干燥后粉碎得到第二功能层粉体。混合液中乙醇和甲醇的体积比为10:1。

3、制备功能补充层

首先将聚乙烯醇加入到去离子水和甲醛的混合液中，在60℃下配制成质量分数45％的聚乙烯醇溶液。混合液中甲醛质量分数为0.5％。

将微米级氧化钆、氧化铕、氧化钐和氧化钕混合粉末加入到聚乙烯醇溶液中，超声分散处理3h以上，配制成氧化物含量5～10％的浆料。所述氧化钆、氧化铕、氧化钐和氧化钕混合粉末中氧化钆的质量成分比为：30％～40％；氧化铕的质量成分比为20％～30％；氧化钐的质量成分比为10％～20％氧化钕的质量成分比为10％～20％。

用直径1mm的碳纤维编织成5mm×5mm的网，在正反两面涂覆聚乙烯醇浆料，通风自然干燥后待用。所述聚乙烯层正反两面各1mm左右。

4、基层预处理

首先用体积分数50％的丙酮溶液，室温下搅拌洗涤硅橡胶片30min以上，晾干待用。

然后用质量分数0.2％的山梨醇单月桂酸酯浸渍处理10h，接着在100℃下烘干1h，最后置于恒温恒湿箱中(温度25±5℃，湿度65±5％)储存24h。

5、制备三明治结构柔性屏蔽材料

首先将水性聚氨酯胶的组分二异氰酸酯和多元醇按照质量比1:1搅拌混合均匀后，加入第一功能层粉体，在超声波发生器内分散处理30～40min，加入丙酮调节粘度至5000～10000mPa.s，涂覆在经预处理厚度2mm的硅橡胶片表面，随后在该涂层上覆盖第一层功能补充层，压实排气后升温到35℃固化5min。所述第一功能层粉体与聚氨酯的质量比为6:4，涂层厚度1mm。

然后将水性聚氨酯胶的组分二异氰酸酯和多元醇按照质量比1.1:1搅拌混合均匀后，加入第二功能层粉体，在超声波发生器内分散处理30～40min，加入丙酮调节粘度至8000～15000mPa.s，涂覆在第一层功能补充层表面，随后在该涂层上再覆盖第二层功能补充层，在第二层功能补充层上再涂覆一层第二层含第二功能层的聚氨酯涂料，接着在第二层含第二功能层的聚氨酯涂料上覆盖第三层功能补充层，压实排气后升温到45℃固化10min。所述第二功能层粉体与聚氨酯的质量比为8:2，涂层厚度2mm。

接着在第三层功能补充层上面涂覆第二层含有第一功能层粉体的聚氨酯涂料，随后将第二层经预处理的硅橡胶片覆盖在第二层含有第一功能层粉体的聚氨酯涂层上面，升温到35℃固化5min。所述涂层厚度1mm。

最后，将多层材料在多辊机上辊制5遍后置于通风处放置48h以上，制得三明治结构柔性屏蔽材料。所述多辊机辊间距为18mm，转速30rpm。

实施例2：实施例1制备柔性屏蔽材料的性能检测

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种类三明治结构电离辐射柔性屏蔽材料，其特征在于：所述的柔性屏蔽材料在最外侧上下两层的基层内侧分别夹有上下两层的第一功能层，在上下两层的第一功能层内侧分别夹有上下两层的功能补充层，在上下两层的功能补充层内侧分别夹有上下两层的第二功能层，在上下两层的第二功能层内侧夹有中间层的功能补充层。

2.一种根据权利要求1所述的柔性屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

(1)分别制备各第一功能层、第二功能层、功能补充层；

(2)对各基层进行预处理；

(3)组装所述的柔性屏蔽材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，第一功能层的制备包括如下步骤：

1)将无水乙醇和冰醋酸/乙酸酐混合，添加盐酸，配制成pH值4-5的混合液；

2)在混合液中加入由纳米级的金属钨粉和微米级的金属锡粉配制成的浆料；

3)将步骤2)所得混合液在超声波发生器中完全分散后，在高温振荡摇床反应，反应后取出降至室温；

4)在步骤3)所得混合液中加入包含有硅烷偶联剂与去离子水的混合溶液，室温下搅拌改性；

5)改性完成后离心分离，用无水乙醇在离心分散条件下清洗至中性，真空干燥后粉碎得到第一功能层的粉体。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，第二功能层的制备包括如下步骤：

1)将无水乙醇、异丙醇和浓硝酸混合；

2)在混合液中加入由纳米级的金属铋粉、纳米级的金属钽粉、纳米级的金属钡粉和微米级的金属锡粉配制成的浆料；

3)将步骤2)所得混合液在超声波发生器中完全分散后，在高温振荡摇床反应，反应后取出降至室温；

4)在步骤3)所得混合液中加入包含有硅烷偶联剂与去离子水的混合溶液，室温下搅拌改性；

5)改性完成后离心分离，用无水乙醇和无水甲醇混合液在离心分散条件下清洗至中性，真空干燥后粉碎得到第二功能层的粉体。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，功能补充层的制备包括如下步骤：

1)将聚乙烯醇加入到去离子水和甲醛的混合液中，溶解制备聚乙烯醇溶液；

2)将微米级氧化钆、氧化铕、氧化钐和氧化钕混合粉末加入到聚乙烯醇溶液中，超声分散处理，配制成浆料；

3)用碳纤维编织成碳纤维网；

4)在碳纤维网正反两面涂覆步骤2)得到的浆料，干燥后得到功能补充层。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预处理包括如下步骤：

1)用一定体积分数的丙酮溶液搅拌洗涤硅橡胶片，晾干待用；

2)用一定质量分数的山梨醇单月桂酸酯的水溶液浸渍处理硅橡胶片一段时间；

3)烘干处理硅橡胶片，并置于恒温恒湿箱中储存待用。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，柔性屏蔽材料的组装包括如下步骤：

1)将二异氰酸酯和多元醇按照一定质量比搅拌混合均匀；

2)在部分步骤1)所得混合液中加入第一功能层的粉体，在超声波发生器内分散处理后加入丙酮调节粘度；

3)将部分步骤2)所得混合液涂覆在预处理后的硅胶基层表面，随后在该涂层上覆盖一层功能补充层，升温进行固化；

4)在部分步骤1)所得混合液中加入第二功能层的粉体，在超声波发生器内分散处理后加入丙酮调节粘度；

5)将部分步骤4)所得混合液涂覆在步骤3)制备的功能补充层的表面，随后在该涂层上再覆盖一层功能补充层，升温固化；

6)将部分步骤4)所得混合液涂覆在步骤5)制备的功能补充层的表面，随后在该涂层上再覆盖一层功能补充层，升温固化；

7)将部分步骤2)所得混合液涂覆在步骤6)制备的功能补充层的表面，随后在该涂层上再覆盖一层预处理后的硅胶基层，升温固化；

8)将多层材料在多辊机上辊制后置于通风处晾干，制得所述的柔性屏蔽材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述的升温进行固化为35-45℃固化5-10min。

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