KR20090010508A - 방사선 차폐섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력 발전소나 원자력 설비에서의 방사선 중성자 발생구역의 보수 작업 및 업무 수행시 파라핀을 주입시킨 방사선 차폐 섬유로 제작된 차폐복을 제공하여 방사선 및/또는 중성자 피폭을 방지하는 것이다. 본 발명은 위 문제를 해결하고자, 먼저 파라핀 오일을 폴리올레핀 수지와 함께 균일하게 가열혼합하여 압출함으로써 가요성 중성자 차폐층을 형성하고, 상기 가요성 중성자 차폐층의 양측에 방사선 차폐층이 형성되며, 상기 방사선 차폐층은 직물 표면에 폴리우레탄 수지로 이루어진 도포층이 형성되고 상기 도포층의 내부에 황산바륨 및 유기 요오드계 방사선 조영성 화합물이 분말상으로 균일하게 분산된다.

방사선, 차폐재, 중성자

Description

방사선 차폐 섬유 {Fabric from radioactive ray shield}

방사선이 많이 발생하거나 존재하는 장소, 예로서 원자력발전소의 방사선 구역이나 방사선 투과 시험장비를 취급하는 산업현장에서 근무하는 사람은 항상 방사선에 노출되어 방사선에 피폭될 위험에 직면하고 있다.

엑스선, 감마선과 같은 방사선이 사람에게 피폭될 경우 발암, 유전적 장애, 백내장 등 여러가지 심각한 질병과 장애를 일으킨다는 것은 잘 알려진 사실이다. 이에 따라, 1934년에는 국제 방사선 방어 위원회가 발족되어 방사선 사용을 제한(0.2R/day)했으며, 1977년에는 국제 방사선 방어 권고문(ICRP-26)이 채택되었고, 이어서 X-선 진단, 치료 및 핵의학에 대한 환자, 종사자 및 보호자의 피폭 감소를 위한 지침서가 발간되었으며, 각국에서는 이에 준하는 방사선 사용규제에 관한 법을 제정하였다.

이와 같이, 방사선에 대한 피폭은 인체에 매우 유해하므로 최대한 제한적으로 이루어져야 하나, 병원의 방사선사와 의사, 원전 관계자 등의 방사선을 직접 또는 간접적으로 다루는 사람들은 업무특성상 지속적으로 방사선에 피폭될 수 있으므로 특히 유의해야 한다

그래서, 원자력 발전소의 수리나 점검 등 방사선이 많은 장소에 작업할 때 작업인원을 보호하기 위하여 방사선 차폐복 등을 착용하여 피폭의 위험으로부터 보호하고 있다.

본 발명은 이러한 방사선 차폐복의 제조를 위한 차폐 부재에 관한 것이다.

방사선 피폭을 차폐하기 위한 방법으로서, 납 성분을 고무(rubber)에 분산시킨 후 압출하여 성형한 시트상의 가운을 착용하는 것이 일반적이다. 그러나 , 이러한 방법으로 제조된 가운은 방사선 차폐에는 효과적이나, 5 ~ 10Kg 정도로 매우 무거워 착용감이 불량하였다.

이때 납판의 두께는 방사선을 충분히 차단할수 있을 만큼의 두께이어야 하지만 너무 두꺼우면 차폐복이 무거워서 착용이 어렵고 착용한 상태에서의 행동이 매우 불편하여 지므로 적당한 두께로 제작된다.

방사선이 발생하는 작업환경은 방사선의 발생량이 항상 일정하지는 아니하다. 즉 원자로 가까이는 원자로에서 멀리 떨어진 위치나 방사선 발생량이 적은 폐기물들을 처리하는 작업장에서 작업하는 경우에는 두꺼운 납으로된 차폐복을 입고 작업하는 것보다는 보다 가볍고 행동에 방해를 덜주는 차폐복을 입고 작업하는 것이 바람직하다.

그러나 지금까지는 방사선을 차단하는 두꺼운 납차폐복을 사용하거나 아니면 방사선물질의 먼지 정도를 막아주는 방호복을 사용하는 방법 밖에 없었다.

즉 방사선 발생량이 적은 작업환경에서 적은 방사선 정도만 차폐하고 그 대신 작업활동성을 높인 편리한 차폐복이 없었다.

좀 더 가벼운 차폐복으로 미국특허 제3,194,239호에는 방사선 흡수를 위해 합금으로 된 와이어를 이용하여 방사선 흡수성 섬유를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 이는 유연성 및 방사선 차폐성이 불량하다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 인체에 해로운 납을 사용하지 않으면서 적당한 량의 방사선을 차폐할 수 있고, 작업활동을 하기가 용이한 편리한 차폐복을 제공하려는 것이다.

본 발명은 위 문제를 해결하고자, 방사선 차폐층들의 사이에 중성자 차폐층을 적층함으로써 방사선을 효과적으로 차단하고자 하는 것이다. 중성자 차폐층은 용융 파라핀을 폴리올레핀 수지와 함께 균일하게 가열혼합하여 압출/냉각하여 형성한다. 상기 중성자 차폐층은 폴리올레핀과 기공내의 고형 파라핀으로 구성된다. 상기 방사선 차폐층은 직물 표면에 도포층을 형성하고 도포층에는 황산바륨 및 유기 요오드계 방사선 조영성 화합물이 분말상으로 균일하게 분산시킨다. 본 발명에서 방사선 차폐 부재는 방사선 중성자 에너지 세기에 따라 중성자 차폐층의 두께를 조절하여 선택 폭을 넓혀줄 수 있다.

구체적으로,

본 발명은 제1 방사선 차폐층(1); 중성자 차폐층(2); 및 제2 방사선 차폐층(1)으로 구성되고,

제 1 및 제2 방사선 차폐층은 직물 표면에 폴리우레탄 수지로 이루어진 도포층이 형성되고 상기 도포층의 내부에 황산바륨 및 유기 요오드계 방사선 조영성 화합물이 분말상으로 균일하게 분산되며,

중성자 차폐층은 10 내지 50 중량%의 열가소성 폴리올레핀과 나머지 파라핀 오일을 고온에서 균일하게 혼합하고 압출/냉각하여 얻어진 미세하고 균일한 기공을 갖는 젤형상 시이트임을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 중성자 차폐층에서, 오일이 차지하는 기공 크기는 0.001 내지 1㎛이고, 공극율은 30 내지 90%임을 특징으로 한다.

원자력 발전소나 원자력 시설 가동중 발생하는 방사선 종사자에 의한 기기조작·보수 작업 종사자의 방사선 피폭을 사전에 방어할 수 있고 보건상 위험 재해요소를 줄여 원자력 분야 종사자를 안전을 확보할 수 있다.

본 발명의 상세한 실시예가 본원에 개시된다. 그러나 개시된 실시예는 단지 본 발명의 예시로서 다양한 형태로 실시될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 따라서, 본원 명세서에 개시된 상세한 설명은 제한적으로 해석되어서는 안되며, 단지 청구범위를 위한 근거 및 본 발명을 제작 및/또는 사용하는 방법을 본 기술 분야의 숙련자에게 교시하기 위한 근거로써 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 방사선 차폐층(1)은 직물 표면에 폴리우레탄 수지로 이루어진 도포층이 형성되며, 상기 도포층의 내부에 황산바륨(BaSO4) 및 유기 요오드계 방사선 조영성 화합물이 분말상으로 균일하게 분산된다.

황산바륨은 소화장기의 사진 촬영에 이용되고 있는 인체에 안전한 방사선 조영성 물질로서, 액스선 차폐(흡수)효과 또한 비교적 우수하다. 그러나, 황산바륨은 밀도가 4.5g/㎤로 매우 클 뿐만 아니라 폴리우레탄 수지에 대한 상용성(misibility)도 불량하므로, 종래와 같이 황산바륨 분말을 폴리우레탄 수지에 분산시켜 직물 표면에 처리할 경우 분산성이 불량하여 황산바륨이 균일하게 분포된 방사선 차폐층을 형성하기 어렵다. 따라서, 황산바륨을 이용하여 양호한 방사선 차폐효과를 직물에 부여하기 위해서는 필요 이상의 황산바륨이 첨가될 수밖에 없으므로 무게감과 착용성에 큰 부담을 준다.

상기 문제점을 극복하기 위해, 본 발명의 방사선 차폐층(1)은 그 표면에 폴리우레탄 수지로 이루어진 도포층이 형성되어 있고, 도포층 내부에는 유기 요오드계 방사선 조영성 화합물이 분말상으로 균일하게 분산되어 있다.

유기 요오드계 방사선 조영성 화합물로는 이미도트리조산, 아이옥시글산, 아이옥탈람산, 아이옥트로시트산, 아이오트롤산, 아이오파노산, 아이오파미돌, 아이오헥솔, 나트륨아이오포데이트, 아이오드아미드, 아이오독삼산 등 방사선을 흡수하는 조영제로 사용되고 있는 공지의 유기 요오드계 화합물을 단독으로 또는 이들을 혼합하여 사용할 수 있다.

이러한 유기 요오드계 방사선 조영성 화합물들은 방사선을 흡수하여 그 투과율을 현저히 약화시킬 뿐만 아니라, 화학구조상 황산바륨과는 달리 폴리우레탄 수지와의 밀도 차이가 크지 않고 폴리우레탄 수지와 수소결합을 형성하므로 분산성이 매우 우수하며, 인체에 접촉하는 경우에도 안전하다. 다만, 비용 절감을 위하여 황산바륨과 혼합하여 사용하는 것이 바람직한데, 황산바륨(A) 및 유기 요오드계 방사선 조영성 화합물(B)의 혼합 중량비(B/A)는 1/1000 ~ 1/2인 것이 경제성 및 방사선 차폐 효능의 균일성을 고려할 때 바람직하다.

이와 같이, 황산바륨과 유기 요오드계 방사선 조영성 화합물을 폴리우레탄 수지에 분산시켜 직물에 도포하면 인체에 무해하면서도 방사선 차폐성이 양호한 직물을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 방사선 차폐성능을 더욱 향상시키기 위하여 도포층 형성시 수산화칼슘, 탄산칼슘, 수산화마그네슘, 산화마그네슘, 탄산마그네슘 등의 알칼리 토금속 화합물, 옥시탄산 비스무스와 같은 비스무스 화합물을 단독으로 또는 이들을 혼합하여 더 첨가할 수 있고, 견고한 방사선 차폐 도포층 형성을 위하여 도포층 형성 전에 접착층을 직물 표면에 먼저 형성시킬 수 있다.

일반적으로 섬유의 코팅가공은 오랜 역사를 가지고 있고 각종 제품에 따라 가공방법이 개발되어 왔다. 본 발명에서는 지금까지 개발된 코팅기술을 이용하는데, 코팅의 대상직물은 나이론, 폴리에스터를 선두로 아크릴, 비닐, 면, 레이욘 등이나 타섬유와의 혼방품 등을 이용하고, 코팅방법은 소재의 상태, 코팅제의 특성, 도포량등을 감안하여 코팅 방법 및 기계를 선정한다.

일반적인 코팅방식은 수지로 된 필름을 섬유에 부착시키는 전사코팅(Laminate)방식과 수지를 직접 직물상에 도표하여 피막을 형성시키는 직접코팅방식으로 구분할 수 있는데, 본 발명에서는 직접코팅방식을 사용하고, 플로팅 나이프 방식, 롤러상에 나이프를 설치하여 롤러와 나이프와의 간격을 조절함으로써 도포량을 조절할 수 있는 방식, 나이프 온 벨트 방식, 리버시 롤 코팅 방식 등을 선택적으로 사용하면 된다.

본 발명의 중성자 차폐층(2)에 있어서, 열가소성 폴리올레핀은 에틸렌, 프로 필렌, 1-부텐, 4-메틸펜텐, 1헥센 등을 중합한 결정성의 단독중합체, 또는 공중합체 및 이들 브렌드물 등의 폴리올레핀, 염화비닐수지, 초산비닐수지, 폴리스틸렌, 불소수지, 폴리아미드수지, 폴리아세탈수지, 폴리카보네이트, 열가소성 폴리이미드, 열가소성 폴리우레탄, 폴리페닐렌 살파이드, 폴리비닐알콜 등을 들 수 있다. 이 중에서는, 폴리에틸렌이나, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀이 성형성이나 경제성상에서 바람직하다.

구체적으로, 본 발명의 중성자 차폐층(2)은 폴리올레핀을 용매에 가열용해함으로써 용액을 제조하고, 이 용매로서는 중성자 차폐능을 가진 것이면 무엇이나 가능하지만, 안정된 젤형상 성형물을 얻기 위해서는 용융된 고형파라핀과 같은 불휘발성의 용매가 바람직하다.

가열용해는, 폴리올레핀이 용매중에서 완전하게 용해하는 온도에서 교반하면서 행한다. 그 온도는 사용하는 중합체 및 용매에 의해서 다르나, 예를 들면 폴리에틸렌의 경우에는 140∼250℃의 범위이다. 또한, 폴리올레핀용액의 농도는, 10∼50중량%, 바람직하게는 10∼40중량%이다. 농도가 10중량%미만에서 시이트형상으로 성형할 때에, 다이출구에서, 스웰이나 네크인이 커서 시이트의 성형이 곤란해진다. 한편 농도가 50중량%를 넘으면, 균일한 용액의 조정이 곤란해진다.

다음으로, 이 폴리올레핀의 용액을 다이로부터 압출, 냉각하여, 젤형상 시이트를 성형한다. 다이는, 통상 장방형의 꼭지쇠형상을 한 시이트다이가 이용되고 있는데, 2중원통형상의 중공계 다이, 인플레이션 다이 등도 이용할 수 있다. 시이트 다이를 이용한 경우의 다이캡은 통상 0.1∼5mm이고, 압출성형시에는 140∼250℃로 가열된다. 이 때의 압출속도는, 통상 20∼30cm/분 내지 2∼3m/분이다.

이와 같이 하여 다이로부터 압출된 용액은, 냉각함으로써 젤형상 시트로 성형된다. 냉각은 적어도 젤화형상 온도이하까지는 50℃/분미만의 속도로 행하는 것이 바람직하다. 냉각 속도를 늦게 하여 결정화도가 상승하고 조밀한 기포단위를 형성하며 용융된 파라핀이 고화한다. 냉각방법으로서는, 냉풍, 냉각수, 그 밖의 냉각매체에 직접 접촉시키는 방법, 냉매로 냉각한 롤에 접촉시키는 방법 등을 이용할 수 있다.

위 젤형상 시트의 기공 크기는 0.001 내지 1㎛이고 공극율은 30 내지 90%인 것이 바람직하다. 공극율이 30% 미만이면 방사선 차폐 효과가 떨어지고, 공극율이 90% 이상이면 시트의 내구성이 악화된다.

위의 젤형상 시트는 필요에 따라 인장응력을 작용시키거나 압축응력을 작용시킨 후에 인장응력을 작용시켜서, 두께를 조정할 수 있다. 구체적으로는, 연신 또는, 눌러 늘린 후에 연신한다. 연신은, 통상의 텐터법, 롤법, 인플레이션법, 압연법(壓延法) 또는 이들 방법의 조합에 의해서 소정의 배율로 행한다.

이하에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 사용하여 설명한다.

<실시예>

(1) 방사선 차폐층

먼저, 2액형 폴리우레탄 수지 100중량부, 메틸에틸케톤 40중량부, 톨루엔 20중량부, 가교제 5중량부 및 아크릴 수지 5중량부를 균일하게 혼합한 다음, 플로팅 나이프(두께 1.5mm)를 사용하여 폴리에스테르 교직물 표면에 50g/㎡의 량으로 도포 하고 130℃에서 60초간 건조시켜 접착층을 형성시켰다. 이어서, 1액형 폴리우레탄 수지 100중량부, 황산바륨 200중량부, 이미도트리조산 50중량부, 메틸에틸케톤 40중량부 및 톨루엔 20중량부를 균일하게 혼합한 다음, 상기 형성한 접착층 위에 플로팅 나이프(두께 2.0mm)를 사용하여 30g/㎡의 량으로 도포하고 130℃에서 60초간 건조시켜 방사선 차폐층이 형성된 직물을 제조하였다.

(2) 중성자 차폐층

중량평균분자량(Mw)이 6.8 x 10⁵의 폴리에틸렌(PE) 17중량부의 원료수지와, 용융 파라핀 83중량부를 혼합하고, 폴리에틸렌 조성물의 혼합액을 조제하였다. 다음으로 이 혼합액을 교반기 부착의 오토클레이브에 충전하여 200℃에서 90분간 교반하여 균일한 용액을 얻었다.

이 용액을 직경 45mm의 압출기에 의해서, T다이로부터 200℃에서 압출하고, 20℃의 냉각롤에 접촉시켜, 두께 1.8mm부터 5mm까지의 젤형상 시이트로 중성자 차폐층을 성형하였다.

중성자 차폐층의 기공 크기는 0.2㎛이고, 공극율(중량법에 의해 측정함)은 83%이었다.

상기 제조한 방사선 차폐층들 사이에 중성자 차폐층을 적층하여 방사선 차폐용 섬유를 제조하였다. 이와 같이 제조한 본 발명의 방사선 차폐용 섬유는 오일 등의 누수를 방지하고, 섬유의 쏠림현상을 방지하고자, 중성자 차폐층을 방사선 차폐층이 밀봉 결합하도록 형성된다.

상기 제조한 섬유에 대하여 실험실에서 방사선 차폐 실험을 실시하였다. 전술한 섬유를 50×50cm로 절단한 후 아래 표 1에 기재된 선원과 평균에너지에 따라 방사선 차폐율을 매번 그 위치를 달리하여 10회 측정한 후, 그 평균값과 변동범위를 표 1에 나타냈다.

변동율(%) = 측정된 최대 방사선 차폐율 - 측정된 최소 방사선 차폐율

[표 1]

방사선 종류	선원	평균에너지	차폐율	변동율
알파선	Po-210	5,300keV	100%	0%
베타선	Sr-90	69keV	98%	2%
	Ti-204	72.4keV	100%	0%
감마선	Am-241	60keV	97%	3%
	Co-57	122keV	92%	5%
엑스선	제동방사선	40kV	100%	0%
		60kV	100%	0%
		80kV	96%	4%
		100kV	93%	7%
		120kV	91%	9%

본 발명의 또 다른 실시예로서 위 중성자 차폐층을 불투과성 폴리에틸렌 수지 사이로 압출함으로써 상하가 밀봉된 형태로 적층된 중성자 차폐층을 형성하고, 위 방사선 차폐층 상하에 방사선 차폐층을 형성하여 방사선 차폐성 섬유를 얻을 수 이도 있다. 이 경우 불투과성 폴리에틸렌 수지는 0.2 mm부터 10mm까지 두께로 사용할 수 있다.

위 불투과성 수지는 폴리올레핀 수지 또는, 직경이 10㎛미만, 특히 5㎛ 미만인 평균 입자크기를 갖는 가돌리늄，붕소，리튬중, 적어도 1개 이상 원소를 포함할 수 있다. 위 원소를 포함하는 물질은，산화 가돌리늄 Gd₂O₃，가돌리늄·갈륨·석류석 Gd₃Ga₅O₁₂，가돌리늄·페라이트 GdFeO₃,Gd₃Fe₅O₁₂，수산화 가돌리늄 Gd(OH)₃，세륨 으로 활성화한 규산 가돌리늄 Gd₂SiO₅:Ce，유로피움으로 활성화한 붕산 가돌리늄 GdBO₃:Eu，유로피움으로 활성화한 산화 가돌리늄 Gd₂O₃:Eu，유로피움으로 활성화한 황산화 가돌리늄 Gd₂O₂S:Eu，유로피움으로 활성화한 알루민산 가돌리늄 Gd₃Al₅O₁₂:Eu，유로피움으로 활성화한 갈륨 산 가돌리늄 Gd₃Ga₅O₁₂:Eu，유로피움으로 활성화한 바나진 산 가돌리늄 GdVO₄:Eu， 및 세륨 또는 크롬으로 활성화한 갈륨 산 가돌리늄 Gd₃Ga₅O₁₂:Ce，Cr，테르븀으로 활성화한 산화 가돌리늄 Gd₂O₃:Tb，테르븀으로 활성화한 황산화 가돌리늄 Gd₂O₂S:Tb，푸라세오짐으로 활성화한 황산화 가돌리늄 Gd₂O₂S:Pr，테르븀으로 활성화한 갈륨 산 가돌리늄 Gd₃Ga₅O₁₂:Tb，테르븀으로 활성화한 알루민산 가돌리늄 Gd₃Al₅O₁₂:Tb，탄화 붕소 B₄C，질화 붕소 BN，인화 붕소 BP，황하 붕소 B₂S₃，인산 붕소 BPO₄，산화 붕소 B₂O₃，산화 리튬 Li₂O，과산화리튬 Li₂O₂，알루민산 리튬 LiAlO₂，메타 붕산 리튬 LiBO₂，테트라 붕산 리튬 Li₂B₄O₇，게르만 산 리튬 Li₂GeO₃，몰리브덴 산 리튬 Li₂MoO₄，니오브산 리튬 LiNbO₃，메타규산리튬 Li₂SiO₃，탄타륨산 리튬 LiTaO₃，티탄산 리튬 Li₂TiO₃，바나진 산 리튬 LiVO₃，텅스텐산 리튬 LiWO₄，지르콘산 리튬 Li₂ZrO₃，질화 리튬 Li₃N，수산화 리튬 LiOH·H₂O，메톡시 리튬 LiOCH₃을 포함할 수 있다.

<중성자 차폐능 평가>

하기 표 2는 본 발명에 따라 제조된 방사선 차폐성 섬유로 행한 차폐능 시험 결과이다. 일정 크기의 중성자빔 출구를 만들고 중성자의 세기를 측정할 수 있는 검출기를 출구와 일정한 거리(5cm)에 배치하고 섬유를 투과하는 중성자의 세기를 측정하였다. 이 때 섬유의 두께를 변화시키면서 검출기로 측정하였다. 측정된 세기를 중성자 흡수 단면적 계수로 계산하였다.

중성자 흡수 단면적 계수의 계산 방법은 다음과 같다.

I/I₀ = L^-μx 또는 μ= [log (I₀/I)] / x

(I₀:입사빔, I:투과빔, x:투과두께, μ:흡수단면적계수)

[표 2] : 시험결과

두께(cm)	카운트	μ(cm-1)
0.3	29,149	7.243
0.4	15,347	7,192
0.5	8,933	7.017
0.7	3,056	6.886
0.9	1,491	6.771
1.5	595	5.988
2.0	451	4.439
2.5	390	3.732

균일한 기공을 가진 방사선 차폐재가 비공극상에 비해 방사선 차폐능이 증가하는 이유는 정확히 알 수 없으나, 공극내의 파라핀에서 방사선이 산란함으로써 에너지가 감쇠하여 차폐 효과가 증가하는 것으로 보인다.

도 1은 본 발명의 방사선 차폐재의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 2는 본 발명의 방사선 차폐재의 기공 구조를 설명하기 위한 단면도.

* 도면 부호의 설명*

A : 기공 B : 폴리올레핀 수지층

Claims (2)

1. 제1 방사선 차폐층(1);

   중성자 차폐층(2); 및

   제2 방사선 차폐층(1)으로 구성되고,

   제 1 및 제2 방사선 차폐층은 직물 표면에 폴리우레탄 수지로 이루어진 도포층이 형성되고 상기 도포층의 내부에 황산바륨 및 유기 요오드계 방사선 조영성 화합물이 분말상으로 균일하게 분산되며,

   중성자 차폐층은 10 내지 50 중량%의 열가소성 폴리올레핀과 나머지 용융 파라핀을 고온에서 균일하게 혼합하고 압출/냉각하여 얻어진 미세하고 균일한 기공을 갖는 젤형상 시이트임을 특징으로 하는 방사선 차폐재.
2. 제 1항에 있어서, 중성자 차폐층의 기공 크기는 0.001 내지 1㎛이고, 공극율은 30 내지 90%임을 특징으로 하는 방사선 차폐재.

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