CN110372903B - 一种无铅轻质X、γ、中子一体防护材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无铅轻质X、γ射线及中子防护材料及其制备方法，由三层组成，自下而上分别为聚酰亚胺薄膜、铋薄皮层、功能聚氨酯橡胶树脂涂层。在聚酯亚胺薄膜上均匀涂抹纳米金属铋粉体，经过高温热压后金属铋粉体熔融成铋薄皮层，将功能粉末：纳米金属铋粉、金属钨粉及硼粉改性后添加到聚氨酯橡胶树脂中混合均匀后喷涂于铋薄皮层表面上，干燥后将织物通过延压机滚筒延压成形，制得无铅轻质X、γ射线及中子防护材料。所制备的X、γ射线及中子防护材料因片状铋薄皮层大大提高了防护效率，作为防护服装材料，不仅耐高温，无铅轻量化，且制备工艺简单，生产效率高，在射线防护方面具有良好的应用前景。

Description

一种无铅轻质X、γ、中子一体防护材料及其制备方法
技术领域
本申请涉及防辐射领域，具体涉及一种无铅轻质X、γ射线及中子防护材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着国防科研、放射医学和原子能工业的迅速发展，各种射线的使用日益广泛。X、γ射线及中子是其重要的一种。X、γ射线及中子可以进入到人体的内部并与体内细胞发生电离，电离产生的离子能破坏人体内活细胞中蛋白质、核酸等遗传物质，从而导致人体内的正常代谢过程，严重的可以导致体内活细胞的死亡。由于长期接触X、γ射线及中子，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。因此根据X、γ射线及中子的性质及其与物质的作用机理，应选择和制备相应的材料进行防护。
最早出现的X、γ射线及中子防护材料是铅板、铁板等金属材料，后来又将重金属引入制备防护玻璃及橡胶铅制品，并加工成各种防护服、头盔、防护手套等。所制备的传统防护服不仅防护效率差，只能屏蔽一些低能X射线，且透气性差，笨重，穿用不舒适，同时铅对人体和环境都存在严重的危害。
目前现有技术制备的无铅轻量化防护服，一般都是将球状或不规则形状的射线吸收粉体作为主要的射线吸收物质，将吸收粉体通过物理共混法与有机基材混合均匀，通过涂覆或压延等工艺制备成防辐射材料。如中国发明专利CN1075702308A中公开了一种环氧树脂基辐射防护材料，是将稀土氧化物粉体、氧化铅粉体用偶联剂改性后与环氧树脂共混后模压而成；如中国发明专利CN107316667A中公开了一种辐射防护材料及其制备方法，将金属屏蔽粉体：钨、锑、钽、铋等与高分子韧性基质混炼后压制形成所述防护材料。如中国发明专利CN104900282A中公开了一种γ辐射防护服的制备方法，将球磨制备的微纳米级别γ辐射防护功能粉末加入橡胶基体中，与织物进行压延贴胶，并硫化成型得到γ辐射防护织物。现有技术制备的射线防护材料虽然摆脱了传统防护材料笨重的缺点，防护功能有所提升。但是，在这些材料中所用到的功能射线吸收粉体由于球状或不规则的形状，其颗粒之间存在间隙，在进行射线防护的过程中，光子会通过间隙直接泄露出来。一般情况下会通过防护材料的叠加的方式来增加射线与吸收粉体的作用几率。如此便会使得所制备的射线防护服装的重量增加，以及资源的浪费。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提出一种无铅轻质X、γ射线及中子防护材料及其制备方法，在相同厚度和质量下可大幅度提高射线屏蔽效果。
本发明提供一种无铅轻质X、γ射线及中子防护材料，由三层结构组成，自上而下分别为聚酰亚胺薄膜(1)、铋薄皮层(2)和功能聚氨酯橡胶树脂涂层(3)；所述防护材料的厚度为0.3～2mm。
作为本发明进一步的改进，所述聚酰亚胺薄膜(1)厚度为150～250μm。
作为本发明进一步的改进，所述铋薄皮层(2)厚度为50～800μm。
作为本发明进一步的改进，所述功能聚氨酯橡胶树脂涂层(3)的原料组成为：功能粉末、硅烷偶联剂、二甲基乙酰胺和聚氨酯橡胶树脂。
作为本发明进一步的改进，所述功能粉末包括纳米金属铋粉、金属钨粉和硼粉。
作为本发明进一步的改进，所述功能粉末与硅烷偶联剂的质量比为2:1～5：1，二甲基乙酰胺与聚氨酯橡胶树脂质量比为1:1～1:2，功能粉末与聚氨酯橡胶树脂的质量比为0.5:1～3：1；涂层厚度为0.1mm～1mm。
本发明进一步保护一种制备上述的无铅轻质X、γ射线及中子防护材料的方法，包括以下步骤：
S1.制备金属铋溶液:将纳米金属铋粉体均匀分散到无水乙醇中，质量比为1：1～1：5，超声搅拌10min，形成的金属铋溶液粘度为1000～10000mPa.s，将溶液均匀涂抹在耐高温的聚酰亚胺薄膜(1)上；所述纳米金属铋粉体直径100nm～1000nm，径厚比为1～500；
S2.热压形成铋薄皮层：将步骤S1均匀涂抹金属铋的聚酰亚胺薄膜，置于热压机上，先在250～270℃的温度、0压力下预热20min，使得金属铋粉体均匀受热；将温度升高至285～300℃，在25MPa的机械压力下，恒温恒压压制10～20min，金属铋粉体高温熔融，形成铋薄皮层(2)，厚度为50～800μm；
S3.制备功能聚氨酯橡胶树脂涂料：将功能粉末和硅烷偶联剂均匀混合，在超声波发生器内处理10～20min后，滴加二甲基乙酰胺溶液，机械搅拌1～2小时，分散均匀后加入聚氨酯橡胶树脂，继续搅拌均匀，升温至为50～60℃脱除部分二甲基乙酰胺，调节粘度值，继续搅拌20～30min后，获得功能聚氨酯橡胶树脂涂层(3)的涂料，粘度为1000～5000mPa.s；
S4.喷涂功能聚氨酯橡胶树脂涂层：将步骤S3中所述涂料加入喷涂装置料筒，通过喷涂工艺喷涂到步骤S2所述的铋薄皮层(2)上，干燥后制得功能聚氨酯橡胶树脂涂层(3)；所述喷涂的工艺参数为上液量为500ml/min～800ml/min，空气压力为0.3MPa～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次/min～120次/min；所述功能聚氨酯橡胶树脂涂层厚度为0.1m～1mm；
S5.延压成型材料：将上所述步骤S4得到的三层材料通过压延机辊筒延压，使得铋薄片层(2)和功能聚氨酯橡胶树脂涂层(3)平整、均匀地覆贴于聚酰亚胺薄膜(1)表面，得到延压成型的无铅轻质X、γ射线及中子防护材料。
作为本发明进一步的改进，所述步骤S5中的压延工艺参数为：上辊温度80℃～120℃，中辊温度70℃～100℃，下辊温度60℃～115℃，辊距1mm，压延速度为35～50m/min。
本发明进一步保护一种上述的无铅轻质X、γ射线及中子防护材料的用途，所述防护材料用于X、γ射线及中子防护服装材料。
本发明具有如下有益效果：
(1)金属铋有良好屏蔽X、γ射线及中子的能力，取代传统重金属和现有混合多种金属的复合材料，满足无铅、轻质、环保的防护服装材料的现代要求。
(2)相同体积的一颗片状粉体颗粒与光子发生相互作用的几率是球状粉体颗粒的100倍以上。且金属铋的熔点为271.3℃，在耐高温基布上均匀喷洒后经高温压制，粉体会融压呈片状，排列紧密，互相交叠成几乎无缝隙的金属铋薄皮，极度减小光子从间隙透过的几率，大大提高了对射线的屏蔽能力。
附图说明
图1为本发明实施例中无铅轻质X、γ射线及中子防护材料的制备方法的流程图。
图2为本发明实施例中无铅轻质X、γ射线及中子防护材料的结构示意图；
图3为本发明实施例中使用的纳米金属铋粉体的扫描电镜图；
图4为本发明实施例1步骤S02制备的铋薄皮层的扫描电镜图；
其中，1.聚酰亚胺薄膜；2.铋薄皮层；3.功能聚氨酯橡胶树脂涂层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例只是本发明的部分具有代表性的实施例，而不是全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例都属于本发明的保护范围。
实施例1
参照附图2，一种无铅轻质X、γ射线及中子防护材料由三层结构组成，自上而下分别为聚酰亚胺薄膜1、铋薄皮层2、功能聚氨酯橡胶树脂涂层3；厚度为0.3mm。聚酰亚胺薄膜1厚度为150μm，为X、γ射线及中子防护材料的基材；铋薄皮层2厚度为50μm，粉体被熔融后压呈片状，形成无缝隙的金属铋薄皮，极度减小光子从间隙透过的几率，大大提高了对射线的屏蔽能力；聚氨酯橡胶树脂涂层3原料组成为：功能粉末、硅烷偶联剂、二甲基乙酰胺和聚氨酯橡胶树脂，其中，功能粉末包括纳米金属铋粉、金属钨粉及硼粉，功能粉末与硅烷偶联剂的质量比为3:1，二甲基乙酰胺与聚氨酯橡胶树脂质量比为1:1，功能粉末与聚氨酯橡胶树脂的质量比为2:1；涂层厚度为0.1mm。
参照附图1，一种无铅轻质X、γ射线及中子防护材料由以下步骤制备：
步骤S01，制备金属铋溶液。
具体的，将纳米金属铋粉体均匀分散到无水乙醇中，质量比为1：2，超声搅拌10min，形成的金属铋溶液粘度为1000mPa.s，将溶液均匀涂抹在耐高温的聚酰亚胺薄膜1上；所述纳米金属铋粉体直径100nm；
步骤S02，热压形成铋薄皮层2。
具体的，将步骤S01均匀涂抹金属铋的聚酰亚胺薄膜1，置于热压机上，先在270℃的温度、0压力下预热20min，使得金属铋粉体均匀受热；将温度升高至300℃，在25MPa的机械压力下，恒温恒压压制10min，金属铋粉体高温熔融，形成铋薄皮层2，厚度为50μm；
步骤S03，制备功能聚氨酯橡胶树脂涂料。
具体的，将功能粉末和硅烷偶联剂均匀混合，在超声波发生器内处理20min后，滴加二甲基乙酰胺溶液，机械搅拌1小时，分散均匀后加入聚氨酯橡胶树脂，继续搅拌均匀，升温至为50℃脱除部分二甲基乙酰胺，调节粘度值，继续搅拌30min后，获得功能聚氨酯橡胶树脂涂层3的涂料，粘度为1000mPa.s；
功能粉末与硅烷偶联剂的质量比为3：1，二甲基乙酰胺与聚氨酯橡胶树脂质量比为1:1，功能粉末与聚氨酯橡胶树脂的质量比为2:1；
步骤S04，喷涂功能聚氨酯橡胶树脂涂层3。
具体的，将步骤S03中所述涂料加入喷涂装置料筒，通过喷涂工艺喷涂到步骤S02所述的铋薄皮层2上，干燥后制得功能聚氨酯橡胶树脂涂层3；所述喷涂的工艺参数为上液量为6500ml/min，空气压力为0.5MPa，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80次/min；所述功能聚氨酯橡胶树脂涂层3厚度为0.1mm；
步骤S05，延压成型。
具体的，将上所述步骤S04得到的三层材料通过压延机辊筒延压，使得铋薄片层2和功能聚氨酯橡胶树脂层3平整、均匀地覆贴于聚酰亚胺薄膜1表面，得到延压成型的无铅轻质X、γ射线及中子防护材料，厚度为0.3mm。其中压延工艺参数为：上辊温度100℃，中辊温度80℃，下辊温度70℃，辊距1mm，压延速度为35m/min。
实施例2
参照附图2，一种无铅轻质X、γ射线及中子防护材料由三层结构组成，自上而下分别为聚酰亚胺薄1、铋薄皮层2、功能聚氨酯橡胶树脂涂层3；厚度为0.5mm。聚酰亚胺薄膜1厚度为150μm，为X、γ射线及中子防护材料的基材；铋薄皮层2厚度为150μm，粉体被熔融后压呈片状，形成无缝隙的金属铋薄皮，极度减小光子从间隙透过的几率，大大提高了对射线的屏蔽能力；聚氨酯橡胶树脂涂层原料组成为：功能粉末、硅烷偶联剂、二甲基乙酰胺和聚氨酯橡胶树脂，其中，功能粉末包括纳米金属铋粉、金属钨粉及硼粉，功能粉末与硅烷偶联剂的质量比为3:1，二甲基乙酰胺与聚氨酯橡胶树脂质量比为2:1，功能粉末：纳米金属铋粉、金属钨粉及硼粉与聚氨酯橡胶树脂的质量比为3:1；涂层厚度为0.2mm。
参照附图1，一种无铅轻质X、γ射线及中子防护材料由以下步骤制备：
步骤S01，制备金属铋溶液。
具体的，将纳米金属铋粉体均匀分散到无水乙醇中，质量比为1：1，超声搅拌10min，形成的金属铋溶液粘度为5000mPa.s，将溶液均匀涂抹在耐高温的聚酰亚胺薄膜1上；所述纳米金属铋粉体直径100nm；
步骤S02，热压形成铋薄皮层2。
具体的，将步骤S01均匀涂抹金属铋的聚酰亚胺薄膜1，置于热压机上，先在280℃的温度、0压力下预热20min，使得金属铋粉体均匀受热；将温度升高至290℃，在25MPa的机械压力下，恒温恒压压制10min，金属铋粉体高温熔融，形成铋薄皮层，厚度为150μm；
步骤S03，制备功能聚氨酯橡胶树脂涂料。
具体的，将功能粉末和硅烷偶联剂均匀混合，在超声波发生器内处理20min后，滴加二甲基乙酰胺溶液，机械搅拌1小时，分散均匀后加入聚氨酯橡胶树脂，继续搅拌均匀，升温至为50℃脱除部分二甲基乙酰胺，调节粘度值，继续搅拌30min后，获得功能聚氨酯橡胶树脂涂层3的涂料，粘度为1500mPa.s；所述功能粉末与硅烷偶联剂的质量比为3：1，二甲基乙酰胺与聚氨酯橡胶树脂质量比为2:1，功能粉末与聚氨酯橡胶树脂的质量比为3:1；
步骤S04，喷涂功能聚氨酯橡胶树脂涂层3。
具体的，将步骤S03中所述涂料加入喷涂装置料筒，通过喷涂工艺喷涂到步骤S02所述的铋薄皮层2上，干燥后制得功能聚氨酯橡胶树脂涂层3；所述喷涂的工艺参数为上液量为6500ml/min，空气压力为0.5MPa，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80次/min；所述功能聚氨酯橡胶树脂涂层3厚度为0.2mm；
步骤S05，延压成型。
具体的，将上所述步骤S04得到的三层材料通过压延机辊筒延压，使得铋薄片层2和功能聚氨酯橡胶树脂层3平整、均匀地覆贴于聚酰亚胺薄膜1表面，得到延压成型的无铅轻质X、γ射线防护材料，厚度为0.5mm。其中压延工艺参数为：上辊温度100℃，中辊温度80℃，下辊温度70℃，辊距1mm，压延速度为35m/min。
本发明实施例1中制备的厚度为0.3mm的无铅轻质X、γ射线防护材料，对其防护效果进行测试，结果如下表1所示：
表1
Figure GDA0003370594790000091
从表中可以看出，厚度仅为0.3mm的无铅轻质X、γ射线防护材料的防辐射效果已经达到防护要求，对0.5eV低能中子的防护效率达到80％。
图3为本发明实施例中使用的纳米金属铋粉体的扫描电镜图。可以看出金属铋粉大小不一，形状成不太规则的球型，团聚分布，粒子间易形成空隙。
图4为本发明实施例1步骤S02制备的铋薄皮层2的扫描电镜图，可以看出铋薄皮层结果紧密，无缝隙。利用金属铋粉低熔点的特性，将金属铋粉高温熔融，压成薄片，接触到射线时，无缝隙的铋薄皮层极度减小光子从间隙透过的几率，更加有效地吸收、屏蔽辐射，有利于节约资源，极大程度改善了粉体颗粒在射线防护过程中的弊端。而外层的聚氨酯橡胶树脂涂层改善防护材料的脆性，进一步提高防辐射性能。制备的防辐射材料可根据需求与不同的面料复合，制备射线防护服装。
与现有技术相比，金属铋有良好屏蔽X、γ射线及中子的能力，取代传统重金属和现有混合多种金属的复合材料，满足无铅、轻质、环保的防护服装材料的现代要求。相同体积的一颗片状粉体颗粒与光子发生相互作用的几率是球状粉体颗粒的100倍以上。且金属铋的熔点为271.3℃，在耐高温基布上均匀喷洒后经高温压制，粉体会融压呈片状，排列紧密，互相交叠成几乎无缝隙的金属铋薄皮，极度减小光子从间隙透过的几率，大大提高了对射线的屏蔽能力。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (3)

1.一种无铅轻质X、γ射线及中子防护材料，其特征在于，由三层结构组成，自上而下分别为聚酰亚胺薄膜(1)、铋薄皮层(2)和功能聚氨酯橡胶树脂涂层(3)；所述防护材料的厚度为0.3～2mm；所述聚酰亚胺薄膜(1)厚度为150～250μm；所述铋薄皮层(2)厚度为50～800μm；所述功能聚氨酯橡胶树脂涂层(3)的原料组成为：功能粉末、硅烷偶联剂、二甲基乙酰胺和聚氨酯橡胶树脂；所述功能粉末包括纳米金属铋粉、金属钨粉和硼粉；所述功能粉末与硅烷偶联剂的质量比为2:1～5：1，二甲基乙酰胺与聚氨酯橡胶树脂质量比为1:1～1:2，功能粉末与聚氨酯橡胶树脂的质量比为0.5:1～3：1；涂层厚度为0.1mm～1mm；
所述无铅轻质X、γ射线及中子防护材料的方法，包括如下步骤：
S1.制备金属铋溶液:将纳米金属铋粉体均匀分散到无水乙醇中，质量比为1：1～1：5，超声搅拌10min，形成的金属铋溶液粘度为1000～10000mPa.s，将溶液均匀涂抹在耐高温的聚酰亚胺薄膜(1)上；所述纳米金属铋粉体直径100nm～1000nm，径厚比为1～500；
S2.热压形成铋薄皮层：将步骤S1均匀涂抹金属铋的聚酰亚胺薄膜，置于热压机上，先在250～270℃的温度、0压力下预热20min，使得金属铋粉体均匀受热；将温度升高至285～300℃，在25MPa的机械压力下，恒温恒压压制10～20min，金属铋粉体高温熔融，形成铋薄皮层(2)，厚度为50～800μm；
S3.制备功能聚氨酯橡胶树脂涂料：将功能粉末和硅烷偶联剂均匀混合，在超声波发生器内处理10～20min后，滴加二甲基乙酰胺溶液，机械搅拌1～2小时，分散均匀后加入聚氨酯橡胶树脂，继续搅拌均匀，升温至为50～60℃脱除部分二甲基乙酰胺，调节粘度值，继续搅拌20～30min后，获得功能聚氨酯橡胶树脂涂层(3)的涂料，粘度为1000～5000mPa.s；
S4.喷涂功能聚氨酯橡胶树脂涂层：将步骤S3中所述涂料加入喷涂装置料筒，通过喷涂工艺喷涂到步骤S2所述的铋薄皮层(2)上，干燥后制得功能聚氨酯橡胶树脂涂层(3)；所述喷涂的工艺参数为上液量为500ml/min～800ml/min，空气压力为0.3MPa～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次/min～120次/min；所述功能聚氨酯橡胶树脂涂层厚度为0.1m～1mm；
S5.延压成型材料：将上所述步骤S4得到的三层材料通过压延机辊筒延压，使得铋薄片层(2)和功能聚氨酯橡胶树脂涂层(3)平整、均匀地覆贴于聚酰亚胺薄膜(1)表面，得到延压成型的无铅轻质X、γ射线及中子防护材料。
2.根据权利要求1所述的一种无铅轻质X、γ射线及中子防护材料，其特征在于，所述步骤S5中的压延工艺参数为：上辊温度80℃～120℃，中辊温度70℃～100℃，下辊温度60℃～115℃，辊距1mm，压延速度为35～50m/min。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的无铅轻质X、γ射线及中子防护材料的用途，其特征在于，所述防护材料用于X、γ射线及中子防护服装材料。
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