防輻射材料的研究進展（上）

隨著工農業生產,特別是國防科研、放射學和原子能工業的迅速發展,各種射線的使用日益廣泛。射線的使用給人們帶來了方便和實惠,但在某種程度上也給人類帶來了一些危害,這引起了人們對防輻射纖維及材料研究的重視。防輻射材料是指能夠吸收或消散輻射能,對人體或儀器起保護作用的材料。防輻射纖維及材料的研制受到各發達*的普遍重視,它的研制對國防和民用都有十分重要的意義。

防Xγ射線的材料

X射線和γ射線都是由強光子流組成的電磁波,可間接引起物質電離。它們對生物體的作用基本相同,通過光電效應、康普頓效應、電子對效應與組成機體的各種物質相互作用,轉移其能量,產生電子使與之作用的物質電離。X射線和γ射線等對人體的傷害很大。長期接觸這些射線會對人體的性腺、乳腺、紅骨髓等產生傷害,超過一定劑量還會造成白血病、骨髓瘤等疾病。根據射線的性質及其與物質的作用機理,可選擇和制備相應的材料進行防護。防X射線及γ射線的材料通常都是含鉛的玻璃、有機玻璃和橡膠等制品。實驗表明,幾乎所有的塑料和橡膠加入X射線屏蔽物質后均可制成防X射線材料,但防輻射纖維及其織物的研制要困難很多。上世紀80年代初,蘇聯莫斯科紡織材料研究所*致力于防護纖維和防護服的研究開發,先后在*防護服、X射線防護服、屏蔽電磁波防護服等方面取得了重大突破。*初蘇聯的科技工作者以粘膠纖維織物為對象,研制了X射線防護織物。他們首先進行聚丙烯腈接枝,然后用硫化鈉溶液處理接枝共聚材料,*終再用醋酸鉛溶液處理被改性的織物,X射線防護物活性隨醋酸鉛溶液濃度、處理溫度提高而增高。這種方法的優點在于鉛消耗量低、耐洗滌,使用1～2兩層織物即可明顯減弱X射線輻射,可用于制做輕便防護服。但工藝較復雜,制取難度大。后來俄羅斯科學院核研究所與伊萬諾夫城膜及人造革研究所密切合作,專門設計了適用于*消防人員、維修人員和操作值班人員穿著的防輻射服。這種核防護服在組合輻射強度達100BER/h(γ、X射線)和400BER/h(β射線)的條件下,能在20min內保護工作人員免受輻射損傷。這是因為它能有效地吸收輻射能量達200萬eV光子射線和2兆eV的β射線,保護工作人員免受輻射、灼傷和放射物沾污皮膚以及吸入氣體等危害。其中SZO型防護服是為處理緊急事故而設計的,可以防護射線輻射、高溫時的強熱曝曬、短時間過熱蒸汽和明火的烘烤。這套服裝對α射線輻射有完全的保護作用,防2兆eVβ射線輻射的衰減系數達50,能防20萬eV的γ射線輻射達2倍衰減值。

日本和奧地利的研究者分別將硫酸鋇添加到粘膠纖維中制成的防輻射纖維可用于制作長期接觸X光的工作人員的服裝,效果良好。防X射線纖維加工成的織物經層壓或在織物中填加含有屏蔽劑的粘合劑后熱壓制成的層壓織物,均是防護X射線輻射的良好材料,我國一些機構也對此進行了研究。美國佛羅里達州的一家輻射防護技術公司用輻射防護技術對聚乙烯和聚氯乙烯進行改性研制成功一種稱作demron的防輻射織物。它是由一層聚乙烯(PE)和聚氯乙稀(PVC)聚合物夾在兩層普通梭織物之間構成。據介紹,該聚合物的基體經某種工藝處理后能產生電子共振作用,使得聚合物基體的電子呈現和重金屬相似的結構。這種分子結構會使任何一種輻射均遭受大量電子云作用,從而減慢和吸收核輻射。它不僅能防α射線,還能阻擋β射線和γ射線。這種防輻射織物的防輻射性能跟鉛做的衣服一樣好,但其重量比鉛輕若干倍,它不含鉛,無毒。它的用途很廣,既可以制成輕便的全身防護服、防輻射帳篷,又可以作為飛機、宇宙飛船用內襯材料等。

目前研制成的新型防X射線纖維主要是用聚丙烯和固體X射線屏蔽劑材料復合制成的。成品纖維的線密度在212dtex以上,纖維的斷裂強度可達20～30CNtex左右,斷裂伸長率約為25～45%。由這種纖維做成的非織造布對中、低能量的X射線具有較好的屏蔽效果。用于防護服的非織造布的重量在608g/m2以上時,對中、低能量X射線的屏蔽率可達70%以上。齊魯等自行研制了防X射線纖維。這種纖維是由聚丙烯和固體屏蔽劑復合材料制成的,成品纖維的纖度在212dtex以上。他們研究了斷裂強度和伸長,動態力學性能和其無紡布的屏蔽率。結果表明,纖維的力學性能可滿足紡織加工的要求,隨著纖維拉伸倍數的提高,纖維的復模量提高,但超過5倍拉伸時又略有下降。該纖維對中、低能量的X-射線有較高的屏蔽率。還分析研究了屏蔽劑含量與新型防X射線纖維力學性能及形態結構的關系。結果發現,隨著屏蔽劑含量的增加,拉伸后的纖維強度下降,伸長降低。經拉伸后防X射線纖維的截面形態結構變成緊密狀態,初生纖維中的微裂紋、空洞等結構缺陷基本消除,可是當屏蔽劑含量過高時,在纖維中仍存有部分結構缺陷。屏蔽劑含量對防X射線纖維復模量的影響如圖1所示。從圖中看出,隨屏蔽劑含量的增加,纖維復模量開始升高。當含量超過50%時,[E]值又逐漸降低。這主要是因為纖維拉伸后,當屏蔽劑含量較低時,纖維結構緊密,屏蔽劑是剛性填充劑,使[E]值上升。當屏蔽劑含量較高時,纖維中仍含有部分結構缺陷。另外在拉伸過程中,屏蔽劑必然與PP大分子產生摩擦,使少量PP大分子斷裂。含量越高,這種摩擦越劇烈,使[E]值又降低。

近年來人們從保護環境的角度出發,提出了開發替代鉛的輻射屏蔽材料的要求。東京都立產業技術研究所與橡膠、塑料生產廠商合作,共同開發出了在氯丁橡膠里混入約10%的金屬粉而形成的無鉛高密度橡膠輻射屏蔽材料。他們通過加入鎢、鉍、氧化鉍等三種添加料而獲得高密度橡膠,該屏蔽材料不含鉛、重量較輕,經測試確認其屏蔽輻射的效果優于鉛材料。與含鉛橡膠相比,屏蔽70000eV能量的含鎢橡膠顯得更薄、更輕；屏蔽100000eV以上能量的含鉍橡膠材料也能夠做得更輕。由于該輻射屏蔽材料的可加工性優良,因此可加工成裝放射性藥品的小瓶、注射筒的屏蔽材料,檢測核設施時使用的屏蔽墊及檢查手提物品用的X射線裝置的屏蔽材料等。

防X射線輻射材料中很重要的一類是防X、γ射線的有機玻璃。航空、核能、療、顯像管等應用領域要求使用透明的防輻射材料。各國均在試圖尋找一種能滿足工業應用的有機透明防輻射材料。日、美、德等*自上世紀60年代開始研究防輻射有機玻璃的制備技術,并且申請了多項專利。日本曾用甲基丙烯酸鉛與乙烯基酯共聚的方法制取防X、γ射線透明材料。前蘇聯和我國等也曾進行甲基丙烯酸三烷基錫及其共聚物的研究。后來進行的防X、γ射線有機玻璃研究大多由甲基丙烯酸鉛與甲基丙烯酸甲酷和苯乙烯等共聚而成。國內一些化工廠在這方面進行了研究。他們制備了鉛含量為1312～66%的5mm厚的含鉛有機玻璃板材。研究發現,隨著鉛含量的增加,防輻射性能提高,但鉛含量達到66%時力學性能明顯降低。他們研究還發現苯乙烯用量的變化對板材性能影響不大,鉛當量無明顯變化,但能提高板材的防輻射穩定性,但超過30%時聚合速度明顯降低。在本體聚合過程中加入有機羧酸鉛化合物對有機玻璃的透光率、材料力學性能、吸收射線能力的影響,并測定了合成有機含鉛玻璃材料對放射性元素镅241、銫137、鈷60的防輻射能力。他們通過溶劑法,重結晶法合成了純度較高,適合本體聚合的有機鉛化合物;制備了透光率大于80%,有一定力學性能的防輻射有機材料。實驗證明,所合成的聚合材料對中、低能量γ射線具有明顯的防護作用。在透明防輻射材料領域,有機鉛玻璃得到了廣泛的研究和應用。但到目前為止,有機鉛玻璃仍存在著表面硬度低、抗劃痕能力差、表面易起毛等缺點。