隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),特別是國防科研、放射學(xué)和原子能工業(yè)的迅速發(fā)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(shí)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(duì)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(duì)人體或儀器起保護(hù)作用的材料。防輻射纖維及材料的研制受到各發(fā)達(dá)*的普遍重視,它的研制對(duì)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(qiáng)光子流組成的電磁波,可間接引起物質(zhì)電離。它們對(duì)生物體的作用基本相同,通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)與組成機(jī)體的各種物質(zhì)相互作用,轉(zhuǎn)移其能量,產(chǎn)生電子使與之作用的物質(zhì)電離。X射線和γ射線等對(duì)人體的傷害很大。長(zhǎng)期接觸這些射線會(huì)對(duì)人體的性腺、乳腺、紅骨髓等產(chǎn)生傷害,超過一定劑量還會(huì)造成白血病、骨髓瘤等疾病。根據(jù)射線的性質(zhì)及其與物質(zhì)的作用機(jī)理,可選擇和制備相應(yīng)的材料進(jìn)行防護(hù)。防X射線及γ射線的材料通常都是含鉛的玻璃、有機(jī)玻璃和橡膠等制品。實(shí)驗(yàn)表明,幾乎所有的塑料和橡膠加入X射線屏蔽物質(zhì)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(jì)80年代初,蘇聯(lián)莫斯科紡織材料研究所*致力于防護(hù)纖維和防護(hù)服的研究開發(fā),先后在*防護(hù)服、X射線防護(hù)服、屏蔽電磁波防護(hù)服等方面取得了重大突破。*初蘇聯(lián)的科技工作者以粘膠纖維織物為對(duì)象,研制了X射線防護(hù)織物。他們首先進(jìn)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(hù)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(yōu)點(diǎn)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(hù)服。但工藝較復(fù)雜,制取難度大。后來俄羅斯科學(xué)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(shè)計(jì)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(hù)服在組合輻射強(qiáng)度達(dá)100BER/h(γ、X射線)和400BER/h(β射線)的條件下,能在20min內(nèi)保護(hù)工作人員免受輻射損傷。這是因?yàn)樗苡行У匚蛰椛淠芰窟_(dá)200萬eV光子射線和2兆eV的β射線,保護(hù)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(hù)服是為處理緊急事故而設(shè)計(jì)的,可以防護(hù)射線輻射、高溫時(shí)的強(qiáng)熱曝曬、短時(shí)間過熱蒸汽和明火的烘烤。這套服裝對(duì)α射線輻射有完全的保護(hù)作用,防2兆eVβ射線輻射的衰減系數(shù)達(dá)50,能防20萬eV的γ射線輻射達(dá)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(zhǎng)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(jīng)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(hù)X射線輻射的良好材料,我國一些機(jī)構(gòu)也對(duì)此進(jìn)行了研究。美國佛羅里達(dá)州的一家輻射防護(hù)技術(shù)公司用輻射防護(hù)技術(shù)對(duì)聚乙烯和聚氯乙烯進(jìn)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(gòu)成。據(jù)介紹,該聚合物的基體經(jīng)某種工藝處理后能產(chǎn)生電子共振作用,使得聚合物基體的電子呈現(xiàn)和重金屬相似的結(jié)構(gòu)。這種分子結(jié)構(gòu)會(huì)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(hù)服、防輻射帳篷,又可以作為飛機(jī)、宇宙飛船用內(nèi)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(fù)合制成的。成品纖維的線密度在212dtex以上,纖維的斷裂強(qiáng)度可達(dá)20～30CNtex左右,斷裂伸長(zhǎng)率約為25～45%。由這種纖維做成的非織造布對(duì)中、低能量的X射線具有較好的屏蔽效果。用于防護(hù)服的非織造布的重量在608g/m2以上時(shí),對(duì)中、低能量X射線的屏蔽率可達(dá)70%以上。齊魯?shù)茸孕醒兄屏朔繶射線纖維。這種纖維是由聚丙烯和固體屏蔽劑復(fù)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(qiáng)度和伸長(zhǎng),動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和其無紡布的屏蔽率。結(jié)果表明,纖維的力學(xué)性能可滿足紡織加工的要求,隨著纖維拉伸倍數(shù)的提高,纖維的復(fù)模量提高,但超過5倍拉伸時(shí)又略有下降。該纖維對(duì)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(xué)性能及形態(tài)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著屏蔽劑含量的增加,拉伸后的纖維強(qiáng)度下降,伸長(zhǎng)降低。經(jīng)拉伸后防X射線纖維的截面形態(tài)結(jié)構(gòu)變成緊密狀態(tài),初生纖維中的微裂紋、空洞等結(jié)構(gòu)缺陷基本消除,可是當(dāng)屏蔽劑含量過高時(shí),在纖維中仍存有部分結(jié)構(gòu)缺陷。屏蔽劑含量對(duì)防X射線纖維復(fù)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(fù)模量開始升高。當(dāng)含量超過50%時(shí),[E]值又逐漸降低。這主要是因?yàn)槔w維拉伸后,當(dāng)屏蔽劑含量較低時(shí),纖維結(jié)構(gòu)緊密,屏蔽劑是剛性填充劑,使[E]值上升。當(dāng)屏蔽劑含量較高時(shí),纖維中仍含有部分結(jié)構(gòu)缺陷。另外在拉伸過程中,屏蔽劑必然與PP大分子產(chǎn)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(hù)環(huán)境的角度出發(fā),提出了開發(fā)替代鉛的輻射屏蔽材料的要求。東京都立產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所與橡膠、塑料生產(chǎn)廠商合作,共同開發(fā)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(jīng)測(cè)試確認(rèn)其屏蔽輻射的效果優(yōu)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(yōu)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(cè)核設(shè)施時(shí)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(jī)玻璃。航空、核能、療、顯像管等應(yīng)用領(lǐng)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(yè)應(yīng)用的有機(jī)透明防輻射材料。日、美、德等*自上世紀(jì)60年代開始研究防輻射有機(jī)玻璃的制備技術(shù),并且申請(qǐng)了多項(xiàng)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(lián)和我國等也曾進(jìn)行甲基丙烯酸三烷基錫及其共聚物的研究。后來進(jìn)行的防X、γ射線有機(jī)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(nèi)一些化工廠在這方面進(jìn)行了研究。他們制備了鉛含量為1312～66%的5mm厚的含鉛有機(jī)玻璃板材。研究發(fā)現(xiàn),隨著鉛含量的增加,防輻射性能提高,但鉛含量達(dá)到66%時(shí)力學(xué)性能明顯降低。他們研究還發(fā)現(xiàn)苯乙烯用量的變化對(duì)板材性能影響不大,鉛當(dāng)量無明顯變化,但能提高板材的防輻射穩(wěn)定性,但超過30%時(shí)聚合速度明顯降低。在本體聚合過程中加入有機(jī)羧酸鉛化合物對(duì)有機(jī)玻璃的透光率、材料力學(xué)性能、吸收射線能力的影響,并測(cè)定了合成有機(jī)含鉛玻璃材料對(duì)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(jié)晶法合成了純度較高,適合本體聚合的有機(jī)鉛化合物;制備了透光率大于80%,有一定力學(xué)性能的防輻射有機(jī)材料。實(shí)驗(yàn)證明,所合成的聚合材料對(duì)中、低能量γ射線具有明顯的防護(hù)作用。在透明防輻射材料領(lǐng)域,有機(jī)鉛玻璃得到了廣泛的研究和應(yīng)用。但到目前為止,有機(jī)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(diǎn)。