鉛鎢摻雜硅橡膠基柔性材料的制備及研究

李龍 康文凱 溫毅 李哲宇 郝曉華(中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006)

0 引言

根據(jù)調(diào)研，核電現(xiàn)場許多設(shè)施較為復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境有時處于狹小封閉的室內(nèi)，常規(guī)的屏蔽材料無法搭建起有效的屏蔽環(huán)境，為滿足現(xiàn)場工況使用便捷，需要一種質(zhì)軟的屏蔽材料，其可快速搭建安裝，屏蔽現(xiàn)場熱點(diǎn)，從而降低內(nèi)環(huán)境劑量水平，保護(hù)輻射源附近工作人員的健康，確保工作人員接受外照射劑量、當(dāng)量低于規(guī)定的限值。鉛是一種能夠有效阻擋X射線、γ射線高強(qiáng)度射線的金屬，被廣泛應(yīng)用于輻射熱點(diǎn)進(jìn)行射線屏蔽。但是根據(jù)現(xiàn)有的研究表明鉛元素存在射線弱吸收區(qū)，單純的鉛粉橡膠不能夠很好的滿足輻射防護(hù)的要求，采用鉛鎢摻雜的形式能夠很好的彌補(bǔ)單純鉛粉帶來的弱吸收區(qū)效果，有效增強(qiáng)屏蔽效果。在基材選擇上由于硅橡膠主要是由高摩爾質(zhì)量的線型聚硅氧烷組成，相比于傳統(tǒng)橡膠具有更好的物理性能。利用常規(guī)的甲基乙烯基硅膠作為基底材料，將鎢粉與鉛粉混合物作為屏蔽性功能材料，通過引入改性后的二苯甲酮、硼酸鋅等功能性粒子，制備一種具有輻射屏蔽功能的鎢鉛摻雜硅橡膠基柔性材料。

1 樣品的制備

首先，為了減少添加的特殊功能性粒子發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，提高添加物與硅膠基的粘結(jié)性能，須對功能性粉末進(jìn)行表面改性處理，之后，將配方量的甲基乙烯基硅膠置于塑煉機(jī)上進(jìn)行塑煉，塑煉溫度為60℃，塑煉時間為20min。

然后將塑煉好的甲基乙烯基硅膠置于開煉機(jī)中，添加鉛粉、鎢粉及改性后的二苯甲酮、硼酸鋅以及硫化劑混合攪拌均勻，之后添加一定量的偶聯(lián)劑、羥基硅油進(jìn)行混煉，在80℃的溫度下混煉40min。

最后，將混煉好的硅膠置于硫化機(jī)上，在130℃的溫度下硫化20min，冷卻后得到樣品。樣品形狀為方形片狀，尺寸為100mm×100mm×2mm，如圖1所示。

圖1 樣品形態(tài)圖

2 硅橡膠基柔性屏蔽材料的結(jié)構(gòu)與性能

2.1 材料的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)

利用掃描電鏡(SEM)可以觀察到較高的放大倍數(shù)，同時具有很大的景深，視野大，成像富有立體感，通過掃描電鏡對樣品橫截面的觀察?？梢杂^察到制備好的樣品中功能粒子的分散情況。形貌如圖2所示的樣品顆粒分散均勻度較好。

圖2 樣品的SEM圖

2.2 材料的耐老化性能實(shí)驗(yàn)

2.2.1 熱空氣老化試驗(yàn)

熱老化實(shí)驗(yàn)按GB/T 7141—2008《塑料熱老化試驗(yàn)方法》進(jìn)行，老化實(shí)驗(yàn)后按GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的測定》進(jìn)行拉伸性能的測定，以評價老化實(shí)驗(yàn)對物理力學(xué)性能的影響。

本實(shí)驗(yàn)選用強(qiáng)制通風(fēng)式熱老化試驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用50次/h的換氣率及箱內(nèi)保持均勻的實(shí)驗(yàn)溫度，使用監(jiān)測暴露溫度和濕度的記錄儀器。本實(shí)驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)制取試樣5件，選用暴露溫度為70℃，在老化試驗(yàn)箱中放置48h，實(shí)驗(yàn)完成后試樣放置24h后按標(biāo)準(zhǔn)測定其拉伸性能，并結(jié)合未老化樣品力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算其變化率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，熱空氣老化前后，拉伸強(qiáng)度和拉伸伸長率的變化率分別為：32.88%和8.06%。

表1 樣品熱空氣老化前后學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表

2.2.2 耐輻照老化性能檢測

鎢鉛摻雜硅橡膠基柔性材料在使用過程中必然接受輻照，因此有必要對其耐γ輻照性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并評定其對包覆層力學(xué)性能的影響。

本實(shí)驗(yàn)在輻照溫度為60℃，選用60Co放射源，使樣品接受2.5×105Gy的累積劑量后，按照GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的測定》進(jìn)行拉伸性能的測定，并結(jié)合未輻照樣品力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算其變化率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，輻照老化前后，拉伸強(qiáng)度和拉伸伸長率的變化率分別為：7.8%和76%。

表2 樣品輻照老化前后學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表

2.3 材料的屏蔽性能檢測

屏蔽性能是衡量輻射防護(hù)材料的重要指標(biāo)，一般用鉛當(dāng)量來表示，也就是該屏蔽材料與鉛板在相同照射條件下，具有的等同屏蔽能力的鉛板厚度，單位用毫米鉛(mmPb)表示。本實(shí)驗(yàn)制作樣品的有效屏蔽層厚度為2mm，測試裝置為T10022-0037+PTW32005-0019標(biāo)準(zhǔn)電離室，測試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程為GBZ/T 147—2002 《X射線防護(hù)材料衰減性能的測定》。

本實(shí)驗(yàn)選用的計量標(biāo)準(zhǔn)分別為γ射線照射量(防護(hù)水平)標(biāo)準(zhǔn)裝置，測量范圍為(2.95×10-7～2.95×10-3)C·kg-1·h-1，不確定度為4.6%(k=2)；X射線照射量(防護(hù)水平)標(biāo)準(zhǔn)裝置，測量范圍為(3×10-6～3×10-3)C·kg-1·h-1，不確定度為4.0%(k=2)。

表3 樣品屏蔽性能檢測記錄表

屏蔽性能檢測時，為了檢測樣品的屏蔽均勻性，在制作試樣時從樣品不同位置任意裁取3塊，對3塊試樣的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，根據(jù)其屏蔽等效鉛當(dāng)量確定屏蔽性能的均勻性。測試條件：溫度16.8℃，濕度52%，氣壓927.76hPa。

3 結(jié)語

通過研究，采用甲基乙烯基硅膠，通過添加改性后的二苯甲酮、硼酸鋅、鎢粉、鉛粉等功能性粒子設(shè)計制備了一種硅橡膠基的柔性屏蔽材料，通過對樣品橫截面進(jìn)行掃描電鏡觀察，粒子分散度良好，符合預(yù)設(shè)目標(biāo)；對樣品進(jìn)行表面檢測，通過對樣品的耐老化性能、耐輻照性能等的測定，證實(shí)該柔性屏蔽材料基本滿足輻射屏蔽應(yīng)急應(yīng)用。通過對樣品的屏蔽性能檢測分析，其屏蔽層2mm厚度的等效鉛當(dāng)量為0.362mmPb，屏蔽性能優(yōu)良且實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)；同時，其柔性較好，適合于核電項(xiàng)目現(xiàn)場的緊急臨時屏蔽需要。