一种柔性核辐射屏蔽材料及其制备方法

1.本发明涉及一种屏蔽材料及其制备方法，具体涉及一种柔性核辐射屏蔽材料及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着核能技术的广泛应用，对于高强度的核辐射防护材料需求也越来越高。现有的核辐射防护材料大多是由高密度的金属材料等组成。虽然有着较强的防护效果，但常常存在重量大、刚性强、使用寿命短等问题，因此，柔性核辐射屏蔽材料被广泛研究。相较于传统屏蔽材料，柔性核辐射屏蔽材料更加轻便、高效、经济、更具灵活性、再利用率高。轻便性体现在其通常由聚合物或者橡胶等轻量材料制成，重量较轻，方便携带和使用；高效性体现在其能有效地吸收和分散辐射能量，减少辐射泄漏和人员暴露，提高防护效果；经济性体现在其制作和加工成本较低，维护和更换成本也较低；灵活性体现在其具有出色的弯曲性和可塑性，可以适应各种形状和尺寸的物体，不会影响其性能和防护效果；可再利用是指其可以重复使用，不会因辐射而受损，具有长寿命。
3.当涉及到提高柔性屏蔽材料的柔韧性时，通常具有以下几种方法：
4.1.增加纤维含量。通过在制造过程中增加纤维含量，可以提高屏蔽材料的柔性和强度。然而，在使用金属或碳纤维等导电材料时，增加纤维含量可能会降低屏蔽效率。
5.2.采用新型聚合物。使用新型聚合物可以大幅提升屏蔽材料的柔性。例如，使用聚乙烯基硅氧烷(pe-siox)和聚四氟乙烯(ptfe)复合制成的材料具有良好的柔性和耐磨性，但这种材料的制造成本较高。
6.3.纳米颗粒填充。将纳米颗粒填充到屏蔽材料中可以提高其柔性，并使其具有更好的屏蔽性能。纳米颗粒可以是金属或碳纳米管等导电材料。尽管这种方法可以提高屏蔽效率，但是添加过多的纳米颗粒会对柔性产生负面影响。
7.4.激光微加工。激光微加工技术可以直接在屏蔽材料表面制造微小结构，这些结构可以增加材料的柔韧性和强度。该方法需要使用昂贵的设备。
8.5.热压成型。通过将屏蔽材料加热至可塑状态，然后通过压制形成想要的形状。这种方法能够生产出具有高度柔韧性和良好导电性能的屏蔽材料，但需要高温和高压条件，而且生产效率较低。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种柔性核辐射屏蔽材料及其制备方法，该材料能够在保证射线屏蔽效果的同时提高材料柔性，并且屏蔽效果较好，成本低，同时制备方法简单，生产效率高。
10.为达到上述目的，本发明公开了一种柔性核辐射屏蔽材料包括基体以及涂覆于基体表面的涂层，其中，所述基体通过基材、改性剂、纳米粒子以及屏蔽材料制备而成，其中，采用分子模拟的方法确定纳米粒子的量。
11.所述基材为硅橡胶。
12.所述改性剂为二甲基聚硅氧烷。
13.所述纳米粒子为二氧化硅。
14.所述屏蔽材料为铅粉。
15.所述基材为硅橡胶；所述改性剂为二甲基聚硅氧烷；所述纳米粒子为二氧化硅；所述屏蔽材料为铅粉；硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为：(47-66.5)、(2-5)、(1.5-3)及(30-45)。
16.硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为64.505:3.395:2.1:30。
17.所述涂层的材质为聚酰亚胺。
18.涂层的密度控制在1.35g/cm3。
19.本发明所述柔性核辐射屏蔽材料的制备方法包括以下步骤：
20.1)将硅橡胶进行熔融，再加入改性剂，混合均匀后加入屏蔽材料，待屏蔽材料分散均匀后，得混合体；
21.2)将步骤1)得到的混合体压膜成型，然后切割成为材料片；
22.3)在所述材料片的表面均匀涂布涂层，固化后，得到柔性核辐射屏蔽材料。
23.本发明具有以下有益效果：
24.本发明所述的柔性核辐射屏蔽材料及其制备方法在具体操作时，采用硅橡胶作为基体材料，并添加二甲基聚硅氧烷作为改性剂，能够在保证物理和化学性质的基础上，极大程度地增加基体材料的柔软性及耐磨性，使其与纳米粒子有良好的相容性，也更大减小加入二氧化硅后混合物的搅拌阻力，能够最大程度的减少团簇的产生。另外，本发明采用分子模拟的方法，有效确定纳米粒子的最佳填充量，使材料能够在保证屏蔽效果的基础上极大程度的发挥柔软特性，成本较低。另外，在制备时，通过熔融混合的方式进行混合，再成型，制备方法简单，生产效率高。
附图说明
25.图1为填充sio2纳米团簇后混合屏蔽材料的模型图；
26.图2为本发明检测屏蔽效果时的结构示意图。
具体实施方式
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
28.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形
状、大小、相对位置的区域/层。
29.本发明所述的柔性核辐射屏蔽材料包括基体以及涂覆于基体表面的涂层，其中，所述基体通过基材、改性剂、纳米粒子以及屏蔽材料制备而成。
30.优选的，所述基材为硅橡胶；
31.硅橡胶的材料柔软，易于加工，在不同形状和尺寸的场合下都可以灵活使用，方便制作成各种形式的屏蔽材料，且其耐腐蚀性强，稳定性较好，不受温度、湿度等环境影响而发生变化，具有很强的耐腐蚀性及耐老化性，可以长期保持良好的物理及化学性质。本发明选用cas号为63148-57-2的甲基含氢硅油及cas号为68083-19-2的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，且甲基含氢硅油与乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷按照质量比为3:7，在常温下通过混合机进行混合，得硅橡胶。
32.优选的，所述改性剂为二甲基聚硅氧烷(dms)。
33.本发明引入适量改性剂可使聚合物材料的刚性降低，从而提高整个材料的柔性，本发明采用二甲基聚硅氧烷，能够改善硅橡胶的柔软性及弹性，并提高其耐磨性及耐油性。二甲基聚硅氧烷作为改性剂时，其添加浓度通常在5％-10％之间，为得到较软的硅橡胶，本发明的添加浓度控制在5％。
34.优选的，所述纳米粒子为二氧化硅。
35.本发明在材料中填充纳米粒子，可以提高材料的屏蔽性能，同时还能在一定程度上提升材料的柔性。这是因为纳米粒子作为一种填充剂，可以填满材料内部的空隙和缺陷，增加材料的密实度和强度，从而使其更加柔韧。纳米粒子的填充浓度作为影响材料柔性的重要因素，其量过高可能导致材料变硬或失去柔性。本发明利用accelrys公司的materials studio软件对核辐射屏蔽材料中纳米粒子的填充浓度进行模拟，得到纳米粒子浓度在3％时，能够在破坏材料柔性的同时保证材料的屏蔽效果。
36.优选的，所述屏蔽材料为铅粉。
37.选用高比重的屏蔽材料进行填充，可以提高整体材料的防辐射性能。待填充部分的粒径及密度需根据具体情况来确定，以保证材料能够兼具防辐射性及柔性。本发明选用粒径为10μm，密度为11.35g/cm3的铅粉作为屏蔽材料。
38.优选的，所述涂层的材质为聚酰亚胺；
39.在材料表面涂上适量的涂层材料，使其表面光滑平整，增强材料表面的防污性和耐磨性。本发明使用聚酰亚胺作为涂层材料，其中，涂层的密度控制在1.35g/cm3。
40.硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为：(47-66.5)、(2-5)、(1.5-3)及(30-45)。
41.硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为：64.505:3.395:2.1:30。
42.本发明所述柔性核辐射屏蔽材料的制备方法包括以下步骤：
43.1)将硅橡胶加入开放式炼胶机中进行熔融，再加入改性剂，混合均匀，再加入屏蔽材料，待屏蔽材料分散均匀后，得混合体；
44.2)将步骤1)得到的混合体放入平板硫化机压膜成型，然后通过割裁工艺处理成2cm
×
10cm
×
10cm的材料片；
45.3)在所述材料片的表面均匀涂布涂层，再固化后，得到柔性核辐射屏蔽材料。
46.参考图1及图2，制备完成后，将柔性核辐射屏蔽材料送至线性加速器进行检测，线
性加速器产生高能量的光子束，光子束作用到待测样品上，通过测量透射光子的能量及数量，以确定样品对gamma射线的屏蔽效果。
47.实施例一
48.本发明所述的柔性核辐射屏蔽材料包括基体以及涂覆于基体表面的涂层，其中，所述基体通过基材、改性剂、纳米粒子以及屏蔽材料制备而成，其中，采用分子模拟的方法确定纳米粒子的量。
49.所述基材为硅橡胶；所述改性剂为二甲基聚硅氧烷；所述纳米粒子为二氧化硅；所述屏蔽材料为铅粉；硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为64.505:3.395:2.1:30。
50.所述涂层的材质为聚酰亚胺，涂层的密度控制在1.35g/cm3。
51.本发明所述的所述柔性核辐射屏蔽材料的制备方法包括以下步骤：
52.1)将硅橡胶进行熔融，再加入改性剂，混合均匀后加入屏蔽材料，待屏蔽材料分散均匀后，得混合体；
53.2)将步骤1)得到的混合体压膜成型，然后切割成为材料片；
54.3)在所述材料片的表面均匀涂布涂层，固化后，得到柔性核辐射屏蔽材料。
55.实施例二
56.本发明所述的柔性核辐射屏蔽材料包括基体以及涂覆于基体表面的涂层，其中，所述基体通过基材、改性剂、纳米粒子以及屏蔽材料制备而成，其中，采用分子模拟的方法确定纳米粒子的量。
57.所述基材为硅橡胶；所述改性剂为二甲基聚硅氧烷；所述纳米粒子为二氧化硅；所述屏蔽材料为铅粉；硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为：66.5、2、1.5及30。
58.所述涂层的材质为聚酰亚胺，涂层的密度控制在1.35g/cm3。
59.本发明所述的所述柔性核辐射屏蔽材料的制备方法包括以下步骤：
60.1)将硅橡胶进行熔融，再加入改性剂，混合均匀后加入屏蔽材料，待屏蔽材料分散均匀后，得混合体；
61.2)将步骤1)得到的混合体压膜成型，然后切割成为材料片；
62.3)在所述材料片的表面均匀涂布涂层，固化后，得到柔性核辐射屏蔽材料。
63.实施例三
64.本发明所述的柔性核辐射屏蔽材料包括基体以及涂覆于基体表面的涂层，其中，所述基体通过基材、改性剂、纳米粒子以及屏蔽材料制备而成，其中，采用分子模拟的方法确定纳米粒子的量。
65.所述基材为硅橡胶；所述改性剂为二甲基聚硅氧烷；所述纳米粒子为二氧化硅；所述屏蔽材料为铅粉；硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为：47、5、3及45。
66.所述涂层的材质为聚酰亚胺，涂层的密度控制在1.35g/cm3。
67.本发明所述的所述柔性核辐射屏蔽材料的制备方法包括以下步骤：
68.1)将硅橡胶进行熔融，再加入改性剂，混合均匀后加入屏蔽材料，待屏蔽材料分散均匀后，得混合体；
69.2)将步骤1)得到的混合体压膜成型，然后切割成为材料片；
70.3)在所述材料片的表面均匀涂布涂层，固化后，得到柔性核辐射屏蔽材料。
71.实施例四
72.本发明所述的柔性核辐射屏蔽材料包括基体以及涂覆于基体表面的涂层，其中，所述基体通过基材、改性剂、纳米粒子以及屏蔽材料制备而成，其中，采用分子模拟的方法确定纳米粒子的量。
73.所述基材为硅橡胶；所述改性剂为二甲基聚硅氧烷；所述纳米粒子为二氧化硅；所述屏蔽材料为铅粉；硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为：62、3、2.5及33。
74.所述涂层的材质为聚酰亚胺，涂层的密度控制在1.35g/cm3。
75.本发明所述的所述柔性核辐射屏蔽材料的制备方法包括以下步骤：
76.1)将硅橡胶进行熔融，再加入改性剂，混合均匀后加入屏蔽材料，待屏蔽材料分散均匀后，得混合体；
77.2)将步骤1)得到的混合体压膜成型，然后切割成为材料片；
78.3)在所述材料片的表面均匀涂布涂层，固化后，得到柔性核辐射屏蔽材料。
79.实施例五
80.本发明所述的柔性核辐射屏蔽材料包括基体以及涂覆于基体表面的涂层，其中，所述基体通过基材、改性剂、纳米粒子以及屏蔽材料制备而成，其中，采用分子模拟的方法确定纳米粒子的量。
81.所述基材为硅橡胶；所述改性剂为二甲基聚硅氧烷；所述纳米粒子为二氧化硅；所述屏蔽材料为铅粉；硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为：55、2.5、2.5及40。
82.所述涂层的材质为聚酰亚胺，涂层的密度控制在1.35g/cm3。
83.本发明所述的所述柔性核辐射屏蔽材料的制备方法包括以下步骤：
84.1)将硅橡胶进行熔融，再加入改性剂，混合均匀后加入屏蔽材料，待屏蔽材料分散均匀后，得混合体；
85.2)将步骤1)得到的混合体压膜成型，然后切割成为材料片；
86.3)在所述材料片的表面均匀涂布涂层，固化后，得到柔性核辐射屏蔽材料。
87.需要说明的是，本发明采用硅橡胶作为基体材料，并添加二甲基聚硅氧烷作为改性剂，能够在保证物理和化学性质的基础上极大程度地增加基体材料的柔软性和耐磨性，使其与纳米粒子有良好的相容性，也更大大减小了加入二氧化硅后混合物的搅拌阻力，能够最大程度的减少团簇的产生。
88.另外，本发明采用分子模拟的方法，利用material studio软件有效确定纳米粒子的最佳填充浓度，使材料能在保证屏蔽效果的基础上极大程度的发挥柔软特性。
89.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种柔性核辐射屏蔽材料，其特征在于，包括基体以及涂覆于基体表面的涂层，其中，所述基体通过基材、改性剂、纳米粒子以及屏蔽材料制备而成，其中，采用分子模拟的方法确定纳米粒子的量。2.根据权利要求1所述的柔性核辐射屏蔽材料，其特征在于，所述基材为硅橡胶。3.根据权利要求1所述的柔性核辐射屏蔽材料，其特征在于，所述改性剂为二甲基聚硅氧烷。4.根据权利要求1所述的柔性核辐射屏蔽材料，其特征在于，所述纳米粒子为二氧化硅。5.根据权利要求1所述的柔性核辐射屏蔽材料，其特征在于，所述屏蔽材料为铅粉。6.根据权利要求1所述的柔性核辐射屏蔽材料，其特征在于，所述基材为硅橡胶；所述改性剂为二甲基聚硅氧烷；所述纳米粒子为二氧化硅；所述屏蔽材料为铅粉；硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为：(47-66.5)、(2-5)、(1.5-3)及(30-45)。7.根据权利要求6所述的柔性核辐射屏蔽材料，其特征在于，硅橡胶、二甲基聚硅氧烷、二氧化硅及铅的质量比为64.505:3.395:2.1:30。8.根据权利要求1所述的柔性核辐射屏蔽材料，其特征在于，所述涂层的材质为聚酰亚胺。9.根据权利要求8所述的柔性核辐射屏蔽材料，其特征在于，涂层的密度控制在1.35g/cm3。10.一种权利要求1所述柔性核辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将硅橡胶进行熔融，再加入改性剂，混合均匀后加入屏蔽材料，待屏蔽材料分散均匀后，得混合体；2)将步骤1)得到的混合体压膜成型，然后切割成为材料片；3)在所述材料片的表面均匀涂布涂层，固化后，得到柔性核辐射屏蔽材料。

技术总结
本发明公开了一种柔性核辐射屏蔽材料及其制备方法，包括基体以及涂覆于基体表面的涂层，其中，所述基体通过基材、改性剂、纳米粒子以及屏蔽材料制备而成，其中，采用分子模拟的方法确定纳米粒子的量，该材料能够在保证射线屏蔽效果的同时提高材料柔性，并且屏蔽效果较好，成本低，同时制备方法简单，生产效率高。生产效率高。生产效率高。


技术研发人员：胡华四 门庭轩 胡光 孙伟强 纪富
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/23