通过掺杂稀土元素获得中子防护面料的方法

摘要

本发明公开了一种通过掺杂稀土元素获得中子防护面料的方法，它包括以下步骤：（1）a、先将纺织品经过电子束或等离子体预辐照处理，再将稀土纳米粉体接枝到处理过的纺织品上；或b、将纺织品中掺杂稀土纳米粉体或稀土盐类，经过电子束或等离子体共辐照纺织品上；（2）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。本发明通过掺杂稀土元素获得柔性的稀土中子防护面料，对慢中子、热中子、中能中子防护有效，尤其对快中子防护明显有效。本发明将稀土元素接枝到纺织品上，实现柔性的中子防护，对解决中子辐射防护问题和提升纺织品和稀土附加值都有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及中子防护面料，具体地指一种通过掺杂稀土元素获得中子 防护面料的方法。

背景技术

在化石能源日益危机的情况下，发展清洁能源的呼声越来越高。然而 潮汐能、太阳能、风能、生物质能等清洁能源只能作为补充能源。核 能才是未来的主要能源。因此，核能防护，特别是人员防护是一个重 要的工作。在辐射的防护中，中子的防护是比较难的技术，原因是中 子不带电，同电子几乎不作用，不容易被物质阻挡，防护困难。

纤维织物类屏蔽材料的研究始于20世纪70年代，如今已有很多种类型 的织物类屏蔽材料，且多用于制备辐射防护服。上世纪80年代初，前 苏联科研人员用粘胶纤维织物为对象，通过对聚丙烯腈接枝，然后用 硫化钠溶液处理接枝共聚材料，最后用醋酸铅溶液处理被改性的织物 来制成防护服，此防护服屏蔽效果好，但工艺较复杂，制取难度大。

日本研制成的离子交换型防中子辐射纤维是将硼、锂或其它屏蔽物质 的离子吸附在纤维上，从而使纤维具有中子辐射屏蔽功能。由于吸附 量有限、且洗涤时极易脱落，故屏蔽效果较差。后来日本又对原来的 技术进行改进，使离子交换纤维吸附锂或硼的化合物，从而提高了织 物中子屏蔽率。

在已知的国外各种防中子辐射纤维中，以日本东丽公司的研制水平为 最佳。它采用复合纺丝方法制取防中子辐射复合纤维。具体做法为中 子吸收物质与高聚物在捏合机上熔融混合后作为芯层组 份，以纯高聚物为皮层进行熔融复合纺丝，所得纤维为皮芯结构，经 干热或湿热拉伸制得具有一定强度的纤维。但该纤维纺制设备较复杂 ，投资较大。

日本还报道了另一种纤维状中子防护物的制取方法。含有中子吸收物 质的高聚物溶液在高压下喷射纺制纤维，提高了防中子辐射纤维的热 中子屏蔽率。但该种纤维强度低，断裂伸长较大，不易加工。这种方 法制得的纤维由于中子吸收物质暴露在纤维表面，因而在洗涤、受摩 擦时极易损失，使中子吸收性能降低。日本还将锂和硼的化合物粉末 与聚乙烯树脂共聚后,采用熔融皮芯复合纺丝工艺研制了防中子辐射纤 维材料。可加工成机织物和非织造布，定重为430 g/m²的机织物的热 中子屏蔽率可达40%，常用于医院放疗室内医生和病人的防护。

美国迈阿密的防辐射技术公司（RST）研究出一种技术，对聚乙烯（P E）和聚氯乙烯（PVC）进行改性，以形成一种能防止核辐射的材料。 用某种未透露的工艺方法对聚合物基质进行处理，使之产生一种能够 吸收辐射的电子共振效应。经过处理的基质粘贴在天然或合成的两层 无纺布之间，这样制成的防辐射安全服要比传统的铅服轻巧5倍以上。 这种布料的商品名叫Demron，在纽约州哥伦比亚大学和亚特兰大的佐 治亚理工学院分别进行了测试,对高能β粒子具有极好的屏蔽效果，对 于130 keV的γ射线至少能屏蔽掉50%。

我国从上世纪70年代开始防中子高分子材料的研究，1987年5月天津纺 院研制成功防中子辐射纤维。该纤维具有较好的γ射线屏蔽功能。国 内采用硼化合物、重金属化合物与聚丙烯等共混后熔纺制成了皮芯型 防中子、防X射线纤维。纤维中碳化硼含量高达35%，纤维强度可达23 ～27CN/tex，断裂伸长率达20～40%，可加工成针织物、机织物和非织 造布,用在原子能反应堆周围，可使中子辐射防护屏蔽率达到44%以上 。

王学晨等采用聚丙烯与不同重量的碳化硼微粉为原料，探讨了通过熔 融共混纺丝工艺研制防中子辐射纤维及织物的可行性，并对共混体系 的流变性能及影响流变性能的因素进行了讨论。所制备的材料适合用 于防护衣具、门窗帘和遮盖包装等。

齐鲁等利用动态粘弹仪等测试了用B₄C/PP复合材料纺制的防中子辐射 纤维及其初生纤维和拉伸后的动态力学性能。研究发现，防中子辐射 初生纤维在玻璃化转变区后的[E]值比PP纤维的高，耐热性增加。在拉 伸过程中纤维的断裂强度和[E]值升高，断裂伸长下降。纤维中的结构 缺陷减少,并能保持皮芯结构。超过415倍拉伸时，纤维的[E]值又降低 。

殷谨源等以聚乙烯醇和碳化硼为主要原料采用湿法纺丝工艺制备出一 种防中子辐射纤维。他们研究了此纤维的加工成型方法，并测试了纤 维的性能。研究结果显示，防中子辐射纤维具有很强的热中子屏蔽功 能，对中能中子也有一定的屏蔽功能，其防护效果达到了国外同类研 究水平。

杨文军等制备了NdFeB/PE稀土高分子屏蔽复合材料，其中NdFeB粉末为 亚微米级，其屏蔽性能已委托中国核动力研究设计院进行了检测，结 果显示对中子及γ射线有优良的屏蔽效果，对热中子的吸收效果尤为 显著。

目前，中子辐射防护服仍然停留在对中低能中子的防护上，而对热快 中子的防护或剂量较大的中子流的防护效率远远达不到人们对中子防 护的要求，最好的也只有44%左右。

当前，稀土的应用范围非常广，但在辐射防护领域应用尚少，稀土化 合物接枝到织物上获得防中子的面料尚未见报道。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足，提供一种通过掺杂 稀土元素获得中子防护面料的方法。

为实现上述目的，本发明通过掺杂稀土元素获得中子防护面料的方法 ，它包括以下步骤：

（1）a、先将纺织品经过电子束或等离子体预辐照处理，再将稀土纳 米粉体接枝到处理过的纺织品上； 

或b、将纺织品中掺杂稀土纳米粉体或稀土盐类，经过电子束或等离子 体共辐照纺织品上；

所述稀土纳米粉体为氧化镧、氧化钇、氧化钕、氧化镨或氧化钆的纳 米粉体，所述稀土盐类为镧、钇、钕、镨、钆的硫酸盐或硝酸盐；

（2）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

本发明步骤1）中所述的稀土纳米粉体的制备，先采取沉淀法或喷雾热 分解法制得稀土纳米粉体，

再将稀土纳米粉体中加入占稀土纳米粉体重量的0.2~0.8%的分散剂， 所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠或焦磷酸钠，在球磨过程中进 行表面改性，清除表面能，消除表面静电，提高其分散性；

或在稀土纳米粉体中加入占稀土纳米粉体重量的0.4~1%的表面改性剂 ，所述表面改性剂为钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂，通过球磨过程的 研磨分散，对稀土纳米粉体颗粒表面进行改性处理，提高其分散性；

以获得所需的稀土纳米粉体。

预辐照或共辐照所用的加速器的产生的能量为5~10Mev，辐照剂量率为 80~100Gy。

本发明中的稀土元素种类和用量不受限制，纺织品的种类和厚度也不 受限制。

稀土元素位于元素周期表的ⅢB族。包括钪(So)，钇(Y)和镧系元素(L n)共17个元素。稀土元素由于对中子有比较大的吸收截面，因此稀土 元素作为中子防护是一个很好的选择。稀土元素用于防护 服，制造出比较轻质的高效的人员防护服用面料，从而减少核技术从 业人员和公众所受中子的辐射带来的健康问题。稀土粉体由于含稀土 成分高，制成纳米粉体，接枝到纺织品上，则可以获得柔性的中子辐 射防护面料，从而提高对热中子、慢中子、中能中子、快中子等防护 效果。

本发明的有益效果在于：本发明通过掺杂稀土元素获得柔性的稀土中 子防护面料，对慢中子、热中子、中能中子防护有效，尤其对快中子 防护明显有效。本发明将稀土元素接枝到纺织品上，实现柔性的中子 防护，对解决中子辐射防护问题和提升纺织品和稀土附加值都有重要 意义。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

（1）先采取沉淀法制得氧化镧纳米粉体，再将氧化镧纳米粉体中加入 占氧化镧纳米粉体重量的0.2%的焦磷酸钠，在球磨过程中进行表面改 性，清除表面能，消除表面静电，提高其分散性，以获得所需的氧化 镧纳米粉体；

（2）先将纺织品经过电子束或等离子体预辐照处理，再将制得的氧化 镧纳米粉体接枝到处理过的纺织品上；辐照所用的加速器的产生的能 量为5Mev，辐照剂量率为80Gy/s；

（3）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例2

（1）先采取沉淀法制得氧化钇纳米粉体，再将氧化钇纳米粉体中加入 占氧化钇纳米粉体重量的0.4%的三聚磷酸钠，在球磨过程中进行表面 改性，清除表面能，消除表面静电，提高其分散性，以获得所需的氧 化钇纳米粉体；

（2）先将纺织品经过电子束或等离子体预辐照处理，再将制 得的氧化钇纳米粉体接枝到处理过的纺织品上；辐照所用的加速器的 产生的能量为5Mev，辐照剂量率为80Gy/s；

（3）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例3

（1）先采取沉淀法制得氧化钕纳米粉体，再将氧化钕纳米粉体中加入 占氧化钕纳米粉体重量的0.8%的六偏磷酸钠，在球磨过程中进行表面 改性，清除表面能，消除表面静电，提高其分散性，以获得所需的氧 化钕纳米粉体；

（2）将纺织品中掺杂制得的氧化钕纳米粉体，经过等离子体共辐照纺 织品上；辐照所用的加速器的产生的能量为8Mev，辐照剂量率为90Gy /s；

（3）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例4

（1）先采取喷雾热分解法制得氧化镨纳米粉体，再将氧化镨纳米粉体 中加入占氧化镨纳米粉体重量的0.7%的六偏磷酸钠，在球磨过程中进 行表面改性，清除表面能，消除表面静电，提高其分散性，以获得所 需的氧化镨纳米粉体；

（2）将纺织品中掺杂制得的氧化镨纳米粉体，经过等离子体共辐照纺 织品上；辐照所用的加速器的产生的能量为8Mev，辐照剂量率为90Gy /s；

（3）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例5

（1）先采取喷雾热分解法制得氧化钆纳米粉体，再将氧化钆纳米粉体 中加入占氧化钆纳米粉体重量的0.3%的焦磷酸钠，在球磨过程中进行 表面改性，清除表面能，消除表面静电，提高其分散 性，以获得所需的氧化镨纳米粉体；

（2）将纺织品中掺杂制得的氧化钆纳米粉体，经过等离子体共辐照纺 织品上；辐照所用的加速器的产生的能量为8Mev，辐照剂量率为90Gy /s；

（3）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例6

（1）先采取喷雾热分解法制得氧化钇纳米粉体，再在氧化钇纳米粉体 中加入占氧化钇纳米粉体重量的0.6%的钛酸酯偶联剂，通过球磨过程 的研磨分散，对氧化钇纳米粉体颗粒表面进行改性处理，提高其分散 性，以获得所需的氧化钇纳米粉体；

（2）将纺织品中掺杂制得的氧化钇纳米粉体，经过等离子体共辐照纺 织品上；辐照所用的加速器的产生的能量为8Mev，辐照剂量率为90Gy /s；

（3）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例7

（1）先采取喷雾热分解法制得氧化镨纳米粉体，再在氧化镨纳米粉体 中加入占氧化镨纳米粉体重量的0.4%的铝酸酯偶联剂，通过球磨过程 的研磨分散，对氧化镨纳米粉体颗粒表面进行改性处理，提高其分散 性，以获得所需的氧化镨纳米粉体；

（2）将纺织品中掺杂制得的氧化镨纳米粉体，经过等离子体共辐照纺 织品上；辐照所用的加速器的产生的能量为8Mev，辐照剂量率为90Gy /s；

（3）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例8

（1）先采取沉淀法制得氧化钕纳米粉体，再在氧化钕纳米粉 体中加入占氧化钕纳米粉体重量的1%的铝酸酯偶联剂，通过球磨过程 的研磨分散，对氧化钕纳米粉体颗粒表面进行改性处理，提高其分散 性，以获得所需的氧化钕纳米粉体；

（2）将纺织品中掺杂制得的氧化钕纳米粉体，经过等离子体共辐照纺 织品上；辐照所用的加速器的产生的能量为8Mev，辐照剂量率为90Gy /s；

（3）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例9

（1）将纺织品中掺杂硫酸钆，经过电子束共辐照纺织品上；辐照所用 的加速器的产生的电子束能量为4Mev，束流为2×10^-6A，辐照剂量率为 100Gy/s；

（2）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例10

（1）将纺织品中掺杂硫酸镧，经过电子束共辐照纺织品上；辐照所用 的加速器的产生的电子束能量为4Mev，束流为2×10^-6A，辐照剂量率为 100Gy/s；

（2）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例11

（1）将纺织品中掺杂硫酸钇，经过电子束共辐照纺织品上；辐照所用 的加速器的产生的电子束能量为4Mev，束流为2×10^-6A，辐照剂量率为 100Gy/s；

（2）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例12

（1）将纺织品中掺杂硝酸钕，经过电子束共辐照纺织品上； 辐照所用的加速器的产生的电子束能量为4Mev，束流为2×10^-6A，辐照 剂量率为100Gy/s；

（2）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例13

（1）将纺织品中掺杂硝酸镨，经过电子束共辐照纺织品上；辐照所用 的加速器的产生的电子束能量为4Mev，束流为2×10^-6A，辐照剂量率为 100Gy/s；

（2）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

实施例14

（1）将纺织品中掺杂硝酸钇，经过电子束共辐照纺织品上；辐照所用 的加速器的产生的电子束能量为4Mev，束流为2×10^-6A，辐照剂量率为 100Gy/s；

（2）最后进行焙烘即可获得中子防护面料。

应用效果

将本发明所制得的中子防护面料进行中子防护试验，中子防护面料做 成掺杂稀土元素的1毫米厚的织物。利用快中子（快中子能量达到兆电 子伏以上）辐照中子防护面料，获得了接近10%的防护效果。

也就是说，只要加厚和优化接枝稀土粉体方案，获得好于50%以上的对 快中子的防护效果是可行的。

而快中子较薄的柔性防护以前被认为是不可能的。这表明根据本发明 方法是可以获得的织物是有良好效果的。