一种辐射防护材料的制备方法

1.一种辐射防护材料的制备方法，其特征在于由重量比为环氧树脂：31％-71％、有机硅偶联剂：0.3％-3.3％、聚酰胺类固化剂：16％-50％、余量为Er2O3按下列步骤制备：
a.用表面处理法处理Er2O3粉末：在容器中加入有机硅偶联剂，再加入水搅拌混合使有机硅偶联剂水解，再加入Er2O3粉末，搅拌使Er2O3粒子充分润湿；
b.将湿润的Er2O3混入环氧树脂：在环氧树脂中加入经上述表面处理后的Er2O3粒子，初步搅拌使Er2O3粒子分散在环氧树脂中，再充分搅拌使表面活性处理后的Er2O3粒子与环氧树脂混合均匀；所述环氧树脂为环氧树脂E-55、E-51、E-44、E-42、E-35或E-31；
c.固化成型：在Er2O3与环氧树脂的混合液中加入聚酰胺类固化剂，充分搅拌混合均匀，在模具表面涂上凡士林，将所得产物沿着模具壁浇注到模具中，固化；
d.脱模。
2.根据权利要求1所述辐射防护材料的制备方法，其特征在于，所述有机硅偶联剂为有机硅偶联剂KH550、KH560、KH570或KH580。
3.根据权利要求1所述辐射防护材料的制备方法，其特征在于，所述固化为放入真空干燥箱中70℃-90℃固化3小时。

一种辐射防护材料的制备方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种防辐射材料的制备方法，尤其是一种以氧化铒为功能粒子，以环氧树脂为基底的防护X射线和γ射线的辐射防护材料的制备方法。\n背景技术\n[0002] 传统的X射线和γ射线屏蔽材料一般选用混凝土、水泥、铅板等具有较高密度的物质，后来逐步开发生产了一系列以铅或铅的化合物为填料的有机或无机高分子材料，如铅玻璃、铅橡胶、树脂/纳米铅复合材料等，满足了当时的需要，但是铅固有的毒性以及较高的密度限制了这类材料的应用和发展。\n[0003] 材料的屏蔽效果主要取决于射线能量、材料密度、吸收原子核外电子数、轨道电子分布及能级状态等。射线能量相对较低或高能射线经多次康普顿散射后，光电效应占主导地位，当射线能量稍高于物质内层电子结合能时吸收会突然增大称为边界吸收，这对提高材料屏蔽性能是很关键的。传统高原子序数物质K层吸收边较高，如铅对能量介于\n40-88KeV的射线的吸收能力较弱，简称为“Pb的弱吸收区”。而通常由130kVp以下管电压产生的医用X射线的绝大多数粒子，其能量低于88KeV，X射线的能谱峰正处于40-88KeV的能量区域，因此将铅作为吸收医用X射线的吸收物质其缺陷是显而易见的。\n[0004] 因此，无铅类高性能轻质辐射屏蔽材料的研制和开发是当前的热点课题，也是未来辐射屏蔽材料的发展趋势。\n发明内容\n[0005] 技术问题：本发明提供一种辐射防护材料的制备方法，以环氧树脂为基体、以稀土氧化物Er2O3为功能粒子制备了辐射防护材料。采用对Er2O3粒子表面用有机硅偶联剂进行处理的方法制得的材料致密无间隙，Er2O3粒子在材料中分布均匀，力学性能得到了改善，材料防护能量低于100Kev的X射线或γ射线的效果明显，稀土元素Er防护低能射线的能力强于传统的屏蔽元素铅。\n[0006] 技术方案：本发明的技术解决方案为：一种辐射防护材料的制备方法，由重量比为环氧树脂：31％-71％、有机硅偶联剂：0.3％-3.3％、聚酰胺类固化剂：16％-50％、余量为Er2O3按下列步骤制备：\n[0007] a.用表面处理法处理Er2O3粉末：在容器中加入有机硅偶联剂，再加入水搅拌混合使有机硅偶联剂水解，再加入Er2O3粉末，搅拌使Er2O3粒子充分润湿；\n[0008] b.将润湿的Er2O3混入环氧树脂：在环氧树脂中加入经上述表面处理后的Er2O3粒子，初步搅拌使Er2O3粒子分散在环氧树脂中，再充分搅拌使表面活性处理后的Er2O3粒子与环氧树脂混合均匀；\n[0009] c.固化成型：在Er2O3与环氧树脂的混合液中加入聚酰胺类固化剂，充分搅拌混合均匀，在模具表面涂上凡士林，将所得产物沿着模具壁浇注到模具中，固化；\n[0010] d.脱模。\n[0011] 所述环氧树脂为环氧树脂E-55、E-51、E-44、E-42、E-35、E-31；所述有机硅偶联剂为有机硅偶联剂KH550、KH560、KH570、KH580；所述固化为放入真空干燥箱中70℃-90℃固化3小时。\n[0012] 有益效果：本发明的有益效果是，以环氧树脂为基体、以稀土氧化物Er2O3为功能粒子用表面处理稀土氧化物Er2O3的方法制备的辐射防护材料致密无间隙，Er2O3粒子在材料中分布均匀，力学性能得到了改善，材料防护能量低于100Kev的X射线或γ射线的效果明显，还能够改善环氧树脂本身的结构以提高其力学性能。稀土元素Er防护低能射线的能力强于传统的屏蔽元素铅，而且相对与铅来说，无毒。稀土元素K层吸收边比较低，其对\n50-100KeV的射线有比较好的屏蔽效果，可以弥补常规高密度材料的缺陷。环氧树脂是复合材料中比较常用的基体树脂，具有优异的性能，多数环氧树脂具有优良的耐辐射性能，耐辐\n6\n射寿命一般都大于10Gy，可以应用于较苛刻的辐射环境之中。\n[0013] 氧化铒/环氧树脂辐射防护材料对50-100KeV的射线有较好的屏蔽效果，无毒；可以应用于更广阔的领域，比如医用领域的射线防护。制备方法简便，适用于工厂化生产。\n附图说明\n[0014] 图1为实验装置示意图。其中1为放射源，2为样品，3为碘化钠探头，4为高压、前放、放大器、多道分析器。\n[0015] 图2为XRD曲线。\n[0016] 图3为样品的三点弯曲性能曲线。\n[0017] 图4为拉伸性能曲线。\n[0018] 图5为拉伸断面的扫描电镜图片。\n[0019] 图6为样品C拉伸断面上的能量色散型X射线能谱图。\n[0020] 图7为实验测得238Pu的γ能谱。\n具体实施方式\n[0021] 下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明：\n[0022] 实施例1：\n[0023] 第一步：用表面处理法处理Er2O3粉末，用胶头滴管在干净的300ml烧杯中加入1g的有机硅偶联剂KH-560，再加入适量的蒸馏水，用磁力搅拌器将偶联剂与水充分搅拌混合使有机硅偶联剂KH-560水解。再往烧杯中加入适量的Er2O3粉末：配备四种浓度的样品P、A、B、C，用磁力搅拌器搅拌使Er2O3粒子充分润湿。\n[0024] 第二步：在经上述表面处理后的Er2O3体系中加入100g的环氧树脂，先用玻璃棒初步搅拌使Er2O3粒子分散在环氧树脂中，再用电动搅拌器充分搅拌使表面活性处理后的Er2O3粒子与环氧树脂混合均匀。\n[0025] 第三步：在Er2O3与环氧树脂的混合液中加入80g的聚酰胺类固化剂，用玻璃棒初步搅拌混合，再用电动搅拌器充分搅拌。在模具表面涂上凡士林，将所得产物缓慢的沿着模具壁浇注到模具中，再放入真空干燥箱中90℃固化3小时。脱模即得到氧化铒/环氧树脂辐射防护材料。\n[0026] 实施例2：\n[0027] 第一步：用表面处理法处理Er2O3粉末。用胶头滴管在干净的300ml烧杯中加入\n0.3g的有机硅偶联剂，再加入适量的蒸馏水，用磁力搅拌器将偶联剂与水充分搅拌混合使有机硅偶联剂水解。再往烧杯中加入0.7g Er2O3粉末，用磁力搅拌器搅拌使Er2O3粒子充分润湿。\n[0028] 第二步：在经上述表面处理后的Er2O3体系中加入71g的环氧树脂，先用玻璃棒初步搅拌使Er2O3粒子分散在环氧树脂中，再用电动搅拌器充分搅拌使表面活性处理后的Er2O3粒子与环氧树脂混合均匀。\n[0029] 第三步：在Er2O3与环氧树脂的混合液中加入28g的聚酰胺类固化剂，用玻璃棒初步搅拌混合，再用电动搅拌器充分搅拌。在模具表面涂上凡士林，将所得产物缓慢的沿着模具壁浇注到模具中，再放入真空干燥箱中90℃固化3小时。脱模即得到氧化铒/环氧树脂辐射防护材料。\n[0030] 图1为实验装置示意图，我们以238Pu作放射源，采用NaIγ谱仪，用能谱方法测试材料的屏蔽性能。\n[0031] 我们制备了2cm厚度的样品，并且制备了四种Er2O3含量不同的样品，加入Er2O3的量分别为0g，27g，54g，81g，稀土元素铒的含量对应的分别为0％，11.1％，19.4％，25.8％。\n样品分别命名为P-1：铒的含量为0％的1cm厚度的样品，P-2：铒的含量为0％的2cm厚度的样品，A-1：铒的含量为11.1％的1cm厚度的样品，A-2：铒的含量为11.1％的2cm厚度的样品，B-1：铒的含量为19.4％的1cm厚度的样品，B-2：铒的含量为19.4％的2cm厚度的样品，C-1：铒的含量为25.8％的1cm厚度的样品，C-2：铒的含量为25.8％的2cm厚度的样品。\n[0032] 图2为XRD曲线，Er2O3粉末与Er2O3/环氧树脂复合材料的XRD曲线的形状完全一致，峰的位置相同，高度不同。峰的位置相同说明Er2O3在复合材料合成前后的晶型没有发生变化，可以推断出Er2O3并未与环氧树脂发生任何键合反应，而只是混合在环氧树脂中。\n[0033] 图3为样品的三点弯曲性能曲线，图4为拉伸性能曲线，具体性能指数见表1。与样品P相比，加入稀土粒子Er2O3的样品的弯曲峰值力，弯曲强度，拉伸峰值力和拉伸强度均有所提高，这说明Er2O3粒子改善了环氧树脂的弯曲性能和拉伸性能。\n[0034] 表1\n[0035] \n[0036] 图6为样品C拉伸断面上的能量色散型X射线能谱图，能谱所对应的位置如图5样品C中十字交叉处的位置。材料结构表征：Er2O3粒子在复合材料合成前后的晶体结构用铜靶X射线衍射仪进行测定，粉末法制样；力学性能测试后的样品的断面用扫描电子显微镜对其微观形貌以及Er2O3粒子在材料中的分布进行观察；采用能量色散型X射线能谱仪测定断层上感兴趣区域的元素组成。通过元素分析可以得出该亮点处就是Er2O3，SEM图中的亮点处就是Er2O3粒子所在处。图5为拉伸断面的扫描电镜图片。力学性能测试：用电子万能试验机进行力学性能试验，各样品的三点弯曲性能均按塑料弯曲性能试验GB/T9341-2000标准进行测试，拉伸性能均按塑料拉伸性能试验GB/T1040-92标准进行测试。从图5可以看出Er2O3粒子在材料中分布比较均匀，在样品P，A，B中并没有明显的团聚现象，而且材料致密无间隙，这对复合材料的辐射屏蔽效果有积极的作用。样品C中的Er2O3粒子已经出现了轻度的团聚现象，会影响材料的力学性能和辐射屏蔽性能，这与力学性能分析得到的结论是一致的。\n[0037] 图7为实验测得238Pu的γ能谱。屏蔽性能测试：以60Co、238Pu作放射源，采用NaIγ谱仪，用能谱方法测试材料的屏蔽性能，实验装置示意图见图1。运用GammaVision软件分\n60\n析和处理数据。实验方法如下：选用 Co在空气介质中的两个全能峰对γ谱仪进行能量标\n238\n定。把源移开，测定实验空间里的射线噪声。运用GammaVision软件去除噪声，取 Pu的\n79.9KeV和167.6KeV两个γ射线全能峰作为观察对象，取其全能峰的净计数作为全能峰计数。用图1所示装置收集射线通过屏蔽材料后两个γ射线全能峰的计数n以及无样品时的计数n0。收集活时为30min。通过公式I＝(n0-n)/n0×100％计算出材料的辐射屏蔽率I。\n[0038] 表2列出了射线经过各种样品后在79.9KeV和167.6KeV两个全能峰处的总计数N79.9和N167.6和计算得到的屏蔽率I79.9和I167.6。随着样品中铒含量的增加，样品的屏蔽率逐渐增大。对于79.9KeV的射线，稀土铒的防护效果明显优于铅。\n[0039] 表2\n[0040] \n[0041] 通过实验数据可知，通过上述方法制得的氧化铒/环氧树脂辐射防护材料致密无间隙，对50-100KeV的射线有较好的屏蔽效果，可以弥补常规高密度材料的缺陷。而且无毒，制备方法简便，适用于工厂化生产。