基无铅射线屏蔽材料性能研究(4)
2 材料组成分析
2.1 基体材料选择
聚合物在高能射线辐射过程中分子链的断裂和交联因材料的化学结构不同而不同。分子链侧基带有苯环的高分子材料受辐射后主链结构的电子云被激发向侧基转移,苯基中的π电子云的激发能一部分变为热能释放,从而缓和主链的激发程度减少主链的断裂。除此之外,分子主链中双键的π电子云也具有和苯基相似的功能,能与自由基的独电子产生共轭,降低激发态能量缓和主链的激发程度。聚合物分子结构对高能辐射的稳定性见图1。
从图1可以看出,聚合物分子主链苯乙烯含量越高,聚合物的耐辐射性能越好,高苯乙烯含量的SBR橡胶分子结构由苯乙烯和丁二烯链段组成,耐辐射性良好;且其对金属功能防护粒子的填充系数高于树脂类材料,可实现高屏蔽防护特性;材料的物理机械性能通过硫化和增强体系能够可控调节。基于以上分析,试验选用高苯乙烯含量的SBR2305作为基体材料。
2.2 配合体系选择
1)交联剂选择
在SBR2305橡胶中结合硫含量增加可以降低其辐射交联速度,这是由于在使用硫黄硫化的橡胶中,体系中存在着弱键 (多硫键、单硫键等),这些弱键在受高能射线作用时,容易断键,也容易重组,形成新键,起到了缓解辐射能量的作用,从而有效提高了其耐辐射性。其中以TMTD/S硫化体系能够使交联结构中活性链段浓度变化减小,提高硫化橡胶的耐辐射稳定性,故试验选用TMTD:S=1:5硫化体系。
2)软化剂选择
在SBR2305橡胶中添加芳烃油能够使材料分子链之间的距离增大,降低辐射交联速度,同时材料受高能辐射时辐射能量能够从分子主链传递到芳烃油的苯核上被吸收或转化,提高材料的抗辐射能力。因而选用邻苯二甲酸二丁酯作为软化剂。
3)抗辐射剂选择
聚合物受高能辐射可分为四个阶段,第一阶段吸收辐射能量产生电子激发能,并在分子内和分子间传递;第二阶段聚合物分子产生电离形成超激发态,并产生大分子离解作用;第三阶段C-H键断裂形成大分子自由基,生成H2和的第二个大分子自由基或双键;第四阶段聚合物大分子自由基岐化或化合形成分子间化学键。抗辐射剂在第一阶段能够将电子激发能以热能或长波电磁辐射散逸;第二阶段能够将其分子中的电子传给聚合物使之不再继续激发;第三阶段能够将氢原子传递给大分子自由基或接受氢原子防止继续反应;第四阶段能够与大分子自由基作用形成稳定的分子,抑制辐射交联。因此在材料中添加抗辐射剂形成内防护体系是提高材料耐辐射性能的有效方法。由于不同抗辐射剂的作用机理不同,所以在材料中采用多种抗辐射剂并用能够获得最佳防护效果。可抑制SBR橡胶的辐射交联,硫代-二萘酚在抑制SBR橡胶交联的同时具备抑制SBR橡胶辐射降解的功能,因而采N-苯基-2-萘胺、N-异丙基-N'-苯基对苯二胺、硫代-二萘酚组合的抗辐射体系。
4)γ射线辐射防护粒子选择
含铅聚合物材料是目前最常用的辐射防护材料之一,但是铅固有的毒性、对中子射线效果不佳防护对能量介于 40-88kev 的射线存在弱吸收区,以上不足限制了这类材料的应用和发展;研制和开发无铅类环保安全的聚合物辐射屏蔽材料的已成为当前的及未来一段时期辐射屏蔽材料的技术发展趋势。钨的原子序数为74,无毒,其密度为19.35克/cm3,作为大密度的天然金属单质之一,钨对γ射线具有良好的屏蔽作用,据王建等[4]在γ射线能量1.25MeV时,钨的10倍减弱厚度为铅的一半,相比较而言,在空间较小的环境下,可以利用较小厚度的钨达到较大程度γ射线屏蔽效果。Nyarku[5]对钨铁粉末和钢板快中子反应堆辐照损伤效应进行了研究,结果表明超热中子在钨铁中衰减比在钢板中快,快中子在钨铁中衰减和在钢板中的衰减相当,且快中子的衰减随着钨铁合金原子密度的增加而加快。钨不仅对γ射线有着良好的屏蔽效果,而且对快中子、热中子也具有一定的屏蔽防护作用。基于以上分析,采用与铅硼聚乙烯(Pb60%,PE35%,B4C5%)铅质量分数相同的钨作为试验材料中γ射线的防护粒子。
5)中子射线辐射防护粒子选择
聚合物屏蔽材料对中子的防护首先是利用聚合物碳氢分子结构中氢元素进行弹性散射使快中子衰减成慢中子(热中子),然后将热中子用吸收截面积大的元素如硼、镉、钐、钆、锂等元素及其化合物将其吸收而消失。SBR2305橡胶分子含氢量高(氢原子密度达到1022个/cm2),是一种良好的快中子慢化材料,为提高其热中子的吸收效果,需要在材料中添加热中子俘获面积大元素化合物。几种常用的中子吸收剂热中子俘获面积见表1。
文章来源:《辐射防护》 网址: http://www.fsfhzz.cn/qikandaodu/2021/0619/596.html