铅钨掺杂硅橡胶基柔性材料的制备及研究

李龙 康文凯 温毅 李哲宇 郝晓华(中国辐射防护研究院，山西 太原 030006)

0 引言

根据调研，核电现场许多设施较为复杂，运行环境有时处于狭小封闭的室内，常规的屏蔽材料无法搭建起有效的屏蔽环境，为满足现场工况使用便捷，需要一种质软的屏蔽材料，其可快速搭建安装，屏蔽现场热点，从而降低内环境剂量水平，保护辐射源附近工作人员的健康，确保工作人员接受外照射剂量、当量低于规定的限值。铅是一种能够有效阻挡X射线、γ射线高强度射线的金属，被广泛应用于辐射热点进行射线屏蔽。但是根据现有的研究表明铅元素存在射线弱吸收区，单纯的铅粉橡胶不能够很好的满足辐射防护的要求，采用铅钨掺杂的形式能够很好的弥补单纯铅粉带来的弱吸收区效果，有效增强屏蔽效果。在基材选择上由于硅橡胶主要是由高摩尔质量的线型聚硅氧烷组成，相比于传统橡胶具有更好的物理性能。利用常规的甲基乙烯基硅胶作为基底材料，将钨粉与铅粉混合物作为屏蔽性功能材料，通过引入改性后的二苯甲酮、硼酸锌等功能性粒子，制备一种具有辐射屏蔽功能的钨铅掺杂硅橡胶基柔性材料。

1 样品的制备

首先，为了减少添加的特殊功能性粒子发生团聚现象，提高添加物与硅胶基的粘结性能，须对功能性粉末进行表面改性处理，之后，将配方量的甲基乙烯基硅胶置于塑炼机上进行塑炼，塑炼温度为60℃，塑炼时间为20min。

然后将塑炼好的甲基乙烯基硅胶置于开炼机中，添加铅粉、钨粉及改性后的二苯甲酮、硼酸锌以及硫化剂混合搅拌均匀，之后添加一定量的偶联剂、羟基硅油进行混炼，在80℃的温度下混炼40min。

最后，将混炼好的硅胶置于硫化机上，在130℃的温度下硫化20min，冷却后得到样品。样品形状为方形片状，尺寸为100mm×100mm×2mm，如图1所示。

图1 样品形态图

2 硅橡胶基柔性屏蔽材料的结构与性能

2.1 材料的表面形态结构

利用扫描电镜(SEM)可以观察到较高的放大倍数，同时具有很大的景深，视野大，成像富有立体感，通过扫描电镜对样品横截面的观察。可以观察到制备好的样品中功能粒子的分散情况。形貌如图2所示的样品颗粒分散均匀度较好。

图2 样品的SEM图

2.2 材料的耐老化性能实验

2.2.1 热空气老化试验

热老化实验按GB/T 7141—2008《塑料热老化试验方法》进行，老化实验后按GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的测定》进行拉伸性能的测定，以评价老化实验对物理力学性能的影响。

本实验选用强制通风式热老化试验箱进行实验，采用50次/h的换气率及箱内保持均匀的实验温度，使用监测暴露温度和湿度的记录仪器。本实验按标准制取试样5件，选用暴露温度为70℃，在老化试验箱中放置48h，实验完成后试样放置24h后按标准测定其拉伸性能，并结合未老化样品力学性能试验数据计算其变化率，实验结果如表1所示，热空气老化前后，拉伸强度和拉伸伸长率的变化率分别为：32.88%和8.06%。

表1 样品热空气老化前后学性能测试实验结果记录表

2.2.2 耐辐照老化性能检测

钨铅掺杂硅橡胶基柔性材料在使用过程中必然接受辐照，因此有必要对其耐γ辐照性能进行实验并评定其对包覆层力学性能的影响。

本实验在辐照温度为60℃，选用60Co放射源，使样品接受2.5×105Gy的累积剂量后，按照GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的测定》进行拉伸性能的测定，并结合未辐照样品力学性能试验数据计算其变化率，实验结果如表2所示，辐照老化前后，拉伸强度和拉伸伸长率的变化率分别为：7.8%和76%。

表2 样品辐照老化前后学性能测试实验结果记录表

2.3 材料的屏蔽性能检测

屏蔽性能是衡量辐射防护材料的重要指标，一般用铅当量来表示，也就是该屏蔽材料与铅板在相同照射条件下，具有的等同屏蔽能力的铅板厚度，单位用毫米铅(mmPb)表示。本实验制作样品的有效屏蔽层厚度为2mm，测试装置为T10022-0037+PTW32005-0019标准电离室，测试依据的标准规程为GBZ/T 147—2002 《X射线防护材料衰减性能的测定》。

本实验选用的计量标准分别为γ射线照射量(防护水平)标准装置，测量范围为(2.95×10-7～2.95×10-3)C·kg-1·h-1，不确定度为4.6%(k=2)；X射线照射量(防护水平)标准装置，测量范围为(3×10-6～3×10-3)C·kg-1·h-1，不确定度为4.0%(k=2)。

表3 样品屏蔽性能检测记录表

屏蔽性能检测时，为了检测样品的屏蔽均匀性，在制作试样时从样品不同位置任意裁取3块，对3块试样的检测数据进行比对分析，根据其屏蔽等效铅当量确定屏蔽性能的均匀性。测试条件：温度16.8℃，湿度52%，气压927.76hPa。

3 结语

通过研究，采用甲基乙烯基硅胶，通过添加改性后的二苯甲酮、硼酸锌、钨粉、铅粉等功能性粒子设计制备了一种硅橡胶基的柔性屏蔽材料，通过对样品横截面进行扫描电镜观察，粒子分散度良好，符合预设目标；对样品进行表面检测，通过对样品的耐老化性能、耐辐照性能等的测定，证实该柔性屏蔽材料基本满足辐射屏蔽应急应用。通过对样品的屏蔽性能检测分析，其屏蔽层2mm厚度的等效铅当量为0.362mmPb，屏蔽性能优良且实现了轻量化目标；同时，其柔性较好，适合于核电项目现场的紧急临时屏蔽需要。