防辐射材料的研究进展（下）

防中子射线的材料

        中子是一种不带电荷的中性粒子，中子通过物质时与原子核外电子几乎不发生作用，主要与核作用。慢中子与物质作用的主要过程是俘获反应。在这一过程中原子核俘获中子后形成复合核，成为放射性核素，释放γ射线。快中子与物质作用主要是弹性和非弹性散射。在弹性散射中同中子碰撞的靶核，其质量与中子接近时，中子能量损失*大，因此人们为了得到慢中子或为了屏蔽中子，常用含氢的物质如水、石蜡、聚乙烯等材料做慢化剂或防护材料。中子与氢、氧、碳、氮等原子核作用能产生反冲核，这种反冲核在组织中能引起高密度的电离。对人体产生的危害比相同剂量的X射线更为严重。研究表明，中子致肿瘤的生物效应(RBE)约为2～3倍于X射线，由中子引起的染色体畸变大大高于X射线和γ射线。

        中子和物质的相互作用有两种形式。一是快中子的散射和减速；二是慢中子被吸收后放出共化粒子或γ射线。中子的屏蔽实际上是要将快中子减速和将慢(热)中子吸收。氢元素含量较高的石蜡、聚乙烯和聚丙烯等是优良的快中子慢化材料，而含锂元素的氟化锂、溴化锂、氢氧化锂，含硼元素的氧化硼、硼酸和碳化硼等是优良的慢中子吸收物质。快中子慢化材料和慢中子吸收物质微粉混合后使用可以得到优良的中、低能中子屏蔽性能的新材料。

        国外从上世纪70年代中期开始研究纤维状防中子辐射材料方面的技术，日本在此方面所做工作*多。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*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，但该纤维纺织设备较复杂，投资比较大。

        日本专利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。纤维的强度可达20～30CN/tex，断裂伸长率为21～32%。由于纤维中锂或硼化合物的含量高达纤维重量的30%，因而具有较好的防护中子辐射的效果，可加工成机织物和非织造布，定重为430g/m2的机织物的热中子屏蔽率可达40%，常用于院放疗室内生和病人的防护。

        我国从上世纪70年代开始防中子高分子材料的研究，到1984年天津纺院研制出4种具有实用价值的防中子辐射板材。我国的防中子辐射纤维早在1987年5月在天津纺院研制成功。该项研究立足国内现有技术水平，尽管采用的方法与国外不同，但对中子射线的屏蔽效果达到和超过了已知的国外同类研制水平，同时该纤维还具有较好的γ射线屏蔽功能，现已研制成无纺布、机织布并已制成防护服装开始使用。

        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。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。他们讨论了聚丙烯/碳化硼共混体系中碳化硼粒度、助剂种类和用量、温度等因素对该体系流变性能及可纺性的影响，并对纤维和织物的性能进行了测试，得出如下结果：
         ①在聚丙烯/碳化硼共混体系中，随碳化硼含量的增加，体系的粘度增大，可纺性下降，材料的辐射防护性能提高，随碳化硼粒度的增大，纤维强度下降。综合考虑，碳化硼的添加量为40%；
         ②钛酸酯类助剂可有效改善聚丙烯与碳化硼的相容性，提高碳化硼在聚丙烯中的分散均匀性。碳化硼中的助剂用量*好为115～215%；
         ③温度过高或过低，都对纺丝不利。当剪切速率不变，温度升到250℃以上时，共混体系的扭矩即粘度值则趋于恒定，选此温度为纺丝温度；
         ④通过选用适宜的助纺剂和粒度合适的碳化硼，所得到的芯料共混物可顺利进行复合纺丝。成品复合纤维断裂强度为2106CN/dtex，断裂伸长为37%，热熔温度为163℃，在130℃以下可满足一般使用要求；
         ⑤经测试，复合纤维制成的无纺布对热中子具有较强的屏蔽作用，对中能中子也有一定的屏蔽作用。这类材料适合用于防护衣具、门窗帘和遮盖包装等。

        透明防中子辐射材料是近年来研究开发起来的防中子辐射材料又一新品种。它是含硼、锂元素的有机玻璃。这类材料不同于上述的一般由两种或两种以上的化合物混合而成的防辐射材料。它是一种均一的交联(或非交联)非晶化合物，可加工成各种透明视镜和观察窗，使人眼部免受中子辐射损伤。这类材料的研制成功是防中子辐射材料研究史上的一大突破。研究了含铅有机玻璃、含钡有机玻璃、含硼有机玻璃和普通有机玻璃的X、γ射线和中子射线防护性能及其耐60Coγ射线辐照稳定性。结果表明，含铅有机玻璃板材具有良好的X射线、反应堆热柱γ射线屏蔽性能；含硼有机玻璃板材具有良好的热中子屏蔽性能；含钡有机玻璃板材的褪化裂变谱中子辐射屏蔽性能良好；含钡有机玻璃和普通有机玻璃可耐105～106Gy的60Coγ射线辐照；含铅有机玻璃板材耐60Coγ射线照射能力小于105Gy。

        防辐射纤维及材料广泛应用于国防和民用等诸多领域。它的研制对于我国的现代化建设具有重要的意义。目前，防辐射纤维及材料正朝着“专门化”(对某一种射线具有特别好的防护能力)和“多功能化”(适用于存在多种射线的场所)方向发展。相信随着各种射线及射线源广泛的应用，防辐射纤维及材料研究和应用的前景将日益广阔。