1 前言

随着我国原子能技术的发展，核能广泛应用于核动力平台、空间站、民核电站等各个领域，取得了显著应用效果，但由此引起的核辐射安全防护问题也不容忽视。核辐射防护依赖于辐射屏蔽结构组合设计和屏蔽材料的性能，屏蔽材料是辐射防护领域的关键装备，主要用于阻挡和减弱对人体造成危害的γ射线及中子辐射等，是保障人员、设备及环境辐射安全的有效手段。中子和γ射线防护的研究一直是国际上研究的热点和难点。射线与物质作用机理十分复杂，不仅与射线种类有关同时与射线能量相关。从理论上来说，防护能谱复杂的中子、γ射线混合辐射，理想材料是既含有重元素来对γ射线和高能中子进行慢化，又含有轻元素（如氢、碳）来对中能中子进一步慢化，同时还应含有对低能射线吸收的物质。

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，如铅硼聚乙烯、铅橡胶、树脂/纳米铅复合材料等[1]。但是铅对能量介于40~88ke V之间的射线吸收效果较弱，另外铅属于重金属污染源，在屏蔽材料制造和使用环节存在重金属中毒的隐患[2]，欧盟2000年以来已明令禁止铅的在诸多领域的应用，因此研究一种安全可靠的射线屏蔽材料是当前核屏蔽工程的一项极其重要的工作[3]。本文对高分子聚合物料分子结构对高能辐射稳定性的优劣进行了高填充系数的基体材料选择，同时针对重元素的原子结构特点选用了具有高能射线防护效能的钨、铋等功能防护粒子，设计制备了一种无铅聚合物基屏蔽材料；同时以铅硼聚乙烯（Pb60%，PE35%，B4C5%）为对比样进行了γ、中子射线屏蔽性能的试验表征，其辐射防护效果优于铅硼聚乙烯屏蔽材料。

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。

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