本發(fā)明涉及輻射環(huán)境安全防護領域，特別涉及一種防輻射板材。
背景技術：
隨著電子工業(yè)的高速發(fā)展，電子電器設備無處不在。這些設備在極大提高人們生活水平、促進社會發(fā)展的同時，也會產生電磁輻射。這些電磁輻射可以穿透眾多物質，產生電磁污染，在電子工業(yè)高速發(fā)展的今天電磁污染日益突出，成為除大氣污染、水污染和噪音污染外的又一環(huán)境污染，被稱作第四大污染舊。科學研究表明，長期處于電磁波輻射環(huán)境中，人們的身心健康會受到嚴重威脅。聯(lián)合國早在1969年人類環(huán)境會議上就把電磁輻射列入“造成公害的主要污染物”。其中，波長小于100nm的電磁輻射能使受作用物質發(fā)生電離，即為電離輻射。其種類很多，高速帶電粒子有α粒子、β粒子、質子，不帶電粒子有中子以及x射線、γ射線。然而x射線、γ射線等放射線對于現(xiàn)代醫(yī)療而言已經成為了不可缺少的應用工具，因此，在存放能夠產生放射線的電子電器的空間外一般設置有防輻射屏蔽板材，用以對輻射進行屏蔽。
現(xiàn)有的技術中，一般是通過在水泥中直接添加硫酸鋇、金屬氧化物、金屬等的方法來達到輻射屏蔽的目的。在這種水泥中，硫酸鋇的含量往往占到了50％以上，但是硫酸鋇質硬脆，這樣制備得到的水泥板材往往脆性比較大，其抗沖擊能力不強。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種防輻射板材，其解決了現(xiàn)有的防輻射板材質硬脆的問題，具有提高防輻射板材的韌性，提高抗沖擊能力的效果。
本發(fā)明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現(xiàn)的：
一種防輻射板材，包括如下重量份的原料：硫酸鋇50-70份；硅酸鹽水泥10-25份；氧化鐵8-16份；粉煤灰2-6份；緩凝減水劑0.5-2份；水3-6份；金屬粉末2-4份；碳漿浸漬木纖維4-10份；金屬/碳復合纖維2-6份；碳漿浸漬木纖維由木纖維在石墨漿液中浸漬并干燥得到；金屬粉末包括鐵粉、鎳粉中的至少一種；金屬/碳復合纖維包括鐵/碳復合纖維、鎳/碳復合纖維中的至少一種。
采用上述配方，混凝土板材用于阻擋放射線的穿透，硫酸鋇和氧化鐵對x射線、γ射線以及中子射線等均具有良好的屏蔽效果。金屬粉末能對電磁波產生反射，吸收和抵消等作用，從而起到減少電磁波輻射的作用。
木纖維和金屬/碳復合纖維加入到混凝土中，可以在硬質的混凝土板材中提供橋接作用，從而提高混凝土板材的斷裂韌性。當復合材料在受到破壞產生裂紋時，裂紋處由于纖維的橋接作用不會繼續(xù)破壞。只有將纖維脫粘后纖維才可以被拔出，拔出過程中會使裂紋尖端應力松弛，從而減緩裂紋的擴展，達到增韌的效果。
同時，木纖維其本身不導電，但將其在碳漿中浸漬過后，使其表面附著有一層導電的碳層，兩者協(xié)同作用，既能提高板材的韌性，還能同時提高板材的電磁屏蔽效果。金屬/碳復合纖維中，作為基體的碳纖維具有較大的長徑比，因此其在長程上具有優(yōu)異的導電性，構成了主要的導電網絡；而金屬粉末具有較小的長徑比，能補充碳纖維的缺陷與空隙，形成導電通路，從而兩者起到協(xié)同作用，提高板材的電磁屏蔽作用。
進一步優(yōu)選為：包括如下重量份的原料：硫酸鋇65份；硅酸鹽水泥15份；氧化鐵10份；粉煤灰5份；緩凝減水劑1.5份；水3.5份；金屬粉末3份；碳漿浸漬木纖維8份；金屬/碳復合纖維4份；碳漿浸漬木纖維由木纖維在石墨漿液中浸漬并干燥得到；金屬粉末包括鐵粉、鎳粉中的至少一種；金屬/碳復合纖維包括鐵/碳復合纖維、鎳/碳復合纖維中的至少一種。
進一步優(yōu)選為：緩凝減水劑為硼砂。
采用上述方案，將硼砂加入水泥，能夠在混凝土攪拌過程中提高流動性，延緩板材的凝結時間，提高板材中各組分的混合均勻度。同時，中子防護中首先要使中子慢下來，變成熱中子，硼砂具有很高熱中子吸收截面，因此可以用于屏蔽中子。
進一步優(yōu)選為：木纖維平均長度1.0—4.0mm；木纖維平均直徑2.0-12.0um。
進一步優(yōu)選為：木纖維在石墨漿液中浸漬后采用真空干燥的方法進行干燥。
采用上述方案，真空干燥有利于保持木纖維之間的松散骨架，防止木纖維之間出現(xiàn)團聚，從而破壞其在水泥中的分散性。
進一步優(yōu)選為：石墨漿液為石墨粉的水/乙醇分散液。
進一步優(yōu)選為：金屬/碳復合纖維由如下工藝制備得到：s1：將金屬納米顆粒置于清洗劑中超聲清洗30-60min，除去清洗液并干燥后分散于dmf中，60-70℃加熱攪拌；s2：加入聚丙烯腈樹脂使金屬顆粒均勻分散于聚丙烯腈樹脂中，形成紡絲液；s3：采用靜電紡絲技術將紡絲液紡成金屬/聚丙烯腈纖維；s4：將金屬/聚丙烯腈纖維碳化形成金屬/碳復合纖維。
采用上述工藝，金屬/碳復合纖維中，作為基體的碳纖維具有較大的長徑比，因此其在長程上具有優(yōu)異的導電性，構成了主要的導電網絡；而金屬粉末具有較小的長徑比，能補充碳纖維的缺陷與空隙，形成導電通路，從而兩者起到協(xié)同作用，提高板材的電磁屏蔽作用。
進一步優(yōu)選為：步驟s1為：將金屬納米顆粒置于乙醇中超聲清洗30-60min，除去清洗液并干燥后將金屬納米顆粒用高能粒子轟擊，然后將金屬納米顆粒分散于dmf中，60-70℃加熱攪拌。
采用上述工藝，通過高能粒子轟擊的納米金屬顆粒表面活性高，與聚丙烯腈樹脂的粘接性好，不易在紡絲過程中從聚丙烯腈樹脂中遷移到表面。紡絲后，金屬顆粒被包裹在聚丙烯腈樹脂內部，碳化后，金屬顆粒被包裹在碳基納米纖維中，從而減少了金屬顆粒與外界的接觸，減少金屬表面的氧化或腐蝕，從而有利于保持其良好的電導率和磁導活性，從而提高電磁輻射的防護效果。
進一步優(yōu)選為：金屬納米顆粒和聚丙烯腈樹脂的添加質量比為1:10-15。
進一步優(yōu)選為：步驟s4中的碳化工藝為，在空氣氛圍中以2℃/min的升溫速率升到250-300℃，保溫2h；用熱氬氣置換空氣，在氬氣的氛圍中采用5℃/min的升溫速率升溫至1000-1200℃；保溫1h后自然冷卻。
綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明申請采用碳漿浸漬木纖維和金屬/碳復合纖維作為增韌材料對防輻射板材進行增韌改性，發(fā)現(xiàn)其在圓環(huán)法抗裂性能測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性，同時在混凝土中添加碳漿浸漬木纖維和金屬/碳復合纖維還能提高防輻射板材的電磁屏蔽效果，不僅在高頻段具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能，還能提高在低頻段的電磁屏蔽性能。
具體實施方式
以下對本發(fā)明作進一步詳細說明。
本具體實施例僅僅是對本發(fā)明的解釋，其并不是對本發(fā)明的限制，本領域技術人員在閱讀完本說明書后可以根據需要對本實施例做出沒有創(chuàng)造性貢獻的修改，但只要在本發(fā)明的保護范圍內都受到專利法的保護。
實施例1-3：一種防輻射板材，采用如下方法制備得到：
(1)碳漿浸漬木纖維的制備:將導電石墨粉分散于水和乙醇1:1的混合溶劑中，石墨在漿液中的質量分數為20％，攪拌條件下預分散5min，然后超聲分散15min，超聲后在500rpm的轉速下攪拌15min后，在攪拌條件下，逐漸加入與石墨粉等質量的木纖維，分15min加完，加完后繼續(xù)攪拌30min。將分散好的混合漿液抽濾除去溶劑，將過濾后的濾渣在120℃條件下真空干燥12h，得到所需的碳漿浸漬木纖維。其中木纖維購自靈壽縣川石礦產品加工廠，其平均長度1.0—4.0mm；木纖維平均直徑2.0-12.0um；
(2)鎳/碳復合纖維的制備：s1：將納米鎳粉分散于乙醇中，超聲清洗30-60分鐘，離心除去溶劑，將納米鎳粉烘干后用高能粒子轟擊10分鐘；s2：將納米鎳粉分散于15倍于其質量的dmf中，超聲分散30min，60℃下加熱攪拌，邊加熱邊緩慢加入10倍于納米鎳粉質量的聚丙烯腈樹脂，30min內加完，加完后繼續(xù)攪拌15h，使納米鎳粉均勻分散于聚丙烯腈樹脂中，形成紡絲液；s3：采用靜電紡絲法將紡絲液紡成鎳/聚丙烯腈纖維；將配制好的紡絲溶液移入靜電紡絲裝置中進行靜電紡絲，所用電壓為10kv、接收距離為20cm、溶液推進速率為0.25ml/h；s4：將鎳/聚丙烯腈纖維采用如下工藝碳化形成鎳/碳復合纖維：在空氣氛圍中以2℃/min的升溫速率升到250-300℃，保溫2h；用熱氬氣置換空氣，在氬氣的氛圍中采用5℃/min的升溫速率升溫至1200℃；保溫1h后自然冷卻；
(3)電離輻射屏蔽板材的制備：稱取配方量的硫酸鋇、硅酸鹽水泥、氧化鐵、粉煤灰、緩凝減水劑、水、鐵粉、碳漿浸漬木纖維、鎳/碳復合纖維，攪拌均勻后，經成型和養(yǎng)護制得所需電離輻射屏蔽板材。其中，所用緩凝減水劑為硼砂，所用碳漿浸漬木纖維采用步驟(1)中的工藝制得，所用鎳/碳復合纖維采用步驟(2)中的工藝制備得到，具體的組分和含量如表1所示。
表1實施例1-5的組分和含量表
實施例6：一種防輻射板材，采用如下工藝制備得到：
(1)步驟(1)與實施例1相同；
(2)鐵/碳復合纖維的制備：
s1：將納米鐵粉分散于乙醇中，超聲清洗30-60分鐘，離心除去溶劑，將納米鐵粉烘干后用高能粒子轟擊10分鐘；s2：將納米鐵粉分散于15倍于其質量的dmf中，超聲分散60min，70℃下加熱攪拌，邊加熱邊緩慢加入15倍于納米鐵粉質量的聚丙烯腈樹脂，30min內加完，加完后繼續(xù)攪拌15h，使納米鐵粉均勻分散于聚丙烯腈樹脂中，形成紡絲液；s3：采用靜電紡絲法將紡絲液紡成鐵/聚丙烯腈纖維；將配制好的紡絲溶液移入靜電紡絲裝置中進行靜電紡絲，所用電壓為10kv、接收距離為20cm、溶液推進速率為0.25ml/h；s4：將鐵/聚丙烯腈纖維采用如下工藝碳化形成鐵/碳復合纖維：在空氣氛圍中以2℃/min的升溫速率升到250-300℃，保溫2h；用熱氬氣置換空氣，在氬氣的氛圍中采用5℃/min的升溫速率升溫至1200℃；保溫1h后自然冷卻；
(3)步驟(3)中除了用等量的鐵/碳復合纖維替換鎳/碳復合纖維，用等量的鎳粉替換鐵粉，其余與實施例1相同。
實施例7：一種防輻射板材，與實施例1的區(qū)別在于，步驟(3)中用等量的鎳粉替代鐵粉。
實施例8：一種防輻射板材，與實施例6的區(qū)別在于，步驟(3)中用等量的鐵粉替換鎳粉。
實施例9：一種防輻射板材，與實施例6的區(qū)別在于，緩凝減水劑為聚羧酸。
為了對本發(fā)明申請的實施例的性能進行檢測和對比，制備了如下對比例作為對照樣。
對比例1：一種板材，與實施例1的區(qū)別在于，用等量鎳/碳復合纖維替代碳漿浸漬木纖維。
對比例2：一種板材，與實施例1的區(qū)別在于，用等量碳漿浸漬木纖維替代鎳/碳復合纖維。
對比例3：一種板材，與實施例1的區(qū)別在于，從組分中除去碳漿浸漬木纖維。
對比例4：一種板材，與實施例1的區(qū)別在于，從組分中除去鎳/碳復合纖維。
對比例5：一種板材，與實施例1的區(qū)別在于，從組分中除去碳漿浸漬木纖維和鎳/碳復合纖維。
抗裂性能測試：(1)試驗樣：實施例1-7，對比例3-5；每個實施例或對比例取三個平行試樣a、b、c；(2)試驗內容：采用圓環(huán)法測試板材的抗裂性能，本方法使用抗裂試模的尺寸：內徑(a)*內徑(b)*高度*厚度＝(300*300)*75*12.5mm3；拌制混凝土前，安裝圓環(huán)模具，在鋼環(huán)內表面四分之一點處各粘貼一個應變片以記錄鋼環(huán)表面應變隨齡期的變化情況并對模具內壁涂抹油脂以減少摩擦，方便拆模。按照試驗樣的配合比將水泥、骨料、水放入攪拌機進行攪拌制備混凝土拌和物。制備圓環(huán)試件：將制備好的拌合物裝入圓環(huán)內，在振動臺上進行振實。按照此方法分別制備圓環(huán)試件最后將制備好的試件放入養(yǎng)護箱(溫度23℃，相對濕度50％)，將應變片與計算機系統(tǒng)連接，養(yǎng)護齡期為28天，計算機每隔一分鐘記錄一次應變；(3)試驗結果：以應變突變的時間作為應力開裂的時間，記錄應變突變的日期，試驗結果如表2所示。
表2抗裂性能試驗結果
對比實施例1、對比例3-5的試驗結果可知，碳漿浸漬木纖維和金屬/碳復合纖維對板材的抗裂韌性具有關鍵性的作用，在混凝土板材中單獨添加碳漿浸漬木纖維，可以將抗開裂時間從10-11天提高到10-12之間；單獨添加金屬/碳復合纖維，可以將抗開裂時間從10-11天增加到12-13天；同時添加碳漿浸漬木纖維和金屬/碳復合纖維，將抗開裂時間提高到了16-17天。說明碳漿浸漬木纖維與金屬/碳復合纖維復配能夠大大提高板材的抗裂韌性。對比實施例1-5的試驗結果可知，采用實施例1的配方制備的一種防輻射板材，具有最優(yōu)的抗開裂韌性。
防輻射性能測試：(1)試驗樣：實施例1-8，對比例1-5；(2)試驗內容：采用法蘭同軸測試裝置，測試的頻率范圍為1khz～1ghz，屏蔽性能用se(單位：db)表示，
表3電磁屏蔽性能測試結果
由測試結果可知，在混凝土板材中添加碳漿浸漬木纖維和鎳/碳復合纖維可以提高混凝土板材的電磁屏蔽性能。對比實施例1和對比例1-5的結果可知，在板材中單獨添加碳漿浸漬木纖維和鎳/碳復合纖維均能提高板材的防輻射性能，兩者復配對防輻射性能的提高作用最明顯。對比實施例1、實施例6-8的結果可知，當板材體系中的金屬粉末和金屬/碳復合纖維的金屬為同一種金屬(實施例7-8)時，不論在高頻區(qū)(100mhz-1500mhz)還是在低頻區(qū)，其防輻射效果均低于板材體系中的金屬粉末和金屬/碳復合纖維的金屬為不同金屬(實施例1、實施例6)的結果，表明兩種不同的金屬元素以不同形態(tài)加入到板材中，會在整體上提高板材的防輻射效果。其中金屬鎳對高頻區(qū)的提升效果更明顯，而金屬鐵對低頻區(qū)的提升效果比較明顯。對比實施例1-5的結果可知，采用實施例1的配方，制備得到的板材具有最優(yōu)的防輻射效果。