辐射衰减组合物及其制备方法与流程

本申请是申请日为2015年4月2日，发明名称为“具有磁性的辐射防护物”的中国专利申请no.2015101545151的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请与2014年4月2日提交的美国临时专利申请61/974,298相关并要求其优先权，该美国临时专利申请以引用的方式并入本文。

本发明总体上涉及使辐射衰减的系统和方法。更具体而言，本发明涉及辐射防护物(radiationshield)领域，该辐射防护物包含聚合物、磁性材料和衰减材料(attenuatingmaterial)，其中所述衰减材料分散遍布于聚合物中。

背景技术：

已有多种系统被用于保护人类和设备免受辐射的危害。例如，医学领域的发明已经利用了重且相对较硬的铅防护屏，通过为病人和医务人员设置铅防护屏，来防止为了分析和治疗而放出辐射的医疗过程的危害。

在核电站，员工受到的辐射量被严密监控。当辐射曝露剂量达到某个水平，就强制员工停止工作一段时间，以致有显著的停工时间。解决核电站的辐射曝露问题的传统方法是铅毛毯(leadwoolblankets)或铅片。铅毛毯用于临时地或永久地制作屏蔽墙、包装放出辐射的设备的管道和其他部件、或者用于罩住诸如阀门等设备，从而限制从辐射源逸出的辐射强度。铅存在环境问题且处理起来既困难又费钱。聚合物基辐射防护物已用于核电站。类似于铅毯，传统的聚合物基辐射防护物是通过夹子、钩子或绑绳等固定在它们要屏蔽的目标上。铅毯和聚合物基辐射防护物通常都难以搬运，且安装和移除都耗费时间。

尽管已知有多种繁琐的方法和系统用来防止有害的辐射，仍需要一种有效、且安装快速而简单的系统和方法来保护个人免受辐射的危害。

技术实现要素：

本发明包括一种辐射衰减防护物。在本发明的一个实施方案中，所述辐射防护物包含聚合物、辐射衰减材料和磁性材料。在本发明的另一个实施方案中，所述辐射防护物包含10体积％至70体积％的磁性材料，5体积％至55体积％的衰减材料和20体积％至85体积％的聚合物。所述辐射衰减材料和磁性材料可分散在聚合物中，以形成所述防护物的衰减层。此外，可将磁性材料层设置成毗邻或包裹着所述衰减层。

本发明还包括一种制作辐射衰减防护物的方法。在本发明的一个实施方案中，所述方法包括以下步骤：将聚合物、辐射衰减材料和磁性材料掺混形成混合物，将所述混合物加入模具中，使所述混合物定形或硬化而形成硬化的混合物，以及从模具中移除所述硬化的混合物。所述方法还可以包括将聚合物和催化剂掺混以及/或者将混合物固化的步骤。

本发明还包括用于衰减辐射的系统。在本发明的一个实施方案中，所述系统包括以下步骤：提供包含聚合物、辐射衰减材料和磁性材料的辐射衰减防护物，以及将所述辐射衰减防护物固定至某结构。在这个实施方案中，所述辐射防护物通过限制从该防护物出来的辐射，从而限制所述系统周围的辐射曝露。

附图说明

图1为本发明的辐射防护物的一个实施方案的透视图。

图2为本发明的双层辐射防护物的一个实施方案的透视图。

图3为本发明的单层辐射防护物的一个实施方案的透视图。

图4为本发明的另一实施方案的透视图。

图5为本发明的在端部相连的辐射防护物的一个实施方案的透视图。

图6为本发明的两个彼此相邻且各自在端部相连的辐射防护物的透视图。

图7为本发明的三层辐射防护物的透视图。

图8为本发明的一个辐射防护物或两个辐射防护物的相连端部的侧视图。

图9为本发明的一个辐射防护物或两个辐射防护物的相连端部的侧视图。

图10为本发明的一个辐射防护物或两个辐射防护物的相连端部的侧视图。

图11为本发明的一个辐射防护物或两个辐射防护物的相连端部的侧视图。

图12为本发明的一个辐射防护物或两个辐射防护物的相连端部的侧视图。

具体实施方式

本发明涉及辐射防护、以及用于辐射防护的系统和方法。本发明所述辐射防护物优选包括聚合物、辐射衰减材料和磁性材料。所述辐射防护物的具体组合物的配比、组成和分散可根据优选的柔性、辐射衰减能力、所需的磁吸引力和所允许的组分或系统重量而变化。虽然这里主要针对它作为辐射防护物的应用来加以描述，但应清楚的是，本发明的所述辐射防护物和系统可提供附加的衰减和振动阻尼和/或热绝缘的好处。此外，这里描述的所述辐射防护物的主要组分可以与附加组分、添加剂和化合物掺混，而不违背本发明的精神和范围。

如上所述，本发明所述辐射防护物通常由至少以下三种主要组分组成：聚合物、辐射衰减材料、磁性材料。此外，所述辐射防护物优选为片或层形式的构造，且可包括含有所有这三种主要组分的单一一个分散复合层(dispersedcompositelayer)、或者具有分散复合层的多个层和/或具有不同的组分层的多个层。

适合的聚合物的例子包括天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶(也称作弹性体)的柔性可使合成橡胶在某些应用中更优选。尤其优选的聚合物的例子是液体有机硅橡胶，在将催化剂加入配方后，它可通过热固化或空气固化而得到柔性固体。当必须在定形时间短的约束条件下制得辐射防护物时，热固化液体有机硅橡胶可为优选。能接受更大体积百分比的辐射衰减和/或磁性材料粉末加载量的有机硅弹性体液体也是高度优选的。这些有机硅通常具有较低的粘度(如10,000cps-40,000cps)，有限的填料(如较长的乙烯基类而不是较短的乙烯基类)，且没有气相二氧化硅。本发明中用于辐射防护物的液体有机硅橡胶的例子包括聚甲基乙烯基硅氧烷和氢封端的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxanehydrogenterminated)(通过使用硅烷转移电子实现氢封端)。通常粘度为约90,000cps或更高的触变型液态合成橡胶一般不是优选的，这是因为弹性体的填料含量已经过高，从而减少了包含聚有机硅氧烷的活性基团的外层价电子层的可用电子。这样有限的可用电子密度减小了对加入的粉末的亲和能力/结合能力。

为了固化所选的聚合物，可在初始时将催化剂加入所述有机硅中，例如在任何“干态”材料混入之前加入催化剂。催化剂的例子包括：铂，锡，钯，铑，铂-烯烃配合物，二月桂酸二丁基锡，辛酸二丁基锡。铂在很多应用中是特别优选的催化剂。当所述聚合物具有高的硫酸根含量时，锡催化剂可能是优选的。有机硅与催化剂的配比通常根据聚合物链中的活性r基团而变。在有机硅中，聚合物与催化剂的配比在10:1至1:1的范围内变动。生产的催化剂流体的活性化学成分通常约为1体积％至2体积％。剩余的量往往是为了使混合物聚结而引入的载体聚合物。所述载体聚合物优选为硅氧烷类的，si-o-si-o-si-o-si-o-si-r，且通常为每个聚合物链不长于6个有机硅分子。

本发明的合适的衰减材料包括：金属，其对屏蔽伽马射线、x射线和其他电磁辐射能量特别有用；和/或陶瓷材料，其对屏蔽中子辐射特别有用。针对中子的陶瓷类衰减材料的例子包括：碳化硼和三水合铝。钆对于捕捉中子是特别有效的。针对伽马射线和x射线的衰减材料的例子包括但不限于铋、铅、钨和铁。特别优选的金属衰减材料包括但不限于钨、铁及其组合。针对伽马射线和针对中子的屏蔽材料分别可混在一起、独立使用、或在层中组合。

本发明的磁性材料的例子包括用于生产传统磁铁的铁氧体磁性化合物和其他常见磁性材料。此外，稀土磁性合金也是本发明的合适的磁性材料。特别优选的稀土合金包括：钕(nd)，铁(fe)，硼(b)，镨(pr)，钴(co)，锆(zr)，钛(ti)，铜(cu)，及其组合。钕稀土合金为特别优选的，因为当它们被磁化以用于将重物固定到碳钢时有强的磁场强度，这通常在工业应用中十分有用。镨(pr)、镧(la)、钆(gd)、钐(sm)、铈(ce)为稀土合金元素，其可被并入磁性材料中以用于本发明的辐射防护物的附接。

在本发明的一个实施方案中，所述辐射衰减材料和磁性材料几乎均匀地分散在聚合物材料(例如有机硅弹性体)的整个体积中。在这个实施方案中，材料的均匀分散产生了贯穿/遍及制品(其包含该聚合物和添加物)的均匀的辐射衰减能力和均匀的磁力。图1公开了辐射防护层20的一个实施例，其中辐射衰减粒子50(如铁粒子)和磁性粒子40几乎均匀地分散在整个有机硅基体聚合物材料30中。

将硬且致密的粒子悬浮在柔性基体中存在着一系列挑战。因此，为了将衰减材料和磁性材料分散遍布于被选的聚合物中，所述衰减材料和磁性材料在分散前优选为粉末形式。此外，为了最大化防护物的辐射衰减和磁性能，可优选增加分散在聚合物中的粉末的填充密度。为了增加粉末密度，可优选大粒子和小粒子的混合物。用于生产精细金属粉末的常见技术(例如熔喷、研磨和其他雾化工艺)通常会得到能促进在聚合物本体中达到最大填充量/加载量这样的粒度分布的粉末。此外，辐射衰减材料的常见来源(如纯金属和陶瓷粉末)和磁性粉末材料的常见来源通常提供了经实验已发现在本发明的目的下使用良好的粉末。在一个实施方案中，辐射衰减粉末和磁性粉末包括在-200目和-325目之间的粒子。

可使用各种形状的粒子，而不违背本发明的精神和范围。例如，普通供应商提供的粉末(使用标准研磨工艺制造的粉末)通常会得到在本发明中使用良好的随机的粒子形状和粒度分布。在一个实施方案中，使用了宽分布的球状粉末粒子。

用于将衰减材料和磁性材料均匀混合遍布于聚合物中的方法可以是任何用于将粉末分散在聚合物中的传统方法。在一个实施方案中，使用了低剪切混合。在另一个实施方案中，使用了高剪切混合。因为所述粉末的粒度通常较小，所以低剪切混合通常就足够了。在引入粉末材料之前，可将聚合物与催化剂材料混合。在一个实施方案中，所述聚合物和它的催化剂在混合时为液体形式，并形成液体聚合物基体。在将液体聚合物和催化剂混合以改变液体聚合物基体之后，可将辐射衰减材料和磁性材料混入所述液体聚合物基体中。取决于所希望的稠度和/或粘度，通常将所述粉末材料混入所述液体聚合物基体中并混合至所述粉末均匀分布在整个液体聚合物中。为了使所得到的衰减防护混合物保持低的水分含量，所述粉末在加入所述液体聚合物基体之前可被预热。这种预热通常提高了聚合物(如有机硅)在添加干态粉末材料时的润湿性。

在将上述材料混合而形成衰减防护混合物之后，可形成任何所需形状的辐射防护物，所述形状包括片状、复杂形状的阀盖和管道配件、螺旋管道包装或其他为满足工业需要的独特形状。在一个实施方案中，将所述衰减防护混合物简单地倒入模具(木头、金属或聚合物)中并在室温下空气固化。如上所述，取决于所选的聚合物，如果所选的有机硅需要热量来定形，则所述模具可能需要加热。

一旦将各材料如上所述混合、成型并固化，就可将所述磁性材料和/或层磁化。虽然磁性粒子可在混合和/或成型前被磁化，但是，例如在特定的磁性粉末和所选的聚合物混合并通过模塑形成辐射防护物之后磁化所述磁性粉末则具有若干优点。在混合并成型后磁化所述磁性成分粒子通常简化了辐射防护物的制造过程，且促进了所述磁性粉末在整个聚合物中的均匀分布，这是因为所述磁性粉末不会被磁性吸引到其他物体上，直到所述磁性粒子被固定在已固化的聚合物基体中之后为止。

具体的辐射防护物的预期用途通常决定了磁化过程中使用的工序和设备；然而，该概念通常对于所有应用来说都是类似的。例如，在复合辐射防护物成型后，整个辐射防护物(包括所述磁性材料，如稀土磁性合金)被曝露在优选为很强的磁场中(如95％饱和的hs>20千奥斯特(koe))。在一个实施方案中，防护片的磁极取向包括一个面上的指北极(+)和背面上的指南极(-)。在另一个实施方案中，防护物的磁极取向包括在材料片的同一侧上以横贯该材料表面的交替带的形式彼此相邻的指北极(+)和指南极(-)。磁化夹具的具体设计标准和构造以及磁极的取向，通常由待附着至磁性材料的衰减材料的厚度和附加重量(associatedweight)、以及将其附着的磁性层和黑色金属材料(ferrousmaterial)分开的间隙、涂料、绝缘材料或其他材料决定。类似的，磁性复合层本身的厚度和重量，和/或材料将受到诸如重力或振动力(震动行为)之类的分离力，这些必然也是影响因素。可能还要考虑其他环境和安装的因素，而不违背本发明的精神和范围。

本发明的由磁性材料部分产生的磁场强度或吸引力在构造磁性辐射衰减物时是一个重要的考虑因素。在安装或附接辐射衰减材料以提供对辐射源的屏蔽作用时，磁性吸引作用是有用的。在本发明的防护产品和黑色金属部件(如用于安装该防护产品的支架或结构)之间可有磁性吸引作用。当屏蔽不锈钢(不受磁场影响)或非金属部件时磁性吸引作用特别重要。此时，利用两个磁性材料区域之间的磁性吸引作用在它所需要的位置限制防护物。例如，可将本发明的辐射防护条带再包绕着一个部件，且保持这种包绕的构型，而不需要使用带子或其他固定装置。本发明产品(如管道包装物)的应用和安装能在很短的时间(以秒计)内完成，提供了使工作人员的辐射曝露剂量最小化的引人注目的优点。

本发明提供的磁性吸引力以两种形式存在：1)本发明产品和黑色金属部件或磁铁间的吸引作用(称作“吸引力”)；2)本发明的两个磁性组分区域间的吸引(称作“闭合力”)。这种吸引力和闭合力能通过仪器(例如：位于美国俄亥俄州韦斯特维尔市的lakeshorecryotronics公司制造的455型dsp高斯计)测量。已发现，为了有利于本发明在本领域中成功地应用，以下最小值为优选的。

平面吸引力(flatattractiveforce)：700高斯

闭合力：1400高斯

可调整本发明的辐射防护物的具体的辐射衰减能力以适应特定应用。类似的，可调整防护物的磁性能以适应特定应用的需要。此外，可根据屏蔽应用的具体要求和限制来调整所述辐射防护物的比重和柔性。

尽管上述形成辐射防护物的方法教导了将磁性材料和衰减材料都分散在聚合物基体中(如图1所示)，但是本发明也想到了可供替换的构造。值得注意的是，磁材料通常具有衰减能力，因而可以使用至多100％的磁性材料来提供一定程度的辐射衰减。事实上，辐射防护物的具体设计(包括材料层数、每层的组成和每层的尺寸)取决于辐射防护物的具体应用和所希望的特性。

例如，在本发明的一个实施方案(如图2所示)中，辐射防护物60包括与第二层45(其为聚合物层，有衰减材料50分散在整个聚合物材料30中)结合的第一层55(其为聚合物层，有磁性材料40分散在整个聚合物材料30中)。引入具有分离的衰减材料层和磁性材料层这样的双层防护物，可以使得磁层的位置接近磁化夹具以及接下来靠近防护物最终附着的表面。这种设计还增加了磁场强度，因为该强度随着间距的平方而下降。在这个实施方案中，有机硅聚合物为特别优选的，因为有机硅层之间通常能够容易且良好地结合。

在另一个实施方案中，磁性材料可分散遍布于聚合物层的较小端部中，然后与较大的聚合物条带(其中遍布式分散着铁以实现辐射衰减)的端部结合。分散在整个片的较小端部中的磁性材料允许所述片包住一个物体，并通过和所述片的剩余部分的吸引作用(由于铁分散在整个所述片中)而变得牢固。

在另一个实施方案中(如图3所示)，设计了一个单层70辐射防护物。所述单层70可由其中分散着衰减材料的聚合物、其中分散着磁性材料的聚合物、或其中分散着衰减材料和磁性材料的聚合物层组成。此外，所述衰减材料和/或磁性材料可均匀分散(如图1所示)或分散在层70的特定部分中。在一个实施方式中，图3的单层辐射防护物和附加层组合而形成多层辐射防护物。在图3的辐射防护物中，辐射防护层70的长度约为36英寸，且其宽度约为12英寸，厚度为0.50英寸。

图4公开了一个单层辐射防护物80，其除了包括中心屏蔽区域82和磁性端部84以外，其他和图3的实施方案相似。类似于图3，中心部分82可由其中遍布式分散着衰减材料的聚合物、其中遍布式分散着磁性材料的聚合物、或其中遍布式分散着衰减材料和磁性材料的聚合物层组成。此外，所述衰减材料和/或磁性材料可均匀分散(如图1所示)或分散于所述中心区域82的特定部分。磁性端部84几乎完全(如果不是完全的话)由磁性材料组成。在图4的辐射防护物中，所述辐射防护物80的中心区域82的长度约为33英寸，宽度约为12英寸，厚度为0.375英寸。

如图5所示，辐射防护物(例如如图4所示的辐射防护物)可包绕着一个物体并用磁性端部84固定到位，其中所述磁性端部84具有使得它们在重叠时锁合的磁性取向。又或者，如图6所示，辐射防护物(例如如图4所示的辐射防护物)可包绕着一个物体并用磁性端部84固定到位，但是其中所述磁性端部84具有这样的磁性取向，该磁性取向使得各端部84的端壁86锁合而没有任何重叠。在图6的实施方案中，引入了多个辐射防护层，包括第一层90和第二内层92。

在本发明的另一个实施方案中，例如如图7所示，辐射防护物100包括三个结合的层102,104和106。中心层104可由其中分散着衰减材料的聚合物、其中分散着磁性材料的聚合物、或其中分散着衰减材料和磁性材料的聚合物层组成。此外，所述衰减材料和/或磁性材料可均匀分散(如图1所示)或分散在中心区域82的特定部分。外层102和/或106的组成可以和中心层104相似或由不同于中心层104的材料组成。例如，在一个实施方式中，外层102和106几乎完全(如果不是完全的话)由磁性材料组成，从而中心层104夹在两个磁性层之间。

图8至12公开了本发明的辐射防护物的一些构造和不同的连接位置。图8至12的辐射防护物仅显示了一部分，且可表示单一一个辐射防护物包绕着一个物体、然后在两端相连，或者可表示两个分离的辐射防护物，其中每个防护物在各自的端部相连。

图8公开了第一辐射防护物端部110和第二辐射防护物端部120。辐射防护物端部110包括三层区112和单层区118。所述三层区包括外层114和116，以及中心层115。同样，辐射防护物端部120包括三层区122和单层区128。所述三层区包括外层124和126，以及中心层125。在一个实施方案中，辐射防护物端部110和120的外层114、116、124和126以及单层区118和128主要由磁性材料组成，而中心层115和125由包含聚合物和衰减材料的复合材料组成。在另一个实施方案中，辐射防护物端部110和120的外层114、116、124和126以及单层区118和128几乎只由磁性材料组成。此外，在其他实施方案中，中心层115和125由包括聚合物、衰减材料和磁性材料的复合材料组成。再或者，辐射防护物端部110和120的外层114、116、124和126以及单层区118和128可由聚合物、磁性材料和/或衰减材料的任意组合组成。在图9中公开了辐射防护物端部110和120的另一种连接，其中单层区118和128被布置成与三层区112和122相邻，这与图8的构造相反，在图8中单层区118和128彼此相邻。

图10公开了又一种构造，其具有第一辐射防护物端部130和第二辐射防护物端部140。辐射防护物端部130有三层，包括外层134和136以及中心层135。同样，辐射防护物端部140有三层，包括外层144和146以及中心层145。在一个实施方案中，外层134、136、144和146主要由磁性材料组成，而中心层135和145由包括聚合物和衰减材料的复合材料组成。再或者，中心层135和145可由包括聚合物、衰减材料和磁性材料的复合材料组成。此外，外层134、136、144和146可由包括聚合物、磁性材料和/或衰减材料的复合材料组成。

图11和图12公开了不同的辐射防护物端部的连接。例如，图11和图12公开了与图8和图9所示的端部110类似的第一辐射防护物端部(其具有三层区112和单层区118)，其与第二辐射防护物端部相连，该第二辐射防护物端部与图10和图11所示的端部140类似，只有三层区144、145和146。图11公开了端部110和140仅在端部110的单层区118上连接。另一方面，图12公开了端部110和140连接，使得端部110的单层区118和三层区112与端部140相邻。

本发明的辐射防护物或辐射防护层可具有下表1所示的组成。如表1所示的示例性组成对于衰减伽马射线特别有用，且所得到的防护物和/或防护层具有相近的辐射衰减能力(基于如下表1所列的指定的材料厚度而言)。

表1金属辐射防护物组成

本发明的辐射防护物或辐射防护层的另外一个例子具有如下表2所示的组成。下表2所示的示例性组成对于衰减中子特别有用，且所得到的防护物和/或防护层具有相近的辐射衰减能力(基于下表2所示的指定的材料厚度而言)。

表2陶瓷辐射防护物组成

以上例子仅为示例性说明，除非另外指明，否则其并非旨在穷尽所有或作为限制。

如果临时使用的话，本发明的防护物的磁性能优选地提供了有利之处，因为其减少了将防护物固定至各种物体以及移除防护物所需的时间、精力和材料。例如，所述辐射防护物的磁性能可允许该防护物被快速并牢固地附接至黑色金属和有色金属和聚合物物体(例如管道)、或完全包绕一个物体(例如管道)、或应用于除了管道屏蔽以外的用途；例如制造屏蔽墙。对于管道，防护物通过该防护物的重叠部分保持固定，且允许以该防护物固有的磁性能作为紧固机构。此外，可定制聚合物、衰减材料和磁性材料的配比以满足各种核工业和其他行业的需求。所述辐射防护物的辐射衰减能力、磁场强度、柔性、重量、厚度和形状也能变动。这里公开的实施方案表示一些优选的、有效的配比，其能满足不同行业展现的需求。

用于提供所述防护物的磁性特征的材料还可以有益于该防护物的辐射衰减能力。许多磁性材料在被引入防护物中时，由于所述磁性材料具有这种双重作用，因而可以有助于减少重量和成本，因为随着防护物中磁性材料的量增加，分散在整个聚合物中的衰减材料的量可减少。在具有钨辐射衰减成分的防护物中会进行这种权衡。

磁化所述辐射防护物的方法可用于影响该辐射防护物所得到的磁场的特征。本领域的技术人员会理解定制所述磁场的特征所带来的工业效益，和这种定制如何允许所述防护物在附接至各种物体时展现出不同的磁性能。此外，可挑选辐射衰减材料，从而屏蔽所选的辐射波长或所选的辐射波长的组合。取决于具体的目标，可屏蔽伽马射线、中子和其他形式的辐射。

尽管以上描述了本发明的各种实施方案和例子，但提供这些描述的目的是说明和解释，而非限制。各种变动、改变、修改和不同于以上公开的系统和方法是可以采用的，而不违背本发明的精神和范围。事实上，阅读完以上描述，对相关领域技术人员来说，如何以替代方案来实施本发明将会是显而易见的。因此，本发明不应限于上述任何一个示例性实施方案。

此外，摘要的目的是为了使各个专利局和公众(通常并且尤其是对专利或法律条款或措辞不熟悉的科学家、工程师和本领域的从业人员)快速地由粗略的查阅而确定本申请的技术公开内容的性质和实质。摘要不对本发明的范围产生任何形式的限制。