基于天然皮革的可穿戴式辐射屏蔽材料研究

Many kinds of radiations may be produced as the development of national defense, nuclear medicine and nuclear technology, and therefore the radiation shielding materials investigation is one of the important aspects in the research of nuclear science and technology. However, there are many disadvantages, such as heavy weight, low wearability and unsatisfactory shielding performances are inherited for the common shielding materials using lead as main component. In this proposal, light weight and wearable radiation shielding materials will be prepared based on natural leather by taking its advantage of special spatial structure and chemical reaction characteristics. These natural leather based shielding materials include high atomic number element (simplified as high Z element)-natural leather, high Z element nanoparticles-natural leather and high Z element-natural leather with rare earth doped composite materials. The energy attenuation performances and controlling approaches of X and gamma rays related with the kind of high Z elements, structure, loading capacity and rare earth doped will be fully investigated, especially the photon energy attenuation rules of high Z element in dispersion state. The energy attenuation model of as prepared composite materials will be developed after measurement and calculation the absorption and reflection of photon with different energy, the average free path of photon, and the interaction numbers of photon with high Z and/or rare earth element. In general, this work intends to develop a novel strategy for the preparation of light weight and wearable radiation shielding materials.

随着国防、放射性医学和核技术应用的不断发展，将产生各种放射性射线，防辐射材料的研究已成为核科学和核技术研究的重要方向。然而，目前所使用的铅类屏蔽材料普遍存在质量重、可穿戴性差、综合防护性能不能满足要求等问题。本申请项目拟以天然皮革这类天然高分子为基础材料，利用其特殊的空间结构和化学反应特性，研究制备基于天然皮革的轻质可穿戴式辐射屏蔽材料，包括高Z(高原子序数)元素/天然皮革、高Z元素纳米粒子/天然皮革及稀土掺杂的高Z元素/天然皮革复合材料。本申请项目将系统研究上述复合材料中高Z元素种类、结构、载量及稀土掺杂等对X射线和Gamma射线的能量衰减特性及控制方法，特别是分散状态下高Z元素对光子能量的衰减规律；通过测定和计算不同射线能量的反射及吸收、射线的平均运动自由程、与高Z元素及稀土的作用次数等，建立该类复合材料的能量衰减模型，为构建质量轻、屏蔽性能好、可穿戴的辐射屏蔽材料提供理论依据。

本项目以天然皮革为基础材料，利用其特殊的多层级结构和化学反应特性，制备了轻质可穿戴式辐射屏蔽材料，包括高Z(高原子序数)元素离子/天然皮革复合材料，高Z元素纳米粒子/天然皮革复合材料及稀土掺杂的高Z元素/天然皮革复合材料，并系统研究了制备过程及辐射屏蔽性能。对于高Z元素离子/天然皮革复合材料，提出了“溶液浸渍–溶剂脱除”高Z元素负载方法，将不同高Z元素稳定分散在天然皮革中，制得了负载效率高、分散性好的复合X射线屏蔽材料；系统研究了天然皮革的多官能团及多层级结构在制备X射线屏蔽材料中的优势，并验证了该方法在稳定负载及均匀分散高Z元素方面的优势。对于高Z元素纳米粒子/天然皮革复合材料，使用“溶液浸渍–溶剂脱除”法或皮革鞣制的“复鞣”工艺将高Z元素分散至天然皮革中，制得的复合材料对65 keV辐射的质量衰减系数高达12 cm2 g–1，远高于铅板（5 cm2 g–1）。对于稀土掺杂的高Z元素/天然皮革复合材料，通过向制得的复合材料中掺杂或表面涂饰吸收截面较大的稀土元素，显著提升了复合材料的辐射屏蔽能力，使其对X和gamma射线的衰减效率均超越了0.25 mm铅板。此外，上述基于天然皮革的新型辐射屏蔽材料还具有质量轻、机械强度高、透水气性好等特点。通过本项目的研究，申请国家发明专利3项，其中2项已授权；发表论文8篇，其中SCI收录论文5篇；会议论文2篇并做大会报告。天然皮革是世界上资源量最大的可再生动物生物质，而本项目研究了天然皮革在高性能X和射线屏蔽材料制备中的应用，同时深入地研究了天然皮革复合材料通过其独特的结构与功能性质对X和gamma射线进行梯级衰减–吸收的作用机理。可以预见该研究将在未来具有广阔的应用前景，并对新型辐射屏蔽材料的设计与制备提供了更加多元化的选择和指导。