不同形貌钨酸铋对γ射线的屏蔽性能研究_李涌.pdf

第3 6卷 第1期2 0 2 3年2月同 位 素J o u r n a l o f I s o t o p e sV o l.3 6 N o.1F e b.2 0 2 3不同形貌钨酸铋对射线的屏蔽性能研究李 涌1,2,王国伟1,吴正新1,张海涛1,刘国卿1(1.深圳大学 物理与光电工程学院,广东 深圳 5 1 8 0 6 0;2.深圳市计量质量检测研究院,广东 深圳 5 1 8 0 7 2)摘要:为制备性能优良的辐射防护材料,通过水热法合成钨酸铋(B i2WO6)纳米晶体,并制得水性聚氨酯基-钨酸铋复合材料,研究钨酸铋的晶体结构和形貌对其射线屏蔽性能的影响。结果表明,前驱体溶液p H对钨酸铋的合成影响显著,酸性和中性条件下生成正交相钨酸铋,强碱条件下则为四方相钨酸铋(B i0.8 7 5W0.1 2 5O1.6 8 7 5);随着前驱体溶液p H增加,钨酸铋晶体形貌由花状微球逐渐过渡到柿饼状,再转变为随机堆积的纳米片。正交相柿饼状钨酸铋对8 1k e V射线的屏蔽效果较佳,而四方相钨酸铋则对5 9.5和1 2 1.8k e V射线的屏蔽效果更佳;另外,不同晶相钨酸铋制得的复合材料力学性能差异明显。研究结果可为无毒、质轻、高效的新型射线屏蔽材料的开发提供参考。关键词:钨酸铋;水热法;射线屏蔽中图分类号:T L 7 1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 5 1 2(2 0 2 3)0 1-0 0 0 9-0 6收稿日期:2 0 2 1-0 8-0 2;修回日期:2 0 2 1-1 0-1 6基金项目:深圳市科技创新委技术攻关重点项目(J S G G 2 0 2 1 0 7 1 3 0 9 1 5 3 9 0 1 4)通信作者:刘国卿d o i:1 0.7 5 3 8/t w s.2 0 2 1.y o u x i a n.0 6 1S t u d yo nG a mm aR a yS h i e l d i n gP r o p e r t i e so fB i s m u t hT u n g s t a t ew i t hD i f f e r e n tM o r p h o l o g i e sL IY o n g1,2,WANGG u o w e i1,WUZ h e n g x i n1,Z HANG H a i t a o1,L I UG u o q i n g1(1.C o l l e g e o fP h y s i c sa n dO p t o e l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g,S h e n z h e nU n i v e r s i t y,S h e n z h e n5 1 8 0 6 0,C h i n a;2.S h e n z h e nA c a d e m yo fM e t r o l o g y&Q u a l i t yI n s p e c t i o n,S h e n z h e n5 1 8 0 7 2,C h i n a)A b s t r a c t:T op r e p a r ee x c e l l e n tr a d i a t i o np r o t e c t i o nm a t e r i a l,b i s m u t ht u n g s t a t en a n o-c r y s t a l sw e r es y n t h e s i z e db yh y d r o t h e r m a lm e t h o d,a n dp o l y u r e t h a n eb a s e db i s m u t ht u n g s t a t ec o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e d.T h e e f f e c t so f c r y s t a l s t r u c t u r e a n dm o r p h o l o g yo nt h eg a mm ar a ys h i e l d i n gp r o p e r t i e so f b i s m u t ht u n g s t a t ew e r e s t u d i e d.T h e r e s u l t s i n d i-c a t e dt h a tt h ep H v a l u eo fp r e c u r s o rs o l u t i o nh a dal a r g ee f f e c to nt h es y n t h e s i so fb i s m u t ht u n g s t a t e,o r t h o r h o m b i cB i2WO6w e r eo b t a i n e du n d e ra c i d i ca n dn e u t r a l c o n d i-t i o n s,a n dt e t r a g o n a lB i0.8 7 5W0.1 2 5O1.6 8 7 5w e r eo b t a i n e du n d e rs t r o n ga l k a l ic o n d i t i o n.W i t h t h e i n c r e a s eo f p Hv a l u e,t h em o r p h o l o g yo f b i s m u t h t u n g s t a t e c h a n g e d f r o mf l o w-e r l i k em i c r o s p h e r e st op e r s i mm o nl i k em i c r o s t r u c t u r e s,a n dt h e nt or a n d o m l ys t a c k e dn a n o s h e e t s.I tw a sf o u n dt h a to r t h o r h o m b i cp e r s i mm o n-l i k eB i2WO6s h o w e dh i g h e rs h i e l d i n gp r o p e r t i e st o 8 1 k e V g a mm ar a y s,w h e r e a st e t r a g o n a lB i0.8 7 5W0.1 2 5O1.6 8 7 5s h o w e dh i g h e rs h i e l d i n gp r o p e r t i e s t o5 9.5a n d1 2 1.8k e Vg a mm ar a y s,o b v i o u sd i f f e r-e n c e sw e r eo b s e r v e db e t w e e nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sp r e p a r e db yd i f f e r e n t c r y s t a l l i n eb i s m u t ht u n g s t a t e.T h e r e s u l t so f t h i s s t u d yp r o v i d ea r e f e r e n c e f o rt h ed e v e l o p m e n to fn e wr a d i a t i o ns h i e l d i n gm a t e r i a l sw i t hn o n-t o x i c,l i g h tw e i g h ta n dh i g he f f i c i e n c y.K e yw o r d s:b i s m u t ht u n g s t a t e;h y d r o t h e r m a lm e t h o d;-r a ys h i e l d i n g 随着核工业与核技术的迅速发展,射线广泛应用于工业、农业、医疗卫生、国防军事和环境保护等领域,由此带来的辐射安全与防护问题日益突出1-2。传统的射线屏蔽材料通常选用含铅材料,如铅板、铅橡胶、铅玻璃等3-5。然而铅有毒性,且其对能量在4 08 8k e V的射线存在“弱吸收区”6-9。无铅、高效的新型射线屏蔽材料是辐射防护研究的热点之一。传统辐射防护理论关于物质对射线的减弱效果主要取决于粒子的种类、能量以及材料的元素组成和密度等,而与材料的尺寸和形貌关系不大。已有研究显示,纳米功能粒子因具有尺寸小、比表面积大等特点,会影响射线与功能粒子的相互作用过程,进而对材料整体屏蔽效果产生影响1 0-1 2。V e r d i p o o r等1 3分别将微米和纳米WO3、B i2O3颗粒填充于有机硅树脂中,并测 试 复 合 材 料 对3 5 5.9k e V、6 6 3.8 k e V、1.1 7M e V和1.3 3M e V射线的屏蔽性能,结果表明,用纳米功能粒子制备的复合材料的屏蔽性能优于微米功能粒子。钨酸铋(B i2WO6)是A u r i v i l l i u s家族中最简单 的 氧 化 物 之 一,其 晶 体 结 构 为 八 面 体WO2-4和B i2O2+2离子层相互交替组成的片层结构。钨酸铋同时具有钨和铋两种高原子系数的元素,是优良的射线屏蔽材料之一;另外,钨酸铋的形貌结构可控1 4-1 8,因而是研究功能粒子微观结构对其屏蔽性能影响的理想材料。本研究采用水热法,通过调节p H合成不同形貌结构的钨酸铋纳米晶体,并制得水性聚氨酯基-钨酸铋复合材料,研究钨酸铋晶体形貌结构对复合材料射线屏蔽性能和力学性能的影响,为开发新型射线屏蔽材料提供参考。1 主要试剂与仪器1.1 主要试剂硝酸铋:分析纯,西陇科学股份有限公司;钨酸钠:分析纯,上海笛柏生物科技有限公司;硝酸:分析纯,东莞市东江化学试剂有限公司;氢氧化钠、无水乙醇、三乙酸甘油酯:分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;水性聚氨酯:衡阳瑞康建筑防水工程有限公司;有机硅消泡剂:广州市润宏化工有限公司。1.2 主要仪器G EM 5 9 7 0高纯锗探测器:美国O R T E C公司;U l t i m a I V X射线衍射仪(X R D):日本理学公司;Q u a n t a 4 5 0 F E G扫描电子显微镜(S EM):捷克F E I公司;附温比重瓶:沈阳市华侨玻璃仪器厂;B O S-2 0 KN电子万能试验机:厦门博仕检测设备有限公司。2 实验方法2.1 钨酸铋的合成1)称取1 5 0g五水硝酸铋溶于7 5 0 m L1m o l/L的硝酸溶液中,磁力搅拌至完全溶解,记为溶液A;称取5 0g二水钨酸钠溶于1 0 0m L去离子水中,磁力搅拌至完全溶解,记为溶液B。2)将溶液B置于搅拌机下进行搅拌,同时通过滴定管将溶液A逐滴加入溶液B中,滴加速度1 0m L/m i n。用5m o l/L的N a OH调节p H分别为2、5、7、9、1 2,继续搅拌2h得到乳白色钨酸铋前驱体溶液,移至不锈钢反应釜中(填充度8 0%),放入烘箱于1 8 0反应2 4h。3)自然冷至室温后离心收集固体沉淀,用无水乙醇和去离子水交替洗涤数次,于8 0干燥1 0h,研磨得到纳米钨酸铋颗粒。2.2 复合材料制备称取1 5g钨酸铋和3 5g水性聚氨酯于聚四氟乙烯烧杯中,搅拌1 0m i n得到初步混合体系。分别加入消泡剂和三乙酸甘油酯各0.5g,用电动搅拌机持续搅拌3h得到均匀的混合液。在聚四氟乙烯模具表面喷涂脱模剂,将混合液倒入模具中,在通风柜下放置4 8h待其自然晾干固化,脱模得到水性聚氨酯基-钨酸铋复合材料。01同 位 素 第3 6卷2.3 结构和形貌表征用X射线衍射仪(X R D)