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辐射技术在高分子材料领域的用途

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  辐射技术就是一门与高分子材料学、环境科学、生物技术及医学等领域息息相关的学科。目前,在高分子材料领域,辐射技术已用于聚烯烃的辐射交联,不饱和聚酯类树脂的辐射固化,橡胶的辐射硫化,聚合物辐射降解以及辐射接枝改性等,已有不少产品实现工业化生产。

     辐射交联--作为一项产业化技术,它已广泛用于照明用电线电缆及汽车、家电、飞机、宇宙飞船用电子设备线路的制造。在美国,飞机用电缆全部采用辐射交联产品,阻燃电线电缆也已广泛用于海上石油平台。由于以聚乙烯、聚氯乙烯为基材的电线电缆经辐射后高分子链自由基复合发生交联反应,因此材料的耐热性、绝缘性、抗化学腐蚀、抗大气老化及机械强度等都得到很大改善。如辐射交联聚乙烯的使用温度上限可提高至200℃~300℃. 利用辐射交联技术生产的另一大类产品是具有特殊“记忆效应”的热收缩材料。它是利用聚乙烯等结晶型高分子材料加热后扩张,然后冷却成型,当再加热,材料又回到扩张前状态,利用它可收缩的特性来做电线电缆接头处的绝缘材料或防腐包覆层等。美国Raychem及BCS公司生产的辐射交联热收缩材料为他们带来了相当可观的经济效益。

     辐射固化--辐射固化与化学固化相比,具有固化速度快、能源消耗低、产品质量好等优点。特别因避免使用溶剂而不会造成污染,使其受到普遍欢迎。现在它已较成熟地用于涂层的辐射固化,如金属、磁带、陶瓷、纸张等产品的表面加工处理。另外,由于电子束辐射的高穿透性,使其在研制轻质、高强度、高模量、耐腐蚀、抗磨损、抗冲击和抗损伤的先进复合材料方面独具优势。这些增强复合材料可广泛用于交通运输、运动器材、基础结构、航天及军工业等方面。如今,加拿大已利用辐射固化技术进行空中客车飞机机身及整流罩的修复试验,并计划进一步开发电子束固化修复飞机复合材料部件。

     辐射硫化--橡胶工业中,天然胶乳或橡胶分子在辐射作用下可进行交联反应,它类似于橡胶硫化的过程,故称之为辐射硫化。但这类辐射硫化可不加硫化剂和促进剂等助剂,避免了传统的化学热硫化由于使用的交联剂在基材内部分布不均而造成交联不均匀,以及温度梯度的影响造成的材料性能下降。最近,北京射线应用中心研发的辐射硫化橡胶,具有优良的耐臭氧、耐老化、耐磨损、耐疲劳性能等,非常适合用作载重车轮胎、密封垫以及长期户外使用的橡胶制品,如塑钢窗的密封条、汽车雨刷等结构,且隔热、绝缘、耐磨、强度高、弹性好,是一种理想的保温、隔音、防震和包装材料。辐射硫化的天然橡胶乳液制品安全卫生,且利于环保。另外,利用辐射技术生产采血器、输液器等医疗用品的同时,还可以达到辐射消毒的作用。

     辐射降解--在辐射作用下,聚合物不仅能产生交联,而且可能发生主链断裂,即辐射降解。辐射降解同样具有工业应用价值,如废塑料的处理和橡胶的再生利用。聚四氟乙烯废料及加工后的边角料经辐射处理后,可用作润滑剂及耐磨性能改进剂等。我国90年代进行的辐射法再生丁基橡胶中试开发研究与其它橡胶再生方法相比,具有能耗低、工艺简单、不产生“三废”等优点。以辐射法再生的丁基橡胶可代替部分进口丁基橡胶制造橡胶制品,且掺入辐射再生胶后,可改善丁基橡胶的加工工艺,如半成品胶料强度大,收缩小,口型尺寸易掌握等。另外,辐射降解丁基橡胶还可用作润滑油添加剂。由于我国丁基橡胶主要依赖进口,其再生利用可减少丁基橡胶的进口,节约外汇。

    辐射接枝改性--辐射接枝技术是研制各种性能优异的新材料,或对原有材料进行辐射改性的有效手段之一。由于辐射接枝是由射线引发,不需要向体系添加引发剂,可得到非常纯的接枝聚合物,是合成医用高分子材料的有效方法。随着医学领域技术的不断发展,人造器官的不断出现,大量高分子材料开始应用于医学领域。为了改善聚合物的抗血凝性,减少血栓的生成,通常要对聚合物进行本体或表面改性,如接枝亲水性单体。韩国同位素辐射及应用小组等利用辐射诱导接枝改性技术,将不同官能团引入到聚丙烯膜表面,提高了膜的血液相容性,可用于人工肺。对聚乙烯、聚丙烯类性能优良、价格低廉的高分子材料的辐射接枝改性,一直很受关注,并已得到了一些很有价值的新材料,如离子交换树脂、共混增容剂等。利用辐射接枝极性分子到聚乙烯表面,可改善其表面亲和性,有利于进行材料的粘接、印刷及涂层等二次加工。另外,在棉纤维或真丝绸上接枝丙烯酰胺或丙烯类单体,可改善织物的表面性能,如提高真丝绸的抗皱性等。现在,采用辐射技术对天然胶孔等进行接枝改性制备粉末橡胶的研究,也已取得阶段性进展。改性后的粉末橡胶除可制造橡胶制品外,还可作为增韧剂和增容剂,用于工程塑料的增韧等方面。

     目前,辐射技术还在开发新的应用领域,如辐射绝缘电线电缆用作电视接收器的高压电路、微波炉、视频装置及发动机的电缆;家用空调,塑钢窗密封条和车用橡胶制品;生物可降解聚合物也是目前研究开发的重点之一。21世纪,纳米材料的制备及开发应用已成为材料研究的热点,辐射技术同样可用于纳米材料的制备。它具有合成工艺简单,可在常温常压下操作,成本低廉等优势。我国开发成功的γ辐射合成法,可用于制备纳米氧化物、纳米合金、纳米金属及纳米复合材料等。其中,纳米复合材料是一种新型功能材料,它在非线性光学材料、导电复合材料、屏蔽材料及抗电磁干扰等方面极具潜力。在市场经济快速发展的今天,利用辐射技术,有望为人类开发出更多性能优异的新材料。

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