文章重要内容

      基于共聚硫绿色交联和强氢键界面作用构建策略，海南大学赵富春教授团队制备出一种新型绿色柔性的高能γ射线屏蔽复合膜，该方法显著提升了无机屏蔽粒子在天然橡胶(NR)基体中分散的均匀、稳定性，赋予复合胶膜高强度、优异耐穿刺性及抗撕裂等性能。

文章背景

       伽马射线(γ射线)作为一种高能电离辐射，在医疗成像与治疗、核工业无损检测、新材料制造和结构参数确定、航空航天等诸多关键领域扮演着不可或缺的角色。但因其极强的穿透能力和无孔不入的特性，对人体健康构成了严峻威胁。然而，现有γ射线柔性防护材料往往在追求屏蔽性能或柔性单一指标时，牺牲了至关重要的力学可靠性，在应用于个人防护装备、可穿戴性屏蔽材料时，无法同时满足“无毒、轻质、柔性、抗撕裂、高强度、优异屏蔽性”的要求。虽然近年来涌现出无毒屏蔽填料填充橡胶的新型复合材料，旨在改善柔韧性并降低毒性，但一个根本性的科学问题依然横亘在前：如何在高填充量下，确保屏蔽填料在聚合物基体中获得优异且稳定的分散状态，并构建强韧的填料-基体界面相互作用。这直接关系到防护材料可否既保持良好柔性又可同时获得高的强度、抗撕裂等性能。因此，开发绿色无毒、屏蔽高效、安全可靠的高性能γ射线柔性防护材料，对保障公众健康、安全有效利用清洁核能，发展国防尖端技术等具有重要意义。

文章概述

       最近，海南大学赵富春教授团队突破了聚合物基柔性射线防护材料在添加高含量屏蔽性粒子提升防护效果时，会出现材料柔韧性和力学强度下降，无法同时兼顾高屏蔽性和优异力学性能的问题。通过简单的工艺步骤，通过设计合成羧基官能化共聚硫交联剂(CPS)，在天然橡胶(NR)基体与表面羧基化屏蔽粒子——三氧化二铋(C-Bi₂O₃)之间构建强氢键界面作用，形成了NR复合硫化胶膜体系中的双动态分子交联网络(图1)，显著增强了C-Bi₂O₃与NR橡胶分子链间的界面作用和应力传递效率，促进了高含量屏蔽填料在橡胶基体中的均匀稳定分散，在基本不损伤NR柔性的同时，极大提升了NR硫化胶膜力学强度，并赋予其优异的抗撕裂性、耐穿刺性和出色的高能伽马射线屏蔽性能。该研究解析了屏蔽填料与基体之间的界面作用，发现改性后的填料在基体中表现出非常优异的分散性（图2a,2b），且C-Bi₂O₃/NR-V的模量与能量耗散均高于Bi₂O₃/NR-V（图2c,2d）。结果表明，填料C-Bi₂O₃与NR基体间所形成的强氢键作用可增强其界面作用，改善屏蔽粒子在NR基体中的分散情况，并能够更有效地将外部载荷传递到橡胶基体中，从而提高其模量与能量耗散。

图1 复合胶膜网络结构示意图

图2 C-Bi₂O₃/NR-V (a) 和Bi₂O₃/NR-V (b) 在80 phr填料含量下的EDS; Bi₂O₃/NR-V和C-Bi₂O₃/NR-V的杨氏模量 (c); 60 phr填料含量下C-Bi₂O₃/NR-V和Bi₂O₃/NR-V的100%固定拉伸循环拉伸曲线 (d)

并进一步研究了该复合胶膜的力学性能与柔性。当屏蔽填料为60 phr时，C-Bi₂O₃/NR-V的拉伸强度高于Bi₂O₃/NR-V (图3a)，清楚地表明，这种强氢键界面作用能促进的屏蔽填料在橡胶基体的良好稳定分散，进而增强硫化胶膜的内应力传递能力，明显提升其力学强度。同时，复合胶膜表现出良好的柔性与抗撕裂性能，高填充量的复合硫化胶膜，均可轻易发生大幅度的多次扭曲，呈现出优异的柔韧性(图3b)，并表现出良好的耐刺穿性(图3c~3f)与抗撕裂性(图3g)。研究表明，设计共聚硫交联网络和构建强氢键界面作用的策略，能够在高填充量屏蔽粒子条件下，使柔性NR基高能射线防护材料既能保持良好得柔性又可同时获得突出的屏蔽性和高的力学强度与抗撕裂性等优异综合性能。

图3 Bi₂O₃/NR-V和C-Bi₂O₃/NR-V的拉伸曲线(a); 柔性展示 (b); 抗穿刺效果 (c-f) 和抗撕裂强度(g)

 该研究基于功能化共聚硫绿色交联剂的设计合成和强氢键界面作用的构建策略获得综合性能优异的绿色防辐射胶膜对于对新型橡胶基绿色柔性高能射线防护材料体系的界面作用设计与综合性能提升具有重要的普适性指导作用。

 论文第一作者为海南大学硕士生张鸿，通信联系为海南大学赵富春教授。

引用本文

张鸿, 赵富春, 廖双泉 . 绿色柔性伽马射线屏蔽天然橡胶硫化胶膜的制备及其性能研究. 高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.25152Zhang, H.; Zhao, F. C.; Liao, S. Q. Preparation and properties of the green and flexible natural rubber vulcanized film for gamma-ray shielding. Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.25152