新配方让辐射检测塑料保持透明

美国桑迪亚国家实验室(SandiaNationalLaboratories)的研究人员更改了辐射检测塑料配方,可防止“起雾”,进而提高塑料的寿命(www.kypc.net)。

这一变化也非常适合现有的塑料制造工艺,因此制造商能够迅速扩大生产规模,以制造能够代替雾化探测器的大片材。

这些辐射探测器是厚度为2英寸,高度为6到8英尺的聚乙烯甲苯(PVT)塑料薄片,部署在进入港口的行车道上。塑料中的检测成分是荧光分子,当辐射撞击材料时会发光。安装在薄板顶部的聚光器收集发光分子发出的光。它们记录的光量反映了撞击材料的辐射量和能量、来自荧光分子的光粒子的数量以及光通过塑料的传输效率。

桑迪亚材料科学家尼克·迈伦贝克(NickMyllenbeck)说:“对于可靠的辐射测量,最重要的是材料必须是光学透明的,并且要保持数十年不变。”

但是,使用PVT的分析人员注意到,在塑料使用了几年之后,塑料的辐射检测性能开始下降。通过肉眼,他们看到了似乎在材料内部形成的雾状结构。这些结构将发光分子发出的光散射,阻止了一些光到达检测器,从而随着时间的推移降低了检测器的灵敏度。

为了弄清楚如何防止这种雾状结构,桑迪亚的研究人员首先与劳伦斯·利弗莫尔,西北太平洋和橡树岭国家实验室的同事合作,首先了解起雾的方式。他们怀疑它会像空气中的物质一样出现在材料中,因为空气温度会在一夜之间下降,水会凝结。

研究人员将少量检测辐射的PVT塑料样品放在潮湿的房间中,然后将温度从暖到凉循环来模拟白天和晚上的温度。样品吸收的水仅占质量的0.03%,但是在冷却周期中,研究人员发现材料中出现了雾状液滴。

然而,当他们在光学显微镜下检查材料时,他们意识到液滴是塑料中的微小缺陷,这是由于从空气中吸收的冷凝水引起的。

他们最终意识到缺陷分两个阶段形成。在最初的几个温热循环中,在加热或干燥塑料后,雾状缺陷似乎是完全可逆的。但是,如果水残留在塑料中,并且材料经受了足够的温度循环,则缺陷会增长并永久化。Myllenbeck指出,这两种缺陷类型都会对塑料闪烁体的性能产生不利影响。

研究人员知道了雾是如何形成的,他们向塑料中添加化学成分,以防止水在内部形成缺陷。来自桑迪亚(Sandia)和劳伦斯·利弗莫尔(LawrenceLivermore)的材料科学家尝试了各种添加剂,通过与添加剂的氢键作用来稳定水。

在桑迪亚,Myllenbeck和他的同事从当前的PVT配方开始,并添加了一种成分:一种可在市场上买到的添加剂,它可以与水和塑料基质良好地相互作用。当他们在加速的温度和湿度条件下测试这种新材料时,研究人员在数十次循环后都没有看到任何起雾的迹象。相反,标准塑料仅在一个循环后就会起雾严重。Myllenbeck怀疑塑料内部的水会粘附在添加剂上,而不是其他水分子上,这会阻止液滴形成,从而阻止光散射缺陷。

他说:“这一成分的改变对制造商来说是一个巨大的优势。他们只需要在现有配方中添加少量这种化合物,就可以对工艺进行少量修改,以生产出与现有塑料性能相同的无雾材料。”

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