几种辐射加工技术在材料学研究中的应用
摘 要：简要阐述了辐射交联（Radiation crosslinking）、辐射聚合（Radiation polymerization）、辐射接枝（Radiation grafting）、辐射降解（Radiation decomposition）等辐射加工技术的研究进展；介绍了辐射交联、辐射聚合、辐射接枝、辐射降解在材料学研究中的应用示例，综合讨论了辐射加工技术在材料改性、高分子聚合材料、生物功能材料等许多领域具有节能、环保、高效费比等优点，并且，在许多领域辐射加工将逐步取代传统加工。
关键词：辐射交联 辐射聚合 辐射接枝 辐射降解
中图分类号：TB324 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（a）-0048-02
辐射加工（Radiation Processing）在国际上被誉为“绿色”技术，是利用辐射化学中射线与物质相互作用引发物质分子发生电离、激发等效应等基本原理来和平利用原子能的方法，是工业生产和材料制备的高新技术。目前，辐射加工涉及到材料配方、生物功能材料合成、新产品开发等，几乎已经渗透到各个领域，其中高分子化合物的辐射加工、改性是辐射化学应用最早、最快、最广泛的领域。辐射交联、接枝、聚合、降解作为高分子材料的四大辐射效应都相继具有产业化发展。
1 辐射交联
高分子化学和材料是20世纪的重大发现之一，高分子材料的改性技术经过多年的发展，辐射交联技术已经发展得逐渐成熟，但是，辐射交联的详细机理目前为止还不完全清楚，辐射交联产物表现出的性能上的改变却得到了广泛的认可。
当射线与物质相互作用时产生离子对、电子等一些活性基团，这些基团发生一系列变化，产生交联，由原来的二维结构变成三维网状结构，这种使材料改性的方法称为辐射交联，其对材料性能的改变表现在分子量及分子结构的改变、改善相容性、对聚合物热学性能及电学性能和热机械性能的影响、对高分子材料阻燃性的影响等方面。早在1991年，马宏伟[1]等根据材料性能受辐射照射剂量的影响而发生改变，从而设计制备出了具有橡胶弹性体特性的热塑性材料，这就是严格控制交联密度从而从热学性能上对材料进行了改性的一个实例。据研究[2]，辐射交联能影响材料存在缺陷的一面，从而缓解材料的缺陷，从而使材料具有较好的相容性。此外，严永昌[3]等利用辐射交联改善了传统交联剂的使用造成材料的高频性能的损失，从而长期地改变了材料的高频性能和绝缘性。
2 辐射聚合
辐射聚合，根据聚合速度与是否受温度影响分为有机离子聚合和离子聚合两种，也可根据聚合体系状态分为液相辐射聚合、固相辐射聚合及乳液聚合。利用电离辐射的优点和特点，制备出的生物医用高分子材料具有广泛的应用前景。辐射聚合具有独特的优点是大多数聚合单体在低温下就能进行反应，具有工艺简单、反应条件比较温和的特点，这也是辐射聚合技术发展速度之快的原因之一。
辐射聚合技术在高分子材料合成中的应用范围相当广泛，包括制备水凝胶、丙烯酸增稠剂、高吸水性树脂等。其中水凝胶是一种浸没在水中能够达到一定的膨胀状态但是不会溶解的高分子聚合物，作为医学材料来说具有很好的生物相容性。1999年，姜桂林等[4]利用60Co辐照源和辐射聚合方法制备出了一种二元共聚水凝胶（N-乙烯基吡咯烷酮、4-乙烯基吡啶、丙烯酰胺）并且研究了温度等因素对其在膨胀与收缩之间转化速度的敏感程度。目前，水凝胶已成为智能生物材料。王芊[5]等同样利用60Co辐照源引发丙烯酸单体发生辐射聚合反应，制备丙烯酸增稠剂，试验后，表明此合成的增稠剂的增稠能力基本达到Alcoprint PTF水平。陈长钢[6]等利用辐射聚合技术研制了球状高吸水性树脂，并研究了其作为脱水剂的优良性能。
3 辐射接枝
辐射接枝是材料改性的重要方法之一，可以用来改善材料相容性、抗皱性等，提高纳米材料等的性能和应用前景。现已由纳米颗粒材料向新型纳米材料扩展。可制备的纳米材料有纳米合金、较活泼轻金属纳米材料、纳米复合材料、纳米纤维等。
孙贵生[7]等运用γ射线引发辐射接枝的方法，在改性纳米二氧化硅上接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯单体，得到接枝共聚物，并且研究了在不同吸附材料影响下辐射接枝速率随吸收剂量的变化。据报道，利用离子液体接枝聚偏氟乙烯，可使纳米构造的聚偏氟乙烯复合材料具有高介电常数、低介电损耗、高导电性和优异的力学性能，具有良好的生产应用前景。
4 辐射降解
辐射降解是指高分子聚合物在辐射下发生主链断裂使其分子量下降的效应，其机理一般是自由基反应，但详细机理也仍然未完全明确。辐射降解技术可应用在环境保护中，但由于资金问题，其最大的障碍是成本过高，目前研究较多的是天然材料的辐射降解。当然，利用γ射线辐射降解技术可进行在天然有机物降解、有机农药辐射处理和化学污染物降解处理。宫宁瑞[8]等利用辐射降解的方法对棉纤维分子量进行研究。得出当吸收剂量小于10 kGy时，棉纤维素的分子量测定值随吸收剂量的增大而迅速减少，当吸收剂量大于10 kGy时，减少的趋势则趋于平缓，从而确定了最佳降解需要的辐射剂量。Sawai[9]等利用γ辐射降解方法，研究多氯联苯在异丙醇溶液中的降解速度，发现不同性质溶液中其降解速度不同，在碱性溶液中多氯联苯的辐射降解效率很高。谢芳[10]等在利用γ射线去除水溶液中的氯霉素进行辐射降解，对产物及机理研究后，发现氯霉素降解率与吸收剂量成正比； 并且在药物起始浓度越低时越有利于溶液中氯霉素的去除。迟蕾[11]等研究发现辐射剂量为10 kGy时，玉米中残留赭曲霉毒素的降解率可达50%，并且经过辐照后玉米中营养成分没有明显变化。
5 结语
综上所述，辐射加工技术涉及到的方面极为广泛，其工业化发展非常迅速，实际上，物质受到射线照射后会发生混合反应，也就是说，可能辐射交联、接枝、聚合、降解等会伴随发生，宏观上是看哪一个反应占有，因此机理上尚未确定。因此在进一步研究、完善单项技术的基础上拓宽辐射加工技术的应用范围，一定意义上说具有良好的节能、环保性，在很多领域上有着逐步取代传统加工方法的良好前景。
参考文献
[1]马宏伟，王胜敏.辐射交联聚乙烯热缩片的研制[J].塑料，1994（5）：37-39.
[2]Mickols WE.Fluorescent monitoring method for polymerization reactions：US，US5100802A[P].1992.
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[4]姜桂林，伊敏.温度敏感性共聚凝胶polyNIPAAm/X辐射合成及应用[J].北京大学学报：自然科学版，1999，35（2）：201-208.
[5]王芊，李文革，邵赛，等.增稠剂的辐射聚合制备及其性能研究[J].化学与粘合，2001（3）：112-114.
[6]陈长钢，邵赛，王芊，等.辐射悬浮聚合法制备高吸水树脂[J].精细化工中间体，2001，31（6）：26-27.
[7]孙贵生，俎建华，刘新文，等.纳米二氧化硅辐射接枝制备离子交换吸附材料及其吸附性能[J].高分子材料科学与工程，2008（12）：164-167.
[8]宫宁瑞，常德华，刘继华，等.辐射对棉纤维素相对分子质量的影响[J].北京理工大学学报，1997（5）：574-578.
[9]Sawai T， Shinozaki Y. Radiolytic Decchlorination of Polychlorinated Biphentls （PCB） in Organic Solutions[J].Chemistry Letters，1972（10）：865-868.
[10]谢芳.动物源性食品中氯霉素辐射降解产物及机理的研究[D].中国农业科学院，2008.
[11]迟蕾，哈益明，王锋，等.玉米中赭曲霉毒素A的辐照降解效果[J].食品科学，2011，32（11）：21-24.