(57)【要約】【課題】単位重量あたりの放射線遮蔽効果の高い放射線遮蔽素材を提供することを目的とする。【解決手段】酸化チタンナノチューブを放射線遮蔽素材として用いることで、単位重量あたりの放射線遮蔽効果の高い放射線遮蔽素材を提供する。また、この酸化チタンナノチューブと過酸化水素水とを混合することで、単位重量あたりの放射線遮蔽効果を更に高めることができ、単位重量あたりの放射線遮蔽効果が非常に高い放射線遮蔽素材を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化チタンナノチューブを含むことを特徴とする、
放射線遮蔽素材。
【請求項２】
前記酸化チタンナノチューブと過酸化水素水とを攪拌する攪拌ステップを含む方法で製造されたことを特徴とする、
請求項１に記載の放射線遮蔽素材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線遮蔽素材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、放射線を遮蔽する放射線遮蔽素材として、鉛やタングステンを利用することが広く知られている。また、放射線を遮蔽する放射線遮蔽素材として、硫酸バリウムを含む放射線遮蔽素材も知られている（特許文献１）。このように、一般的には、混合物であれ、単物質であれ、重量の重い物質が放射線の遮蔽率が高くなることが知られているため、重量の重い物質が放射線遮蔽素材として使われてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−９０５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の放射線遮蔽素材として効果が高いものは、重く持ち運びに不便であり、加工しにくく、人間が常時使用するには向かないといった課題がある。例えば、高い放射線遮蔽効果を有する鉛は、人体に有害であり、かつ、重いため、人間が長期間身につけて使用することが困難であるという課題がある。
【０００５】
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、軽く、かつ、高い放射線遮蔽効果を有する放射線遮蔽素材を提供することを主目的とする。
【０００６】
本発明者らは、上述した主目的を達成するために、酸化チタンナノチューブを含む放射線遮蔽素材を見いだすことで、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明の紫外線遮蔽素材は、
酸化チタンナノチューブを含むことを特徴とする、
ものである。
【０００８】
本発明の放射線遮蔽素材は、酸化チタンナノチューブを含むことを特徴とするものである。こうすることにより、高い放射線遮蔽効果を得ることができる。
【０００９】
本発明の放射線遮蔽素材において、酸化チタンナノチューブは、酸化チタンを出発原料として、水熱合成を用いて調製したものである。具体的には、１０ｍｏｌ／ｄｍ３（以下、「Ｍ」とも言う。）以上２０ｍｏｌ／ｄｍ３以下の水酸化ナトリウム水溶液中に酸化チタンを添加し、１１０℃以上１８０℃以下の温度で０．２メガパスカル以上０．６メガパスカル以下の圧力に保ち、１０時間以上１００時間以下の時間で水熱合成を行うことで調整したものである。なお、水熱合成の温度は１２０℃以上１８０℃以下であってもよく、１４０℃以上１８０℃以下であってもよく、１５５℃以上１７０℃以下であっても良い。こうすることにより、チューブ長が５ｎｍより大きく１０００ｎｍより短く、かつ、直径が５ｎｍより大きく２０ｎｍより小さい酸化チタンナノチューブが得られる。なお、このチューブ長及び直径は、水熱合成処理の圧力及び温度を変更することで適宜調製することができ、例えば、チューブ長が１５０ｎｍより大きく５００ｎｍより短い酸化チタンナノチューブとしても良いし、チューブ長が１５０ｎｍより大きく２５０ｎｍより短い酸化チタンナノチューブとしても良いし、チューブ長が２００ｎｍの酸化チタンナノチューブとしてもよい。
【００１０】
また、本発明の放射線遮蔽素材において、水熱合成を行う際には、アルカリ性雰囲気下であり、かつ、常圧より高い圧力下で水熱合成を行うことが好ましい。ここで、アルカリ性雰囲気下とは、ｐＨが１３以上であることが好ましい。このとき、１０Ｍ以上の水酸化ナトリウムによりｐＨ１３以上とすることが好ましく、１５Ｍ以上の水酸化ナトリウムによりｐＨ１３以上とすることがより好ましい。また、常圧より高い圧力とは、圧力が０．２メガパスカル以上０．６メガパスカル以下が好ましく、０．２５メガパスカル以上０．３５メガパスカル以下がより好ましい。水熱合成を行う際の圧力を０．２メガパスカル以上の圧力とすることで、酸化チタンを所望の長さのナノチューブ形状にすることができる。
【００１１】
本発明の放射線遮蔽素材は、前記酸化チタンナノチューブと過酸化水素水とを攪拌する攪拌ステップを含む方法で製造されたことを特徴とするものであってもよい。こうすることにより、酸化チタンナノチューブと過酸化水素水とを攪拌する攪拌ステップを含まない場合と比較して、高い放射線遮蔽効果を得ることができる。このとき、過酸化水素水の濃度は、５％以上３５％以下の濃度であってもよいし、５％以上２０％以下であってもよいし、５％以上１５％以下であってもよい。過酸化水素水と酸化チタンナノチューブとの混合する際の安全性の観点から３５％以下の濃度が好ましく、過酸化水素水と酸化チタンナノチューブ反応時間の観点から５％以上であることが好ましい。また、酸化チタンナノチューブと過酸化水素水とを攪拌する攪拌時間は、１５分以上２４時間以下であっても良いし、３０分以上１８時間以下であってもよいし、１時間以上１２時間以下であっても良い。攪拌時間が１５分未満の場合には、酸化チタンナノチューブと過酸化水素水とが十分に反応しない可能性があるため好ましくなく、攪拌時間が２４時間以上の場合には、酸化チタンナノチューブと過酸化水素水とが十分に反応した後も攪拌を続けることになるため、攪拌し続けることによる効果が得られないという点で好ましくない。
【００１２】
なお、本発明の放射線遮蔽素材を特定するにあたり、発明を特定する事項としては、構造若しくは特性で特定することが望ましいことではあるが、本発明の放射線遮蔽素材である酸化チタンナノチューブと酸化チタンナノチューブと過酸化水素水を攪拌して得られた生成物が、構造若しくは特性として、どのような違いがあるかは、発明者らは正確には確認できていない。すなわち、研究機関である公立大学法人兵庫県立大学の設備及び知見をもってしても、本発明の放射線遮蔽素材について、構造若しくは特性で特定するに至らなかったという事実自体が、本発明を記載するにあたり、構造若しくは特性で特定することができない不可能・非実在的事情が存在することを表していると言える。
【００１３】
また、本発明の放射線遮蔽素材である酸化チタンナノチューブ、あるいは酸化チタンナノチューブと過酸化水素を攪拌して得られた生成物が、どのような特性を有するために放射線遮蔽に対して優位に働くか、を判明するには至っていない。既往の技術常識から勘案すると、高い放射線遮蔽効果を有するためには重元素を用いることが効果的であり、酸化チタンナノチューブのような比較的軽いものが高い放射線遮蔽効果を有することは、当該技術分野における技術常識から考えると、想定できないことである。このため、高い放射線遮蔽効果を有することが想定できない酸化チタンナノチューブ、あるいは酸化チタンナノチューブと過酸化水素を攪拌して得られた生成物で、放射線遮蔽効果が向上することは、当業者にとって予測不可能な事項であると言える。
【００１４】
本発明の放射線遮蔽素材は、酸化チタンナノチューブと樹脂とを混合して紫外線遮蔽素材として使用しても良い。酸化チタンナノチューブは粉末状であるため、樹脂と混合することにより、樹脂の高い加工性を利用することができる。このとき、混合して利用する樹脂としては、例えば、メタクリル製樹脂やアクリル製樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネートやポリエチレン系樹脂等、公知の種々の樹脂を使用することができる。また、酸化チタンナノチューブと樹脂との混合比率は、放射線の遮蔽能力に応じて適宜選択することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態の一例である放射線遮蔽素材の実施形態について、詳細に説明する。この紫外線遮蔽素材は、主として、酸化チタンナノチューブ（以下、「ＴｉＯ2−ＮＴｓ」と言う。）又は過酸化水素水処理を行った酸化チタンナノチューブ（以下、「ＡＴ−ＮＴｓ」と言う。）を含んでいるため、ここでは、ＴｉＯ2−ＮＴｓの調製方法について説明した後に、ＡＴ−ＮＴｓの調製方法について説明する。
【００１６】
（水熱合成処理）
このＴｉＯ2−ＮＴｓは、酸化チタンを出発原料として、水熱合成を用いて調製した。具体的には、１０Ｍ以上２０Ｍ以下の水酸化ナトリウム水溶液中に酸化チタンを添加し、１１０℃以上１８０℃以下の温度で０．２メガパスカル以上０．６メガパスカル以下の圧力に保ち、１０時間以上１００時間以下の時間で水熱合成を行った。水熱合成後、中和させた後に洗浄・乾燥させて粉末状のＴｉＯ2−ＮＴｓを得た。なお、水熱合成の温度は１２０℃以上１８０℃以下であってもよく、１４０℃以上１８０℃以下であってもよく、１５５℃以上１７０℃以下であっても良い。こうすることにより、チューブ長が１５０ｎｍより大きく１０００ｎｍより短い酸化チタンナノチューブが得られる。
【００１７】
（過酸化水素水処理）
粉末状のＴｉＯ2−ＮＴｓ（７．５ｇ）を３０％（ｗ／ｖ）の過酸化水素水に添加した後、所定時間（例えば、２時間）攪拌した後、遠心分離により沈殿物を回収した。この沈殿物を純水で再懸濁した後、再度遠心分離を行い、沈殿物を回収した。この沈殿物を乾燥することで、ＡＴ−ＮＴｓを得た。なお、攪拌するための所定時間は、１５分以上２４時間以下であってもよく、３０分以上１２時間以下であってもよく、１時間以上２時間以下であってもよい。また、過酸化水素水の濃度は１％以上３５％以下の濃度であってもよいし、５％以上２０％以下であってもよいし、１０％以上１５％以下であってもよい。また、ＴｉＯ2−ＮＴｓの濃度は、１％以上５％以下が好ましい。
【実施例】
【００１８】
（ＴｉＯ2−ＮＴｓの調製）
１０Ｍの水酸化ナトリウム水溶液中にアナターゼ型酸化チタンを質量比が１０：１の割合で添加し、１５０℃の温度で２０時間水熱合成を行った。こうして得られた反応物を中和した後水洗し、１００℃で２時間乾燥させ、ＴｉＯ2−ＮＴｓを得た。
【００１９】
（ＡＴ−ＮＴｓの調整・１）
過酸化水素水（３０％（ｗ／ｖ））７５０ｍｌにＴｉＯ2−ＮＴｓの濃度が１％（ｗ／ｖ）となるようにＴｉＯ2−ＮＴｓを添加し、約２時間攪拌した。続いて、５０ｍｌの遠沈管に封入し、アズワン社製の遠心分離機（型番：ＣＮ−２０６０）を用いて、６０００ｒｐｍで５分間遠心分離を行った後、上澄みを除去した。遠沈管に残った沈殿物に約４０ｍｌの純水を添加して再懸濁し、同様の条件で再度５分間遠心分離を行った。同様の条件で更に２サイクル遠心分離を行った後、定温乾燥機で６０℃に保った状態で４８時間乾燥し、ＡＴ−ＮＴｓ１を得た。
【００２０】
（ＡＴ−ＮＴｓの調整・２）
過酸化水素水（１０％（ｗ／ｖ））７５０ｍｌにＴｉＯ2−ＮＴｓの濃度が３．２％（ｗ／ｖ）となるようにＴｉＯ2−ＮＴｓを添加し、約２時間攪拌した。続いて、５０ｍｌの遠沈管に封入し、アズワン社製の遠心分離機（型番：ＣＮ−２０６０）を用いて、６０００ｒｐｍで５分間遠心分離を行った後、上澄みを除去した。遠沈管に残った沈殿物に約４０ｍｌの純水を添加して再懸濁し、同様の条件で再度５分間遠心分離を行った。同様の条件で更に２〜３サイクル遠心分離を行った後、定温乾燥機で６０℃に保った状態で４８時間乾燥し、ＡＴ−ＮＴｓ２を得た。
【００２１】
（ＴｉＯ2−ＮＴｓを含むＣＢシートの作製）
粉末状のＴｉＯ2−ＮＴｓ又は、トルエンでスラリー化したＴｉＯ2−ＮＴｓを塩素化ブチル（以下、「ＣＢ」とも言う。）に混合し、厚さ１００μｍのシートを作製した。なお、ＴｉＯ2−ＮＴｓとＣＢの混合割合は、ＴｉＯ2−ＮＴｓが含まれないもの（比較例１）、ＴｉＯ2−ＮＴｓが６．２５ｐｈｒ含まれるのもの（サンプル１）、２５ｐｈｒ含まれるもの（サンプル２）、５０ｐｈｒ含まれるもの（サンプル３）、７５ｐｈｒ含まれるもの（サンプル４）の５種類のサンプルを作製した。それぞれのサンプルについて、シートを複数枚積層して、それぞれ厚みで放射線の遮蔽率を測定した。なお、ここで「ｐｈｒ」とは、樹脂重量１００に対するＴｉＯ2−ＮＴｓの重量部を意味し、例えば、５０ｐｈｒであれば、ＣＢ重量１００に対して５０のＴｉＯ2−ＮＴｓが含まれていることを意味する。
【００２２】
（ＴｉＯ2−ＮＴｓを含むＥＶＡシートの作製）
粉末状のＴｉＯ2−ＮＴｓ又は、トルエンでスラリー化したＴｉＯ2−ＮＴｓをエチレン・酢酸ビニル共重合樹脂（以下、「ＥＶＡ」とも言う。）に混合し、厚さ１００μｍのシートを作製した。なお、樹脂にＴｉＯ2−ＮＴｓトルエン分散品を１０ｐｈｒ加えたものをサンプル５、樹脂にＴｉＯ2−ＮＴｓ粉体を１０ｐｈｒ加えたものをサンプル６とし、ＴｉＯ2−ＮＴｓが含まれないものを比較例２とした。それぞれのサンプルについて、シートを複数枚積層して、それぞれ厚みで放射線の遮蔽率を測定した。
【００２３】
（ＡＴ−ＮＴｓを含むＣＢシートの作製）
粉末状のＡＲ−ＮＴｓ又は、トルエンでスラリー化したＡＴ−ＮＴｓ１又はＡＴ−ＮＴｓ２をＣＢに混合し、厚さ１００μｍのシートを作製した。なお、ＡＴ−ＮＴｓとＣＢの混合割合は、ＡＴ−ＮＴｓ１が６．２５ｐｈｒ含まれるのもの（サンプル７）、ＡＴ−ＮＴｓ２が６．２５ｐｈｒ含まれるのもの（サンプル８）の２種類のサンプルを作製した。それぞれのサンプルについて、シートを複数枚積層して、それぞれ厚みで放射線の遮蔽率を測定した。
【００２４】
（測定手法）
測定には、放射線測定装置を用いた。この放射線測定装置は、全体が鉛で形成されており、一辺の長さが約１８ｃｍの正方形形状の箱が２つ連接されたものである。一方側の箱には３００００Ｂｑのセシウム１３７が、他方側の箱には放射線検出装置（クリアパルス社製、品番Ａ２７００型）が、それぞれ設けられており、一方の箱と他方の箱との間には、遮蔽板が取り外し可能に設けられている。放射線遮蔽率を測定する際には、所望の遮蔽板を取り付け、放射線検出器で検出された放射線の強度をセシウム１３７から放出された放射線の強度で除算することで、放射線遮蔽率を算出する。なお、この放射線遮蔽率については、遮蔽板として鉛の板を使用して測定したところ、鉛の板の理論上の放射線遮蔽率と一致することを確認した。このため、この方法で測定した放射線遮蔽率を比較することで、遮蔽板の放射線遮蔽率を比較することができる。
【００２５】
（放射線遮蔽率の計測）
上記作製したサンプル１〜８及び比較例１及び２のそれぞれを遮蔽板として用いて、それぞれの放射線遮蔽率を算出したところ、以下の表のような結果が得られた。これらの結果について、それぞれの表に基づいて詳しく説明する。
【００２６】
以下の表１は、比較例１及びサンプル１〜４における、それぞれの厚さ毎の放射線遮蔽率を表した表である。具体的には、まず、それぞれのサンプルに対して、１００μｍのシートを複数枚積層し、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍのそれぞれの厚さの遮蔽板を作製し、それぞれの重量及び放射線遮蔽率を測定した。次に、比較例１及びサンプル１〜４のそれぞれについて、実測値に対して最小２乗法によって近似曲線を算出し、この近似曲線のそれぞれの値をそれぞれの厚さにおける遮蔽率として算出した。
【００２７】
【表１】
2018021787.tif 000002
【００２８】
次に、こうして得られた実測値に基づいて、単位重量あたりの放射線遮蔽率（以下、「遮蔽度」とも言う。）を算出した。具体的には、上記実測値及び各サンプルを測定した密度に基づいて、１ｋｇ辺りの放射線遮蔽率を遮蔽度として算出した。各サンプル及び鉛の遮蔽度を以下の表２に示す。
【００２９】
【表２】
2018021787.tif 000003
【００３０】
表２から明らかなように、サンプル１〜４のそれぞれについて、鉛と同程度又は鉛よりも高い遮蔽度を有することが分かる。この結果、鉛を用いること無く、遮蔽度の高い鉛と同程度の遮蔽度を有する紫外線遮蔽素材を提供することができた。また、この放射線遮蔽素材は、樹脂に所定量分散されているため、鉛と比較して加工しやすく、人間に対する毒性が低い。言い換えると、鉛と比較して、同程度の放射線遮蔽効果を有しながら、加工しやすく人間に対する毒性の低い放射線遮蔽素材を提供することができたと言える。
【００３１】
同様に、ＥＶＡを用いた各数値を以下の表３に、表３の値に基づいて算出した放射線遮蔽度を以下の表４に、それぞれ示す。
【００３２】
【表３】
2018021787.tif 000004
【００３３】
【表４】
2018021787.tif 000005
【００３４】
表４から明らかなように、サンプル５及び６について、鉛と同程度の高い遮蔽度を有することが分かる。この結果、鉛を用いること無く、遮蔽度の高い鉛と同程度の遮蔽度を有する紫外線遮蔽素材を提供することができた。また、この放射線遮蔽素材は、樹脂に所定量分散されているため、鉛と比較して加工しやすく、人間に対する毒性が低い。言い換えると、鉛と比較して、同程度の放射線遮蔽効果を有しながら、加工しやすく人間に対する毒性の低い放射線遮蔽素材を提供することができたと言える。
【００３５】
同様に、ＡＴ−ＮＴｓ用いた各数値を以下の表５に、表５の値に基づいて算出した放射線遮蔽度を以下の表６に、それぞれ示す。
【００３６】
【表５】
2018021787.tif 000006
【００３７】
【表６】
2018021787.tif 000007
【００３８】
表６から明らかなように、サンプル７及び８について、鉛よりも高い遮蔽度を有することが分かる。この結果、鉛を用いること無く、遮蔽度の高い鉛以上の遮蔽度を有する紫外線遮蔽素材を提供することができた。
【００３９】
以上の結果より、酸化チタンナノチューブを樹脂に混合することで、質量が軽く、高い遮蔽効果を有する放射線遮蔽素材を実現した。従来の常識では、放射線遮蔽率は、重さに依存し、質量が重くなれば遮蔽率が高くなると考えられている。しかしながら、今回の結果は、物質の重量に加えて、ナノチューブが有する中空ナノ構造が放射線遮蔽に影響を与えることが示唆される。具体的には、酸化チタンナノチューブを用いることで、ベース樹脂が塩素化ブチルの場合は２４．２％から４４．２％の遮蔽率に、ＥＶＡの場合は２７．８％から３５．７％の遮蔽率に、それぞれ向上するという結果が得られた。これらの結果から、酸化チタンナノチューブが放射線遮蔽素材として高い効果を有していると言える。
【００４０】
更に、過酸化水素で処理をしたＡＴ−ＮＴｓは、表６の結果から、通常のＴｉＯ2−ＮＴｓよりも高い放射線遮蔽効果が示された。具体的には、ＡＴ−ＮＴｓを用いることで、ベース樹脂がＥＶＡの場合において、通常のＴｉＯ2−ＮＴｓでは２７．８％であった遮蔽率が、ＡＴ−ＮＴｓでは４２．１〜５１．９％に向上する結果が得られた。これらの結果から、酸化チタンナノチューブを過酸化水素で攪拌処理したＡＴ−ＮＴｓは、放射線遮蔽素材として高い効果を有していると言える。