美國(guó)能源部科學(xué)辦公室出版的《Acceleratorsfor America's Future》中有這樣一段描述：感恩節(jié)能吃上新鮮肥嫩的烤火雞，別忘了感恩粒子加速器，因?yàn)閹资陙砻绹?guó)食品加工商一直使用經(jīng)粒子加速器輻照交聯(lián)處理后的塑料薄膜——熱收縮膜來包裝火雞。

　　熱收縮膜？聽起來陌生，確已深深滲透到我們的生活之中。

 

《Accelerators for America's Future》(部分章節(jié))(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

　　塑料膜 

　　先了解一下比較熟悉的塑料膜。

　　塑料的主要成分是樹脂。天然樹脂是樹木的一種分泌物(即樹枝被鋸斷后切口處的那層黃色膠狀體)。合成樹脂則是人工合成的一種高分子量聚合物，由許多相同的、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元通過共價(jià)鍵重復(fù)連接而成(類似珍珠項(xiàng)鏈那樣串在一起)。

 

聚合物分子結(jié)構(gòu)示意圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

　　合成樹脂比天然樹脂密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好。以合成樹脂為主要成分，再加上些增塑劑、填充劑、潤(rùn)滑劑或著色劑等輔助材料，即可生產(chǎn)出有一定特性的可塑材料——稱為“塑料”。

　　追溯歷史，首次成功研制出塑料的是美籍比利時(shí)人、化學(xué)家列奧·貝克蘭(Leo Baekeland) ，時(shí)間是在20世紀(jì)初。貝克蘭注冊(cè)了相關(guān)專利，并開設(shè)了批量生產(chǎn)塑料的工廠，有些資料稱他為“塑料之父”。

　　塑料制成的薄膜廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥用品等物品的包裝，給人們的生活帶來了很大便利。但塑料制品有不少弱點(diǎn)，例如耐溫性能差、容易破裂或被撕裂等，科學(xué)家們一直在設(shè)法提高塑料的性能。

　　熱收縮膜 

　　隨著科技的發(fā)展，20世紀(jì)50年代初期，英國(guó)科學(xué)家亞瑟·查里斯貝(Arthur Charlesby)的相關(guān)研究取得了突破。他發(fā)現(xiàn)聚乙烯(塑料的一種)經(jīng)輻照交聯(lián)技術(shù)處理后可變成一種具有特殊“記憶效應(yīng)”的熱收縮材料。查里斯貝發(fā)表了一系列關(guān)于輻射交聯(lián)技術(shù)研究的論文，他的開拓性工作大大推動(dòng)了輻射聚合物領(lǐng)域交聯(lián)技術(shù)的研究與發(fā)展。

 

　　查里斯貝發(fā)表的相關(guān)論文(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

　　什么是輻照交聯(lián)技術(shù)？即塑料在某些輻照條件下，其分子結(jié)構(gòu)由原先的線型鏈狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)狀的三維結(jié)構(gòu)，從而引起了塑料的物理及化學(xué)性能改變——這就是輻照交聯(lián)反應(yīng)。

 

線型分子交聯(lián)(左)與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(右)示意圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

　　這種熱收縮材料被加熱到一定溫度時(shí)變得膨脹且很有彈性，將它拉伸成薄膜，隨之再將溫度降至室溫，它卻仍能保持膨脹時(shí)的狀態(tài)。如果用它來包裹某些東西，例如，包上一只肥嫩的火雞，只要對(duì)薄膜再次加熱，奇跡就出現(xiàn)了：薄膜顯現(xiàn)了“記憶效應(yīng)”，自動(dòng)收縮至它未膨脹時(shí)的狀態(tài)，肥嫩的火雞就被薄膜緊貼著嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地密封起來了。這種經(jīng)輻照交聯(lián)處理的塑料薄膜被稱為熱收縮膜。

　　塑料的交聯(lián)反應(yīng)可通過化學(xué)方法(如加入交聯(lián)劑)或物理方法(如輻照)來實(shí)現(xiàn)。用物理方法進(jìn)行輻照交聯(lián)反應(yīng)可用某種放射源、光源或靜電加速器、大功率電子直線加速器產(chǎn)生的射線(X射線、γ射線、中子束、粒子束等)對(duì)塑料進(jìn)行輻照，效率最高的就是大功率的輻射裝置——粒子加速器。

 

電子加速器輻照處理塑料膜示意圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

　　塑料膜用來自粒子加速器的粒子束輻照處理后，因交聯(lián)反應(yīng)變得超級(jí)堅(jiān)固并具有熱收縮特性。食品加工商從塑料制造商那里大批購(gòu)買這種熱收縮膜用于包裝各類食品，從而使新鮮的食品顯得更加誘人。

 

　　美國(guó)某工廠用于生產(chǎn)交聯(lián)熱收縮膜的多臺(tái)電子加速器(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

 

　　收縮膜產(chǎn)品(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

　　用途廣泛 

　　如今，熱收縮膜廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥品、消毒餐具、化妝品、文體用品、辦公用品、工藝禮品、印刷品、機(jī)械零部件、電子電器產(chǎn)品、建筑材料等物品的包裝。對(duì)不規(guī)則形狀物品的組合包裝、超大型物品的包裝，使用熱收縮膜有更大的優(yōu)勢(shì)，既能滿足商品的防潮防塵、防觸摸偷換、透明展示等功能，又增加了商品外觀上的吸引力。

 

商品的熱收縮膜組合包裝(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

 

高速熱收縮膜包裝機(jī)(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

 

印刷品的熱收縮膜包裝 (圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

 

藝術(shù)品的熱收縮膜包裝 (圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

 

大型物品的熱收縮膜包裝(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

　　熱收縮膜僅是輻照交聯(lián)技術(shù)眾多的應(yīng)用之一。各類塑料經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)后大大提高其耐環(huán)境應(yīng)力開裂、耐熱、耐油、耐燃、耐化學(xué)藥品腐蝕、抗蠕變性和電性能等綜合性能，并顯著提高了耐熱溫度，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)輻照交聯(lián)處理的電線、電纜、各類管材、板材廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、電子、建筑、大型工程等。而經(jīng)輻照交聯(lián)處理的聚乙烯泡沫塑料等則在絕緣、建筑、救生、隔熱等方面具有特殊的優(yōu)勢(shì)。

 

電纜線的輻照交聯(lián)加工(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

用于工程管道連接的熱收縮套(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

注：熱收縮膜包裝與一般的真空包裝是不同類別的技術(shù)：真空包裝袋的塑料膜較厚，需經(jīng)抽真空系統(tǒng)將包裝袋內(nèi)抽成低真空后封口，以便于運(yùn)輸和貯存。熱收縮膜很薄，加熱后會(huì)緊貼在包裝物上防潮保鮮，被包裝物品更直觀、緊湊便于運(yùn)輸。 

真空包裝(左)與熱收縮膜包裝(右)(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) 

　　環(huán)顧四周，我們?nèi)粘＝佑|到的包裝膜太多了，原來還傻傻以為都是塑料膜呢。在了解了熱收縮膜的特性與科技內(nèi)涵后，才能發(fā)現(xiàn)它與一般塑料膜的不同。真沒想到，熱收縮膜離我們這么近，這項(xiàng)與粒子加速器相關(guān)的技術(shù)已深深滲透到每個(gè)人的生活之中！

　　參考資料 

　　1、Shrink wrap

　　https://www.symmetrymagazine.org/article/october-2009/accelerator-application-shrink-wrap 

　　2、Arthur Charlesby1915–1996

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0969806X96900043?via%3Dihub 

　　3、Accelerators forAmerica’s Future

　　https://www.energy.gov/science/office-science 

　　4、What Does aParticle Accelerator Have in Common with Your Thanksgiving Turkey?

　　https://www.energy.gov/articles/photo-week-what-does-particle-accelerator-have-common-your-thanksgiving-turkey 

　　5、Physicists talkturkey

　　https://www.symmetrymagazine.org/breaking/2011/11/23/physicists-talk-turkey 

　　6、The Secret Lives ofParticle Accelerators

　　https://www.popsci.com/technology/article/2010-02/secret-lives-particle-accelerators/ 

　　7、CERN and the future ofparticle physics

　　https://indico.cern.ch/event/696045/contributions/2894122/attachments/1636105/2613277/Phat_CERNAndTheFutureOfParticlePhysics_opt.pdf 

　　8、Five ways particle accelerators have changedthe world

　　https://theconversation.com/five-ways-particle-accelerators-have-changed-the-world-without-a-higgs-boson-in-sight-54187 

　　9、塑料的發(fā)明及發(fā)展

　　https://www.bmlink.com/news/531129.html 

　　10、輻照交聯(lián)的發(fā)展史

　　http://www.dxdlw.com/ShowPost.aspx?ThreadID=215749 

　　11、高分子交聯(lián)結(jié)構(gòu)

　　http://twword.com/wiki/%E9%AB%98%E5%88%86%E5%AD%90%E4%BA%A4%E8%81%AF%E7%B5%90%E6%A7%8B 

　　12、真空包裝與熱收縮膜

　　http://www.skyat.com.cn/news/zswd/236.html 

　　13、聚乙烯PE成型

　　http://www.anytesting.com/news/869237.html 

　　14、熱收縮膜前景展望

　　https://wenku.baidu.com/view/9bd190360b4c2e3f572763cb.html