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