Радиационно-защитный материал на полимерной основе с повышенными рентгенозащитными и нейтронозащитными свойствами

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к материалам для защиты от ионизирующего излучения, и предназначено для использования при изготовлении элементов радиационно-защитных экранов. Радиационно-защитный материал на полимерной основе содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с наночастицами вольфрама и карбида бора. Изобретение обеспечивает увеличение поглощения ионизирующего излучения. 1 ил., 3 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к ядерной технике, к материалам для защиты от ионизирующего излучения и предназначено для использования при изготовлении элементов радиационно-защитных экранов.

Известен радиационно-защитный материал (RU 2368629 C2 20090927 «РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ»).

Способ изготовления данного материала включает полимеризацию этилена на поверхности частиц элементарного бора среднего размера 3-8 мкм в присутствии иммобилизованной на нем каталитической системы, состоящей из тетрахлорида ванадия и алюминийорганического соединения. Сначала на поверхности частиц бора проводят фор-полимеризацию этилена до образования на них покрытия из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой не менее 1·10⁶ и толщиной 0,01-20 мкм. Радиационно-защитный композиционный материал представляет собой частицы элементарного бора с полиолефиновым покрытием в виде агломератов среднего размера 20-100 мкм. Полученный композиционный материал обладает равномерным распределением частиц бора в полимерной матрице, а также комплексом свойств - высокой прочностью, очень высокой ударной вязкостью в широком диапазоне температур, стойкостью к растрескиванию и истиранию.

Данный материал не способен защищать от гамма- и рентгеновского излучения, которое возникает при поглощении нейтрона бором.

Известен материал биозащиты (RU 2008730 C1 19940228 «МАТЕРИАЛ БИОЗАЩИТЫ ОТ НЕЙТРОНОВ»). Применяемая для его получения композиция содержит, масс.ч.: полиэтилен 100; аморфный бор 3-5; гидроокись алюминия 70-100; бромсодержащее ароматическое соединение 10-20; поливиниловый спирт 1-2; малеиновый ангидрид 1-2. Композиция дополнительно может содержать полистирол в количестве 20-25 масс.ч. на 100 масс.ч. полиэтилена для повышения радиационной стойкости.

Недостатком материала является неспособность материалом поглощать гамма-излучение, при поглощении нейтрона бором.

Материл (RU 2050380 C1, 19951220 «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ КОМПОЗИЦИИ») получен на основе полиэтиленовой композиции, где предварительно аморфный бор смешивают с изотактическим полипропиленом, прессуют в виде заготовок, точением получают стружку и дробят ее до порошкового состояния дисперсностью до 1 мм в шаровом смесителе, в дробленый порошок вводят полиэтилен, смешивают и экструдируют. Процесс проводят при содержании аморфного бора 50, 75 масс. на 100 масс. его смеси с полипропиленом. Также предложена и боросодержащая композиция композиционного материала, предназначенного для защиты от нейтронных излучений при эксплуатации атомных энергетических установок, защищающих контейнеров при хранении и транспортировке делящихся веществ, что обеспечивает получение более теплостойкой боросодержащей композиции с повышенными прочностными характеристиками и не имеющей дефектов. Боросодержащая композиция на основе аморфного бора и полипропилена дополнительно содержит нитрид бора при следующем соотношении компонентов, масс.%: бор аморфный 4-6; нитрид бора 9-11; полипропилен 83-87.

Недостатком является неспособность защищать от гамма- и рентгеновского излучения, которое возникает при поглощении нейтрона бором.

Также известна боросодержащая композиция (RU 2096431 C1, 19971120 «БОРОСОДЕРЖАЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ»). Точением получают стружку и дробят ее до порошкового состояния. В дробленый продукт добавляют полиэтилен, смешивают и экструдируют. Способ позволяет прессовать детали без дефектов, предел прочности на разрыв не ниже 160 кг/см².

Недостатками являются низкие показатели прочности на разрыв, а также неспособность защищать от гамма- и рентгеновского излучения, которое возникает при поглощении нейтрона бором.

Прототипом предложенного изобретения является (RU 02148062 C1, 20000427 «СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ»), получена полимерная композиция, в которой в качестве наполнителя используют нитрид бора и осуществляют его смешение с частью олефинового полимера при их массовом соотношении от 1:2 до 1:1 соответственно в шаровом смесителе при соотношении массы металлических шаров к массе перемешиваемой композиции 4:1 в течение 1-2 ч с последующим добавлением оставшейся части олефинового полимера и продолжением смешения в шаровом смесителе в течение 0,5-1 ч.

Отличием является полимерная матрица и способ получения готового продукта.

Технический результат изобретения заключается в увеличении поглощения ионизирующего излучения (нейтронного и рентгеновского) за счет введения нанопорошков наполнителей, обеспечивающих увеличение коэффициента поглощения рентгеновского излучения до 10-30% по сравнению с микрокристаллическими аналогами.

Технический результат достигается следующим образом.

Радиационно-защитный материал на полимерной основе содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с наночастицами вольфрама и карбида бора при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен - 20-82;

Вольфрам - 10-60;

Карбид бора - 8-20.

В предлагаемом материале повышение уровня радиационно-защитных свойств достигается за счет введения в композит порошка вольфрама и карбида бора дисперсностью менее 50 нм. Введение нанопорошка вольфрама в количестве 10-60% масс. обеспечивает коэффициент поглощения рентгеновского излучения с энергией 122 кэВ до 4 см^-1. Введение наночастиц карбида бора в композит в количестве 8-20% масс. обеспечивает высокий уровень защитных свойств от нейтронного излучения, вплоть до полного поглощения. Эффективное распределение наноразмерных наполнителей по полимерной матрице обеспечивается за счет применения метода совестного механического синтеза в высокоэнергетичных планетарных мельницах с металлическими мелящими телами. Получение изделия необходимой формы из композита осуществляется методами термопрессования и экструзии при температуре 180-200°C. Благодаря хорошей перерабатываемости материала изделие радиационной защиты из данного материала может быть изготовлено практически любой сложной формы.

Возможность промышленной применимости предлагаемого материала и его использования в качестве радиационно-защитного материала подтверждается следующим примером реализации.

Пример

В качестве исходных материалов использовались сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) марки GUR 4120, нанопорошок вольфрама дисперсностью 50 нм, полученный методом водородного восстановления специально приготовленного прекурсора на основе вольфрамовой кислоты, и карбид бора, полученный механическим измельчением в шаровом механоактиваторе промышленного порошка карбида бора.

Порошки - СВМПЭ, вольфрама, карбида бора проходят предварительную сушку при температуре 110°C, затем смешиваются и подвергаются механическому перемешиванию с помощью планетарной мельницы АПФ-3 с металлическими мелящими телами в следующих композициях: 10% масс. вольфрама с 8% масс. карбида бора, СВМПЭ - остальное; 18% масс. вольфрама с 12% масс. карбида бора, СВМПЭ - остальное; 30% масс. вольфрама с 20% масс. карбида бора, СВМПЭ - остальное; 60% масс. вольфрама с 8% масс. карбида бора, СВМПЭ - остальное. Полученные после перемешивания в мельнице композиционные смеси подвергались термопрессованию при температуре 180-200°C и давлении 35-40 МПа.

На чертеже показан пример структуры композита, полученной на сканирующем электронном микроскопе, путем получения хрупкого излома композита при замораживании его в жидком азоте.

Механические, трибологические и радиационно-защитные свойства композитов приведены в таблицах 1, 2, 3.

Радиационно-защитный материал на полимерной основе содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с наночастицами вольфрама и карбида бора при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен - 20-82;
Вольфрам - 10-60;
Карбид бора - 8-20.