CN103426492A - 中子屏蔽材料及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中子屏蔽材料及制备工艺。所述中子屏蔽材料包含：超高分子量聚乙烯、至少一种硼化合物、和至少一种硬脂酸或其盐。本发明还提供了制备该中子屏蔽材料的方法。本发明中子屏蔽材料具有成本低廉、制备简单、成型性好、产品优良率高、中子屏蔽效果好等优点。
Description
技术领域
本发明属于原子能技术领域，涉及一种中子屏蔽材料，特别是涉及含有硼元素和硬脂酸盐的复合材料，该材料可用作中子慢化吸收的屏蔽防护材料。本发明还涉及所述材料的制备方法。
背景技术
目前，在原子能利用包括运用中子散射进行测试分析时，均需对中子辐射进行有效的屏蔽防护，或慢化或吸收，一方面保护人体免受中子的辐射损害，另一方面降低杂散中子产生的探测器本底和减少其对仪器的辐照损坏。通常，屏蔽材料的选择需要综合考虑其屏蔽效率，材料特性包括机械性能，和生产工艺成本三方面。
对于中子的屏蔽吸收，一般选择中子吸收截面较大的元素，例如，氦(He)、锂(Li)、钆(Gd)、镉(Cd)和硼(B)等，常见吸收元素中吸收截面高于10B的只有Gd（钆），Sm（钐），Eu（铕）。但Sm（钐），Eu（铕）的制备工艺复杂，价格十分昂贵，而Gd（钆）的使用寿命很短。此外，除B以外，其它元素都会在吸收中子后放出穿透性很强的γ射线，增加废料处理的困难。因此，工艺相对简单而且价廉的10B元素无疑成为中子的屏蔽吸收的最佳选择。另外，含氢量高的物质如-CH2、CH4或H2O等，是有效的中子慢化材料，可使入射中子的吸收截面显著增加从而在慢化和吸收双重作用下被有效屏蔽。
现行的中子屏蔽材料多是将重金属与聚乙烯及B4C等复合组成，同时需添加一系列耦联剂，不但工艺过程复杂，而且成本太高。由于B4C的价格是硼酐或硼砂的10倍以上，所得制品也因工业上用作磨料的B4C的硬度极高（硬度仅次于金刚石）而较硬，加工时机床刀具磨损非常严重，几次后刀具就会报废，同时也不易于加工成所需形状，无法满足实际需要。另一类制备屏蔽防护材料的方法，是将中子慢化剂与吸收材料做成“三明治”型夹层结构，虽然工艺相对简单，但由于两种材料在复合体中的分布不均，明显影响屏蔽效果，达不到理想的中子屏蔽目的。
因此，本领域仍然需要有一种新的中子屏蔽材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的中子屏蔽材料，期望其具有至少一个以下方面的效果：成本低廉、制备简单、成型性好、产品优良率高、中子屏蔽效果好等。本发明以超高分子量聚乙烯为基材，添加含硼化合物可以有效地增大屏蔽材料的密度，从而使屏蔽效率呈指数的提高，令人满意地实现了上述效果,尤其是屏蔽材料的成品率、断裂强度和延伸率(塑性)有了很大的提高,从而提高了材料的使用寿命,且能更方便和易于加工成型成所需不同形状和结构的制品。
为此，本发明第一方面提供了一种中子屏蔽材料，其包含：超高分子量聚乙烯、至少一种硼化合物、和至少一种硬脂酸或其盐。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中所述硼化合物选自硼酐、硼砂、无水硼砂或其组合。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中所述硬脂酸盐是ⅡB、Ⅱa族元素与硬脂酸形成的盐。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中所述硬脂酸或其盐选自硬脂酸、硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸锌、或其组合。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，以每100重量份的超高分子量聚乙烯计，该中子屏蔽材料中包含硼化合物的量为1-50重量份、5-50重量份、12-50重量份、20-50重量份、26-37重量份、37-50重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，以每100重量份的超高分子量聚乙烯计，该中子屏蔽材料中包含硬脂酸或其盐的量为0.1-10重量份、0.1-3重量份、0.5-10重量份、1-10重量份、0.5-5重量份、3-5重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中所述中子屏蔽材料包含：
高密度聚乙烯 100重量份、
硼化合物 1-200重量份、和
硬脂酸或其盐 0.1-20重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中所述中子屏蔽材料包含：
超高分子量聚乙烯 100重量份、
硼化合物 1-50重量份、和
硬脂酸或其盐 0.1-10重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中所述中子屏蔽材料包含：
超高分子量聚乙烯 100重量份、
硼化合物 5-50重量份、和
硬脂酸或其盐 0.1-5重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中所述中子屏蔽材料包含：
超高分子量聚乙烯 100重量份、
硼化合物 12-50重量份、和
硬脂酸或其盐 0.5-5重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中所述中子屏蔽材料包含：
超高分子量聚乙烯 100重量份、
硼化合物 20-50重量份、和
硬脂酸或其盐 3-5重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中所述中子屏蔽材料包含：
超高分子量聚乙烯 100重量份、
硼化合物 26-37重量份、和
硬脂酸或其盐 0.5-10重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中所述中子屏蔽材料包含：
超高分子量聚乙烯 100重量份、
硼化合物 37-50重量份、和
硬脂酸或其盐 1-10重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中还可以包含重金属材料例如但不限于铅、钨或者它们的化合物，以及它们的组合。这些重金属材料的用量根据本领域技术人员的知识是并阅读本说明书后是容易确定的。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中还可以包含选自下列的其它类型的硼化合物：碳化硼、氮化硼、或其组合。这些硼化合物的用量根据本领域技术人员的知识是并阅读本说明书后是容易确定的，例如以每100重量份的超高分子量聚乙烯计，包含硼化合物的总量为1-50重量份、5-50重量份、12-50重量份、20-50重量份、26-37重量份、237-50重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，其中还可以包含阻燃剂，其非限制性的例子是氢氧化铝、含磷化合物或其组合。这些阻燃剂的用量根据本领域技术人员的知识是并阅读本说明书后是容易确定的，例如以每100重量份的超高分子量聚乙烯计，该中子屏蔽材料中还包含阻燃剂的量为0.1-10重量份、1-10重量份、0.1-5重量份。
在本发明中子屏蔽材料的一个实施方案中，所述中子屏蔽材料的密度为0.9~4 g/cm3、优选1~3 g/cm3、优选1~1.8g/cm3。
本发明第二方面提供了制备本发明第一方面所述中子屏蔽材料的方法，其包括以下步骤：
(a)根据配料比分别称取超高分子量聚乙烯、硼化合物、硬脂酸或其盐。
(b)在搅拌机中将步骤(a)各成分混炼、搅拌均匀；
(c)将步骤(b)所得混合料加热到100~200℃，挤压成熔融状，再置于模具中，加压成型，脱膜，冷却，即得；或者将步骤(b)所得混合料直接置于模具中，加热到100~250℃，加压成型，加压冷却，脱膜，即得。
在本发明第二方面方法的一个实施方案中，其中步骤(c)的加热温度为180~250℃。
本发明任一方面的任一实施方案所具有的任一技术特征同样适用于该方面的任一其它实施方案，并且亦同样适用于其它方面的任一实施方案，只有它们不会出现矛盾，当然，在相互组合时，可以对相关技术特征作适当调整和改变，它们均在本发明精神和范围内。
在一个实施方案中，本发明提供了一种硼烯硬脂酸盐型的中子屏蔽材料，其特征在于所述复合屏蔽材料包含如下成分：超高分子量聚乙烯：98.1%~40%；硼酐（B2O3）0.6%~30%；硼砂0.4%~19%；硬脂酸盐（Ⅱ B、Ⅱ a族元素硬脂酸盐）0.9%~11%。
在一个实施方案中，本发明提供了一种硼烯硬脂酸盐型的中子屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于采用如下工艺流程：1、准确配料，称重误差≤0.5%；2、混合均匀，4种物料的混合均匀度≧95%；3、加热压延成型，置入模具加热到200℃±20℃；4、加压冷却，控制冷却时间，脱模。
在一个实施方案中，本发明提供了一种硼烯硬脂酸盐型的中子屏蔽复合材料，其中的硼砂或硼酐价格便宜、含有对中子吸收截面较大的10B元素，确保对中子屏蔽。
在一个实施方案中，本发明提供了一种硼烯硬脂酸盐型的中子屏蔽材料，所述复合屏蔽材料包含如下成分：质量份数的超高分子量聚乙烯：49~98.9份； 硼酐（B2O3）或硼砂1~50份；硬脂酸及其盐类（ⅡB、Ⅱa族元素硬脂酸盐）0.1~1份。
在一个实施方案中，本发明提供了一种硼烯硬脂酸盐型的中子屏蔽材料，其密度在1~2g/cm3之间，机加工性能良好，易于打孔或切割成所需形状；
在本发明方法中，所述加热压延成型阶段，物料在模具中优选加热到200℃±20℃，施加20~50MPa的压力，并在模具中保压适当时间例如2~5h，可以通过加压时间来调整板材表面平整度，以做到表面均匀平整；所述冷却步骤可包括水冷或空冷等方式，并可以控制冷却时间。
在本发明中，术语“中子屏蔽复合材料”、“中子屏蔽材料”、“复合屏蔽材料”等可以互换使用。
在本发明中，涉及量的比或者%时，如未另外说明，是指重量比或重量百分数。
本发明提供了一种含硼化合物和超高分子量聚乙烯聚合物以及硬脂酸或其盐的复合材料，还提供了该复合材料的制备方法，本发明的复合材料包含价格便宜、含有对中子吸收截面较大的B元素的硼砂或硼酐，以及具有较好成型性的超高分子量聚乙烯载体，还有硬脂酸或其盐（如第二主副族元素硬脂酸盐），制成了性能优异、成本低廉、轻质、成分均匀、易于加工且机械性能良好的中子屏蔽防护材料，能够根据中子能量与中子通量大小进行成分含量和材型厚度的调整，从而达到对中子的有效慢化与吸收，是一种较理想的中子屏蔽防护材料。
制备本发明复合材料的工艺可以采用本领域已知的普通工艺，在一个实施方案中，其工艺流程包括：混合——>加热压延成型——>加压冷却——>脱模，可根据需要制成不同厚度且成分均匀的中子屏蔽材料。
具体实施方式
下面通过实施例和试验例来进一步说明本发明，但是本发明并不限于这些实施例或实验例。
在下文具体的例子中，提及“份”时，是指重量份，并且每“份”为50g。在下文具体的例子中，在制备各种中子屏蔽材料时，所用模具的长宽尺寸为1m×1m，以压制成15mm厚度的薄材投料压制。
A、实施例部分——制备本发明中子屏蔽材料
实施例1：中子屏蔽材料的制备
配方：
超高分子量聚乙烯 100份
硼酐 50份
硬脂酸锌 10份
制法：
(a)称取配方量的各材料；
(b)在搅拌机中将步骤(a)各成分混炼、搅拌均匀；
(c)将步骤(b)所得混合料一层层均匀的铺设在模具中，加热到200℃，同时施加40MPa的压力进行成型，保压3h，脱膜，在另一模具中加压冷却2h，即得。制备过程中计算成品率，以产品无裂缝、无粘连、无脱块等异常情况为满意成品，其占总压模数加工物品数的百分数，即为成品率。
实施例2：中子屏蔽材料的制备
配方：
超高分子量聚乙烯 100份
硼酐 37份
硬脂酸锌/硬脂酸钙(1：1) 5份
制法：基本上同实施例1，不同之处是使用的加热温度约220℃，所加压力为50MPa。
实施例3：中子屏蔽材料的制备
配方：
超高分子量聚乙烯 100份
硼砂/硼酐(1：1) 26份
硬脂酸钙 3份
制法：基本上同实施例1，不同之处是使用的加热温度约240℃所加压力为40MPa。
实施例4：中子屏蔽材料的制备
配方：
制法：基本上同实施例1，不同之处是使用的加热温度约250℃所加压力为20MPa。
实施例5：中子屏蔽材料的制备
配方：
超高分子量聚乙烯 100份
无水硼砂 12份
硬脂酸锌 1份
制法：基本上同实施例1，不同之处是使用的加热温度约20℃所加压力为30MPa。
实施例6：中子屏蔽材料的制备
配方：
超高分子量聚乙烯 100份
无水硼砂 5份
硬脂酸钙/硬脂酸(1：1) 0.1份
制法：基本上同实施例1，不同之处是使用的加热温度约210℃所加压力为30MPa。
B、对比例部分
对比例1：
参考实施例1进行制备，不同之处是不使用硬脂酸锌。
对比例2：
参考实施例1进行制备，不同之处是将其中的硼酐替换为碳化硼。
对比例3：
参考实施例1进行制备，不同之处是将其中的硼酐替换为氮化硼。
C、性能测试例部分
1、产品成品率统计
本发明各实施例的成品率均在94~99.5%之间，其中实施例1、2、4、5的成品率均在98~99.5%之间。而各对比例的成品率均在70~80%之间，其中对比例1、3、5的成品率均在均在75%以下。
2、密度测定
采用塑料密度和相对密度国标实验方法GB1033-86中规定的浸渍法测得各样品密度(g/cm3)如以下表1所示。
表1
| 样品 | 密度(g/cm3) |
| 实施例1 | 1.125 |
| 实施例2 | 1.108 |
| 实施例3 | 1.060 |
| 实施例4 | 1.021 |
| 实施例5 | 0.986 |
| 实施例6 | 0.9757 |
| 对比例1 | 1.093 |
| 对比例3 | 1.054 |
3、中子削弱系数
测试方法：采用Cf-252中子辐射源产生中子源(经测算中子能量在2Mev左右)，采用氦-3管计数器测得样品对2Mev快中子屏蔽效果。
测试结果：按以上方法测得15毫米厚度的各样品快中子削弱系数如以下表2所示。
表2
| 样品 | 厚度（mm） | 中子削弱系数 |
| 实施例1 | 15 | 1.85 |
| 实施例2 | 15 | 1.26 |
| 实施例3 | 15 | 1.22 |
| 实施例4 | 15 | 1.43 |
| 实施例5 | 15 | 1.08 |
| 实施例6 | 15 | 1.34 |
| 对比例1 | 15 | 1.65 |
| 对比例2 | 15 | 1.96 |
| 对比例3 | 15 | 1.08 |
4、机械性能
采用GB1040-79对样品进行拉伸实验以测试其相应的拉伸机械性能,
并采用塑料硬度测试国标GBT3398.1-2008中规定的球压痕法测试各样品的硬度值如下表3：
表3
Claims (10)
1.一种中子屏蔽材料，其包含：超高分子量聚乙烯至少一种硼化合物、和至少一种硬脂酸或其盐。
2.权利要求1的中子屏蔽材料，其中所述硼化合物选自硼酐、硼砂或其组合。
3.权利要求1的中子屏蔽材料，其中所述硬脂酸盐是Ⅱ B或Ⅱ a族元素与硬脂酸形成的盐。
4.权利要求1的中子屏蔽材料，以每100重量份的超高分子量聚乙烯计，该中子屏蔽材料中还包含硼化合物的量为1-50重量份。
5.权利要求1的中子屏蔽材料，以每100重量份的超高分子量聚乙烯计，该中子屏蔽材料中包含硬脂酸或其盐的量为0.1-10重量份。
6.权利要求1至5任一项所述的中子屏蔽材料，其包含：
超高分子量聚乙烯 100重量份、
硼化合物 1-50重量份、和
硬脂酸或其盐 0.1-10重量份。
7.权利要求6的中子屏蔽材料，其包含：
超高分子量聚乙烯 100重量份、
硼化合物 12-50重量份、和
硬脂酸或其盐 1-5重量份。
8.权利要求1至7任一项所述的中子屏蔽材料，其中还包括一种或多种选自下列的材料：重金属材料、其它类型的硼化合物、防霉剂、阻燃剂、偶联剂。
9.权利要求1至8任一项所述的中子屏蔽材料，其密度为0.5~4 g/cm3。
10.制备权利要求1-9任一项所述中子屏蔽材料的方法，其包括以下步骤：
(a)根据配料比分别称取超高分子量聚乙烯、硼化合物、硬脂酸或其盐(b)在搅拌机中将步骤(a)各成分混炼、搅拌均匀；
(c)将步骤(b)所得混合料加热到100~200℃，挤压成熔融状，再置于模具中，加压成型，加压冷却，脱膜，即得；或者将步骤(b)所得混合料直接置于模具中，加热到200~250℃，加压成型，加压冷却，脱膜，即得。
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