CN106280461A - 一种耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料及其制备方法，该材料是由以下组分按重量份制备得到的：基体材料20‑200份；防辐射功能助剂100‑800份；纤维增强材料5‑100份；阻燃功能填料50‑150份；加工助剂1‑10份。本发明制备得到的耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料具有良好的中子和γ射线屏蔽性能及良好的阻燃性能，该材料可以在150‑260℃范围内正常工作，具有优异的耐高温性能，且该材料的平均线膨胀系数较低，说明其具有良好的尺寸稳定性，能够保证中子和γ射线屏蔽性能的稳定性。本发明制备得到的耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料可在高温环境下作为辐射防护材料使用。

Description

一种耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料及其制备方法，核辐射屏蔽防护技术领域。
背景技术
近年来，核能与电离辐射技术在辐射加工、核医学、核工业等领域取得了飞速发展，这极大地促进了人类社会的进步。然而，核技术在给人们带来巨大利益的同时，其产生的各种电离辐射对环境所造成的危害也逐渐被人们所认知。一方面，世界各国制定了相应的法律法规以有效控制并规范电离辐射的安全使用；另一方面，研制性能稳定、安全高效的辐射屏蔽材料保障辐射行业从业人员和公众的健康与安全也已成为本领域亟需解决的技术问题。
铅硼聚乙烯屏蔽复合材料是一类重要的屏蔽中子和γ射线的材料，国内外相关的研究机构在其制备和应用方面开展了大量工作。但是，由于聚乙烯的长期使用温度在80℃左右，这大大限制了该类屏蔽复合材料的使用范围。近年来，对于耐高温屏蔽材料的研究也日益增多，但未见综合考虑材料在使用过程中对中子和γ射线的屏蔽、阻燃性能以及热膨胀性能均有良好效果的材料。因此，研制一种能够在较高温度下有效防护中子和γ射线的屏蔽复合材料十分必要。
发明内容
为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料。
本发明的目的还在于提供上述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料的制备方法。
为达到上述目的，一方面，本发明提供一种耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料，其是由以下组分按重量份制备得到的：
基体材料 20-200份；
防辐射功能助剂 100-800份；
纤维增强材料 5-100份；
阻燃功能填料 50-150份；
加工助剂 1-10份。
根据本发明所述的屏蔽复合材料，优选地，所述基体材料包括聚苯硫醚、聚芳砜、聚砜、聚醚砜及聚醚醚酮中的一种或几种的组合。
根据本发明所述的屏蔽复合材料，优选地，所述防辐射功能助剂包括碳化硼、硼化钆、氧化硼、氮化硼、硼酐、钨、铅、铜及铁中的一种或几种的组合。
根据本发明所述的屏蔽复合材料，优选地，所述纤维增强材料包括玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维及碳纤维中的一种或几种的组合。
根据本发明所述的屏蔽复合材料，优选地，所述阻燃功能填料包括硼酸锌、氢氧化镁及氢氧化铝中的一种或几种的组合。
根据本发明所述的屏蔽复合材料，优选地，所述加工助剂包括环氧树脂、偶联剂及增韧剂中的一种或几种的组合。
根据本发明所述的屏蔽复合材料，所用的偶联剂为本领域使用的常规物质，在本发明具体实施方式中，所用偶联剂包括KH-550、KH-560、ND-42及D-90。
根据本发明所述的屏蔽复合材料，增韧剂为本领域使用的常规物质，在本发明具体实施方式中，所用增韧剂包括聚乙烯或聚丙烯。
根据本发明所述的屏蔽复合材料，其中，本发明对环氧树脂、偶联剂及增韧剂的具体用量不作要求，只要保证本发明所添加的加工助剂的用量在1-10份范围内即可。
根据本发明所述的屏蔽复合材料，优选地，该屏蔽复合材料的密度为1.5-6g/cm3，平均线膨胀系数不大于20×10-6℃-1，阻燃性能达到UL94V-0级，且其耐受150-260℃的高温。
本发明提供了一种耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料，其是由以下组分按重量份制备得到的：
基体材料 20-200份；
防辐射功能助剂 100-800份；
纤维增强材料 5-100份；
阻燃功能填料 50-150份；
加工助剂 1-10份；
其中，该屏蔽复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)对基体材料及阻燃功能填料进行干燥处理，得到经干燥处理后的基体材料及阻燃功能填料；
(2)将防辐射功能助剂加入到环氧树脂溶液或偶联剂溶液中，浸泡后，再进行真空干燥；
(3)按照各组分的用量分别称取各组分，再通过注塑机或转矩流变仪共混，然后经注塑成型或模压成型后，再经退火处理，得到所述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料。
另一方面，本发明还提供了上述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)对基体材料及阻燃功能填料进行干燥处理，得到经干燥处理后的基体材料及阻燃功能填料；
(2)将防辐射功能助剂加入到环氧树脂溶液或偶联剂溶液中，浸泡后，再进行真空干燥；
(3)按照各组分的用量分别称取各组分，再通过注塑机或转矩流变仪共混，然后经注塑成型或模压成型后，再经退火处理，得到所述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤(1)所述干燥为80-180℃干燥2-8h。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤(2)中所述浸泡时间为1-3h。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤(2)中所述真空干燥为70-80℃真空干燥24-36h。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤(2)中所述环氧树脂溶液及偶联剂溶液的浓度均为0.5-5wt％；
其中，所述环氧树脂溶液可以为环氧树脂的丙酮溶液或环氧树脂的的无水乙醇溶液，所述偶联剂溶液可以为偶联剂的水溶液、丙酮溶液或无水乙醇溶液；所用偶联剂包括KH-550、KH-560、ND-42及D-90。
根据本发明所述的制备方法，步骤(2)所述的防辐射功能助剂经浸泡后，防辐射功能助剂的表面会附有环氧丙酮溶液及偶联剂溶液，真空干燥后，则只剩下环氧胶液或偶联剂胶液少量包覆在防辐射功能助剂的表面，可以增加其与基体材料的界面强度。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤(3)所述转矩流变仪熔融混炼温度为290-420℃，时间为10-30min。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤(3)所述注塑机料管温度各段依次为：270-370℃、270-425℃、290-425℃；射嘴温度为290-425℃；
更优选地，所述模具温度为100-420℃。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤(3)所述模压温度为100-420℃，保压时间为10-60min。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤(3)所述退火处理的温度为100-250℃，时间为1-5h。
根据本发明所述的制备方法，优选地，该制备方法步骤(3)还包括以下步骤：
按照各组分的用量分别称取各组分，然后将基体材料、防辐射功能助剂、纤维增强材料、阻燃功能填料、加工助剂依次加入到注塑机中进行共混，混合均匀后注入模具注塑成型，再经退火处理，得到所述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料；
或者，按照各组分的用量分别称取各组分，然后将基体材料加入转矩流变仪中熔融共混，再依次将防辐射功能助剂、纤维增强材料、阻燃功能填料、加工助剂加入加料筒共混，达到平衡扭矩后经模压成型，再经退火处理，得到所述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料。
根据本发明所述的制备方法，步骤(2)中所述浸泡过程会引入部分或者全部加工助剂，如环氧树脂或偶联剂；当步骤(2)中所引入的加工助剂已经满足本发明对加工助剂的用量要求，则步骤(3)中则不必再添加加工助剂，如果步骤(2)中所引入的加工助剂尚未满足本发明对加工助剂的用量要求，则步骤(3)中可以再添加一定量的加工助剂。
根据本发明所述的制备方法，本发明所用的转矩流变仪和注塑机均为本领域使用的常规设备，本发明对该设备不作具体要求，本领域技术人员可以根据作业需要选择合适的设备，只要保证能够实现本发明目的即可。
本发明制备得到的耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料具有良好的中子和γ射线屏蔽性能，良好的阻燃性能；此外，该材料最高可以在150-260℃下正常工作，具有优异的耐高温性能和良好的尺寸稳定性，能够保证中子和γ射线屏蔽性能的稳定性。
此外，本发明所提供的耐高温的中子和γ射线屏蔽复合材料制备方法简单，易于操作，可适用于不同场所需求。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的耐高温的中子和γ射线屏蔽复合材料制备方法工艺流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例及说明书附图对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述份数没有特别说明的均为质量份数。
实施例1
本实施例提供了一种耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料的制备方法，其工艺流程图如图1所示，从图1中可以看出，该制备方法包括以下具体步骤；
(1)该耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料是由以下组分(如表1所示)按重量份制备得到的：
表1
原料名称 质量份数 生产厂家
聚苯硫醚 100份 日本TOSOH公司
碳化硼 30份 宁安市渤海碳化硼有限公司
铅粉 300份 北京友兴联有色金属有限公司
短切玻璃纤维 40份 轩岳科技新材有限公司
氢氧化镁 80份 潍坊海利隆镁业有限公司
环氧树脂 5份 蓝星新材料无锡树脂厂
(2)以聚苯硫醚为基体材料时，使用前，需先将其在130℃下干燥3h；阻燃功能填料氢氧化镁在使用前，需在80℃下干燥5h；
(3)将碳化硼、铅粉分别在浓度为2wt％的环氧丙酮溶液中浸泡2h后，于80℃真空干燥24h，得到干燥的碳化硼、铅粉、短切玻璃纤维；
(4)按步骤(1)计量比称取步骤(2)、步骤(3)中经处理后的各组分，然后依次将聚苯硫醚、碳化硼、铅粉、短切玻璃纤维、氢氧化镁加入注塑机加料筒共混，注入模具成型，再经退火处理后，得到所述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料；
其中，所述注塑机料管温度依次为：290℃、300℃、310℃；射嘴温度为310℃；
所述模具温度为130℃；
所述退火处理的温度为200℃，时间为3h。
实施例2
本实施例提供了一种耐高温的中子和γ射线屏蔽复合材料的制备方法，其工艺流程图如图1所示，从图1中可以看出，该制备方法包括以下具体步骤；
(1)该耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料是由以下组分(如表2所示)按重量份制备得到的：
表2
原料名称 质量份数 生产厂家
聚苯硫醚 30份 四川德阳科技股份有限公司
聚醚醚酮 100份 吉大高新材料有限公司
氮化硼 40份 辽宁硼达科技有限公司
钨粉 200份 北京友兴联有色金属有限公司
短切碳纤维 40份 卡本复合材料有限公司
氢氧化镁 100份 潍坊海利隆镁业有限公司
KH-560 1份 南京创世化工助剂有限公司
(2)以聚苯硫醚和聚醚醚酮为基体材料时，使用前，需先将其在150℃下干燥3h；阻燃功能填料氢氧化镁在使用前，需在80℃下干燥5h；
(3)将氮化硼、钨粉分别在浓度为1wt％的偶联剂的水溶液中浸泡1h后，于80℃真空干燥24h，得到干燥的氮化硼、钨粉；
(4)按步骤(1)计量比称取步骤(2)、步骤(3)中经处理后的各组分，然后依次将聚苯硫醚、聚醚醚酮、氮化硼、钨粉、短切碳纤维、氢氧化镁加入注塑机加料筒共混，注入模具成型，再经退火处理后，得到所述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料；
其中，所述注塑机料管温度依次为：360℃、370℃、380℃，射嘴温度为385℃；
所述模具温度220℃；
所述退火处理的温度为180℃，时间为2h。
实施例3
本实施例提供了一种耐高温的中子和γ射线屏蔽复合材料的制备方法，其工艺流程图如图1所示，从图1中可以看出，该制备方法包括以下具体步骤；
(1)该耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料是由以下组分(如表3所示)按重量份制备得到的：
表3
原料名称 质量份数 生产厂家
聚醚砜 40份 吉大高新材料有限公司
聚苯硫醚 60份 四川得阳科技股份有限公司；
碳化硼 30份 宁安市渤海碳化硼有限公司
铅粉 300份 北京友兴联有色金属有限公司
短切玻璃纤维 40份 轩岳科技新材有限公司
氢氧化镁 80份 潍坊海利隆镁业有限公司
环氧树脂 5份 蓝星新材料无锡树脂厂
(2)以聚醚砜和聚苯硫醚为基体材料时，使用前，需先将其在120℃下干燥2h；阻燃功能填料氢氧化镁在使用前，需在80℃下干燥5h；
(3)将碳化硼、铅粉分别在浓度为2wt％的环氧丙酮溶液中浸泡2h后，于80℃真空干燥24h，得到干燥的碳化硼、铅粉；
(4)按步骤(1)计量比称取步骤(2)、步骤(3)中经处理后的各组分，将聚醚砜、聚苯硫醚加入转矩流变仪中熔融共混，310℃熔融混炼15min，然后依次将碳化硼、铅粉、短切玻璃纤维、氢氧化镁加入加料筒共混，达到平衡扭矩后，在320℃、8MPa、保温30min进行模压成型，再进行120℃，2h后处理，得到所述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料。
测试例
1、密度：
根据GBT 1033.1-2008《塑料非泡沫塑料密度的测定》第1部分浸渍法、液体比重瓶法和滴定法中规定的浸渍法测定实施例1-3中各样品的密度。密度结果见下表4所示。
表4
本发明中的屏蔽材料 密度(g/cm3)
实施例1 3.4
实施例2 2.7
实施例3 3.4
2、热膨胀性能：
根据GBT 4339-2008《金属材料热膨胀特征参数的测定》中规定的方法测定各实施例制备的样品的平均线膨胀系数。平均线膨胀系数的结果见表5所示。
表5
本发明中的屏蔽材料 平均线膨胀系数为(10-6℃-1)
实施例1 20
实施例2 15
实施例3 10
从表5中可以看出，实施例1-3制备得到的屏蔽复合材料的平均线膨胀系数不大于20×10-6℃-1，表明本发明所提供的耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料具有良好的尺寸稳定性。
3、中子屏蔽性能：
选用252Cf中子源进行测试，中子平均能量为2.13MeV，慢化球与He-3正比计数器组成中子探测器，根据中子穿过实施例1中所制备屏蔽材料前后的中子计数，计算得出屏蔽材料对中子的屏蔽率。结果见表6所示。
表6
从表6中可以看出，厚度为2cm的该实施例1制备得到的屏蔽复合材料样品能使中子源252Cf(2.13MeV)的快中子(1MeV)屏蔽率为55％，中能中子(1-100keV)的屏蔽率为67％，慢中子(1eV)的屏蔽率为77％，表明本发明制备得到的耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料具有良好的中子屏蔽性能。
4、γ射线屏蔽性能：
选用60Coγ放射源，其平均能量为1.25MeV，用PTW型球形电离室测试γ剂量，根据γ射线穿过实施例1-3中制备的2cm厚屏蔽材料前后的剂量，计算得出屏蔽材料对γ射线的屏蔽率。结果见表7所示。
表7
本发明中的屏蔽材料 γ射线吸收率(％)
实施例1 42.0
实施例2 30.0
实施例3 42.0
从表7中可以看出，厚度为2cm的实施例1及实施例3制备得到的该屏蔽复合材料样品γ射线(60Co)的屏蔽率为42％，说明本发明制备得到的耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料具有良好的γ射线屏蔽性能。
5、阻燃性能：
依据GB/T 2408-2008《塑料燃烧性能的测定-水平法和垂直法》中规定的方法测定各实施例制备的3mm样品的垂直燃烧性能，结果见表8所示。
表8
从表8中可以看出，本发明实施例1-3制备得到的耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料的阻燃性能均可以达到UL94V-0级，说明本发明制备得到的屏蔽复合材料具有良好的阻燃性能。
6、耐热性能：
依据GB/T 7142-2002《塑料长期热暴露后时间-温度极限》中规定的方法测定各实施例制备得到的样品的温度指数(TI)，结果见表9所示。
表9
本发明中的屏蔽材料 TI(℃)
实施例1 240
实施例2 250
实施例3 240
从表9中可以看出，本发明实施例1-3制备得到的耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料可以耐受150-260℃的高温，具有优异的耐高温性能。因此，本发明制备得到的耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料可在高温环境下作为辐射防护材料使用。
如上所详细说明的内容，本发明的中子和γ射线屏蔽材料，由于其含有耐热性较高的基体材料及硼化合物、重金属元素、阻燃剂和纤维增强材料，所以，其适合于屏蔽中子和γ射线，并且具有良好的尺寸稳定性和阻燃性能。
由于本发明提供的耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料具有良好的阻燃性能、耐高温性能及尺寸稳定性，所以能够保证该屏蔽复合材料中子和γ射线屏蔽性能的稳定性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述，用于理解本发明的技术特征、目的和有益效果。本发明并不局限于上述实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料，其是由以下组分按重量份制备得到的：
基体材料 20-200份；
防辐射功能助剂 100-800份；
纤维增强材料 5-100份；
阻燃功能填料 50-150份；
加工助剂 1-10份。
2.根据权利要求1所述的屏蔽复合材料，其特征在于，所述基体材料包括聚苯硫醚、聚芳砜、聚砜、聚醚砜及聚醚醚酮中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的屏蔽复合材料，其特征在于，所述防辐射功能助剂包括碳化硼、硼化钆、氧化硼、氮化硼、硼酐、钨、铅、铜及铁中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的屏蔽复合材料，其特征在于，所述纤维增强材料包括玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维及碳纤维中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的屏蔽复合材料，其特征在于，所述阻燃功能填料包括硼酸锌、氢氧化镁及氢氧化铝中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求1所述的屏蔽复合材料，其特征在于，所述加工助剂包括环氧树脂、偶联剂及增韧剂中的一种或几种的组合。
7.根据权利要求1-6任一项所述的屏蔽复合材料，其特征在于，该屏蔽复合材料的密度为1.5-6g/cm3，平均线膨胀系数不大于20×10-6℃-1，阻燃性能达到UL94V-0级，且其耐受150-260℃的高温。
8.权利要求1-7任一项所述耐高温的中子和γ射线屏蔽复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)对基体材料及阻燃功能填料进行干燥处理，得到经干燥处理后的基体材料及阻燃功能填料；
优选地，步骤(1)所述干燥为80-180℃干燥2-8h；
(2)将防辐射功能助剂加入到环氧树脂溶液或偶联剂溶液中，浸泡后，再进行真空干燥；
优选地，步骤(2)中所述浸泡时间为1-3h；
还优选地，步骤(2)中所述真空干燥为70-80℃真空干燥24-36h；
还优选地，步骤(2)中所述环氧树脂溶液及偶联剂溶液的浓度均为0.5-5wt％；
(3)按照各组分的用量分别称取各组分，再通过注塑机或转矩流变仪共混，然后经注塑成型或模压成型后，再经退火处理，得到所述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料；
优选地，所述转矩流变仪熔融混炼温度为290-420℃，时间为10-30min；
还优选地，所述注塑机料管温度各段依次为：270-370℃、270-425℃、290-425℃；射嘴温度为290-425℃；更优选地，所述模具温度为100-420℃；
还优选地，所述模压温度为100-420℃，保压时间为10-60min。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，该制备方法步骤(3)还包括以下步骤：
按照各组分的用量分别称取各组分，然后将基体材料、防辐射功能助剂、纤维增强材料、阻燃功能填料、加工助剂依次加入到注塑机中进行共混，混合均匀后注入模具注塑成型，再经退火处理，得到所述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料；
或者，按照各组分的用量分别称取各组分，然后将基体材料加入转矩流变仪中熔融共混，再依次将防辐射功能助剂、纤维增强材料、阻燃功能填料、加工助剂加入加料筒共混，达到平衡扭矩后经模压成型，再经退火处理，得到所述耐高温中子和γ射线屏蔽复合材料。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为100-250℃，时间为1-5h。
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