CN107887046A - 一种柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料及其制备方法，材料由聚合物，氧化石墨烯，中子功能屏蔽组分和添加剂组成。聚合物由聚乙烯醇和丙烯酸交联而成。中子功能屏蔽组分为硼酸。添加剂包括引发剂硫酸铵与交联剂N,N‑亚甲基双丙烯酰胺。氧化石墨烯为单层氧化石墨烯、多层氧化石墨烯或二者不同的比例的组合。本发明将原料依次经过各组分水溶液的制备、各组分水溶液依次混合、恒温下密封反应、透析，最终得到产品。本发明柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料及其制备方法是具有柔性，高的中子屏蔽性能，优秀的机械性能，高弹性，制备工艺简单，可以作为中子屏蔽防护服的材料。

Description

一种柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料及其制备方法

技术领域：

本发明属于核辐射防护领域、核辐射屏蔽材料制备技术领域，尤其涉及一种柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料及其制备方法。

背景技术：

随着核科学技术的发展和应用领域的日益广泛，人员在有中子辐射场下工作的情况不可避免，中子对人体会造成巨大的伤害，利用柔性高效的中子屏蔽材料制成的屏蔽服对人体进行防护是非常有必要的。另外，一些形状复杂的机械设备也需要柔性中子屏蔽材料进行防护。

传统的中子防护材料以重金属，含硼聚乙烯和混凝土为主。但这些材料都不具有柔性和高弹性的特征。近年来发展了一系列的新型聚合物基体中子材料，例如以硅胶为基体的柔性屏蔽材料(CN104910629A)，但是硅胶的氢含量低，中子屏蔽性能有限。水凝胶是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水基团。亲水基团将水分子锁在网状内部。石墨烯具有比传统碳材料更加优异的热、电及力学等性能，是一种增强复合材料导电性能、机械性能和热性能的优良纳米填料，成为了当今世界材料领域的研究热点。因此，用石墨烯作为水凝胶增强材料已掀起了科学界一个新的科研浪潮。氧化石墨烯比石墨烯具有更好的亲水性，更适合用于增强水凝胶。

水凝胶作为一种生物相容性高，含氢量高的材料非常适合作为中子屏蔽材料使用(CN101671441A，CN 103289272 A)。但是这些已公开的水凝胶辐射防护材料不具有柔性的特征，并且力学性能较低，不适合应用于类似防护服需要柔性屏蔽材料的场合。

发明内容：

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料及其制备方法，其具有较高的中子屏蔽性能，良好的机械性能，高柔性，高弹性，工艺简单，成本低的优点。

本发明采用如下技术方案：一种柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料，由聚合物，氧化石墨烯，中子功能屏蔽组分和添加剂组成，所述聚合物由聚乙烯醇和丙烯酸交联而成，按重量份计聚乙烯醇5-10份，丙烯酸90-95份，氧化石墨烯0.05-0.5份，中子屏蔽功能组分2-10份，添加剂0.4-0.8份。

进一步地，所述中子功能屏蔽组分为硼酸。

进一步地，所述添加剂包括引发剂硫酸铵与交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，两者在材料中重量份分别为0.2-0.25份，0.2-0.5份。

进一步地，所述氧化石墨烯为单层氧化石墨烯、多层氧化石墨烯或二者不同的比例的组合。

本发明还采用如下技术方案：一种柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料的制备方法，步骤如下：

(1)、水溶液的制备：将丙烯酸溶解于去离子水中，得到丙烯酸水溶液；将一种或几种中子功能屏蔽组分溶解于水中；将聚乙烯醇在100℃条件下溶解于去离子水中；

(2)、溶液的混合：将步骤(1)得到的聚乙烯醇溶液冷却到50℃后加入步骤(1)得到的丙烯酸水溶液，用磁力搅拌器搅拌1分钟混合均匀；

(3)、添加中子功能屏蔽组分：将氧化石墨烯水溶液中加入含中子功能屏蔽组分的水溶液，用磁力搅拌器高速搅拌2分钟，放入反应釜中在200℃条件下反应48小时，用后放入步骤2所得的溶液中；

(4)、初步反应：在氮气保护下加入引发剂和交联剂并在45℃条件下恒温反应0.5小时；

(5)、凝胶反应：将反应容器密封，在70摄氏度条件下反应10个小时形成凝胶；

(6)、透析：配制含相同浓度的中子功能屏蔽组分缓冲溶液，用半透膜对步骤(5)得到凝胶进行透析得到纳米复合水凝胶。

本发明具有如下有益效果：

(1).本发明柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料通过添加氧化石墨烯并且将中子功能屏蔽填料部分附着于氧化石墨烯上，避免了添加填料导致材料力学性能、弹性和柔性降低。具有柔性，高的中子屏蔽性能，优秀的机械性能，高弹性，制备工艺简单的优点，可以作为中子屏蔽防护服的材料。

(2).将聚乙烯醇和丙烯酸作为水凝胶的交联体系，从而获得良好的柔性，同时添加氧化石墨烯能够增加体系中的羟基浓度，从而增强体系强度与弹性。

(3).在聚乙烯醇和丙烯酸交联体系中加入将硼酸，硫酸锂，氯化锂和硼酸钠中的一种或几种材料，能够提高水凝胶热中子吸收性能。

具体实施方式：

本发明柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料，由聚合物，氧化石墨烯，中子功能屏蔽组分和添加剂组成，聚合物由聚乙烯醇和丙烯酸交联而成，按重量份计聚乙烯醇5-10份，丙烯酸90-95份，氧化石墨烯0.05-0.5份，中子屏蔽功能组分2-10份，添加剂0.4-0.8份。其中由聚乙烯醇和丙烯酸交联得到的交联体系具有柔性好，弹性高，含氢量高的特点，能够满足防护服等应用场合的要求，并且具有较高的中子屏蔽性能。

其中中子功能屏蔽组分为硫酸锂、氯化锂、硼酸钠或硼酸中的一种或几种材料的混合。¹⁰B与⁶Li具有很高的热中子吸收截面，硼酸钠和硼酸中含有B，硫酸锂中含有Li，可以对热中子进行有效的吸收，提高中子屏蔽性能。

其中添加剂包括引发剂硫酸铵(APS)与交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)，两者在材料中重量份分别为0.2-0.25份，0.2-0.5份。

其中氧化石墨烯为单层氧化石墨烯、多层氧化石墨烯或二者不同的比例的组合，占重量份0.05-0.5。氧化石墨烯的片层结构能够有效的增强水凝胶交联体系的机械性能，并且其表面的羧基，酚羟基和环氧基团与基体有较强的界面结合。氧化石墨烯能够增加体系中的羟基浓度，从而增强体系强度与弹性。易于分散均匀，不易团聚，不会引入大量缺陷。

本发明将原料依次经过各组分水溶液的制备、各组分水溶液依次混合、恒温下密封反应、透析，最终得到产品，其详细制备方法如下：

(1)、水溶液的制备：将丙烯酸溶解于去离子水中，得到丙烯酸水溶液；将一种或几种中子功能屏蔽组分溶解于水中；将聚乙烯醇在100℃条件下溶解于去离子水中；

(2)、溶液的混合：将步骤(1)得到的聚乙烯醇溶液冷却到50℃后加入步骤(1)得到的丙烯酸水溶液，用磁力搅拌器搅拌1分钟混合均匀；

(3)、添加中子功能屏蔽组分：将氧化石墨烯水溶液中加入含中子功能屏蔽组分的水溶液，用磁力搅拌器高速搅拌2分钟，放入反应釜中在200℃条件下反应48小时，用后放入步骤2所得的溶液中；

(4)、初步反应：在氮气保护下加入引发剂和交联剂并在45℃条件下恒温反应0.5小时；

(5)、凝胶反应：将反应容器密封，在70摄氏度条件下反应10个小时形成凝胶；

(6)、透析：配制含相同浓度的中子功能屏蔽组分缓冲溶液，用半透膜对步骤(5)得到凝胶进行透析得到纳米复合水凝胶。

下面通过三个实施例来具体说明本发明柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料及其制备方法。

实施例1：

本发明柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料的各组分重量例如下：

本发明柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料的制备方法，步骤如下：

(1)、水溶液的制备：将95g丙烯酸溶解于去200ml离子水中，得到丙烯酸水溶液，将8g硼酸溶解于100mL水中，将10g聚乙烯醇在100℃条件下溶解于去200mL离子水中；

(2)、溶液的混合：将步骤(1)得到的聚乙烯醇溶液冷却到50℃后加入步骤(1)得到的丙烯酸水溶液，用磁力搅拌器搅拌1分钟混合均匀；

(3)、添加中子屏蔽组分：将氧化石墨烯水溶液中加入溶解了中子功能屏蔽组分的水溶液，用磁力搅拌器高速搅拌2分钟，放入反应釜中在200℃条件下反应48小时，用后放入步骤2所得的溶液中；

(4)、初步反应：在氮气保护下加入引发剂和交联剂并在45℃条件下恒温反应0.5小时；

(5)、凝胶反应：将反应容器密封，在70摄氏度条件下反应10个小时形成凝胶；

(6)、透析：配制含相同浓度的中子功能屏蔽组分缓冲溶液，用半透膜对步骤(5)得到凝胶进行透析得到纳米复合水凝胶。

材料的力学性能：

密度g/cm2	拉伸强度MPa	断裂伸长率％
			0.987	1.1	510

中子屏蔽能力：材料厚度为1cm反应堆热中子流强度1×10⁵n/cm²/s，能量0.025eV的中子源屏蔽率为97.7％。

实施例2：

本发明柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料的各组分重量例如下：

本发明柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料的制备方法，步骤如下：

(1)、水溶液的制备：将90g丙烯酸溶解于去200ml离子水中，得到丙烯酸水溶液，将6g硼酸和6g硫酸锂溶解于100mL水中，将15g聚乙烯醇在100℃条件下溶解于去200mL离子水中；

(2)、溶液的混合：将步骤(1)得到的聚乙烯醇溶液冷却到50℃后加入步骤(1)得到的丙烯酸水溶液，用磁力搅拌器搅拌1分钟混合均匀；

(3)、添加中子屏蔽组分：将氧化石墨烯水溶液中加入溶解了中子功能屏蔽组分的水溶液，用磁力搅拌器高速搅拌2分钟，放入反应釜中在200℃条件下反应48小时，用后放入步骤2所得的溶液中；

(4)、初步反应：在氮气保护下加入引发剂和交联剂并在45℃条件下恒温反应0.5小时；

(5)、凝胶反应：将反应容器密封，在70摄氏度条件下反应10个小时形成凝胶；

(6)、透析：配制含相同浓度的中子功能屏蔽组分缓冲溶液，用半透膜对步骤(5)得到凝胶进行透析得到纳米复合水凝胶。

材料的力学性能：

密度g/cm2	拉伸强度MPa	断裂伸长率％
			0.995	0.9	480

中子屏蔽能力：材料厚度为1cm反应堆热中子流强度1×10⁵n/cm²/s，能量0.025eV的中子源屏蔽率为98.6％。

实施例3：

本发明柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料的各组分重量例如下：

本发明柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料的制备方法，步骤如下：

(1)、水溶液的制备：将90g丙烯酸溶解于去200ml离子水中，得到丙烯酸水溶液，将10g氯化锂溶解于100mL水中，将10g聚乙烯醇在100℃条件下溶解于去200mL离子水中。

(2)、溶液的混合：将步骤(1)得到的聚乙烯醇溶液冷却到50℃后加入步骤(1)得到的丙烯酸水溶液，用磁力搅拌器搅拌1分钟混合均匀；

(3)、添加中子屏蔽组分：将氧化石墨烯水溶液中加入含中子功能屏蔽组分的水溶液，用磁力搅拌器高速搅拌2分钟，放入反应釜中在200℃条件下反应48小时，用后放入步骤2所得的溶液中；

(4)、初步反应：在氮气保护下加入引发剂和交联剂并在45℃条件下恒温反应0.5小时；

(5)、凝胶反应：将反应容器密封，在70摄氏度条件下反应10个小时形成凝胶；

(6)、透析：配制含相同浓度的中子功能屏蔽组分缓冲溶液，用半透膜对步骤(5)得到凝胶进行透析得到纳米复合水凝胶。

材料的力学性能：

密度g/cm2	拉伸强度MPa	断裂伸长率％
			0.955	1.2	532

中子屏蔽能力：材料厚度为1cm反应堆热中子流强度1×10⁵n/cm²/s，能量0.025eV的中子源屏蔽率为97.4％。

本发明工艺特殊性：

1.将聚乙烯醇和丙烯酸作为水凝胶的交联体系，从而获得良好的柔性，同时添加氧化石墨烯能够增加体系中的羟基浓度，从而增强体系强度与弹性。

2.在聚乙烯醇和丙烯酸交联体系中加入硼酸，提高水凝胶热中子吸收性能，将硼酸挂在氧化石墨烯片层结构上，能够增加力学强度、柔性与弹性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料，其特征在于：由聚合物，氧化石墨烯，中子功能屏蔽组分和添加剂组成，所述聚合物由聚乙烯醇和丙烯酸交联而成，按重量份计聚乙烯醇5-10份，丙烯酸90-95份，氧化石墨烯0.05-0.5份，中子屏蔽功能组分2-10份，添加剂0.4-0.8份。

2.如权利要求1所述的柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料，其特征在于：所述中子功能屏蔽组分为硼酸。

3.如权利要求1所述的柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料，其特征在于：所述添加剂包括引发剂硫酸铵与交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺，两者在材料中重量份分别为0.2-0.25份，0.2-0.5份。

4.如权利要求1所述的柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料，其特征在于：所述氧化石墨烯为单层氧化石墨烯、多层氧化石墨烯或二者不同的比例的组合。

5.一种如权利要求1所述的柔性氧化石墨烯水凝胶中子辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：

(1)、水溶液的制备：将丙烯酸溶解于去离子水中，得到丙烯酸水溶液；将一种或几种中子功能屏蔽组分溶解于水中；将聚乙烯醇在100℃条件下溶解于去离子水中；

(2)、溶液的混合：将步骤(1)得到的聚乙烯醇溶液冷却到50℃后加入步骤(1)得到的丙烯酸水溶液，用磁力搅拌器搅拌1分钟混合均匀；

(3)、添加中子功能屏蔽组分：将氧化石墨烯水溶液中加入含中子功能屏蔽组分的水溶液，用磁力搅拌器高速搅拌2分钟，放入反应釜中在200℃条件下反应48小时，用后放入步骤2所得的溶液中；

(4)、初步反应：在氮气保护下加入引发剂和交联剂并在45℃条件下恒温反应0.5小时；

(5)、凝胶反应：将反应容器密封，在70摄氏度条件下反应10个小时形成凝胶；

(6)、透析：配制含相同浓度的中子功能屏蔽组分缓冲溶液，用半透膜对步骤(5)得到凝胶进行透析得到纳米复合水凝胶。