CN108084665A - 一种环氧树脂基中子屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环氧树脂基中子屏蔽材料及其制备方法，该材料由环氧树脂基体复合碳化硼填料制备而成，其中所用的环氧树脂为邻甲酚醛环氧树脂，固化剂为酚醛树脂，固化促进剂为咪唑或咪唑类化合物。本发明还公开了其制备方法。本发明制备的环氧树脂/碳化硼复合材料具有优异的中子屏蔽性能。本发明工艺操作简单，成本低，易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及中子屏蔽材料技术领域，尤其涉及一种环氧树脂基中子屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
中子是构成原子核的基本粒子之一，本身并不带电，但由于其在材料中具有很强的穿透能力，因而被广泛应用于国防、科研、核电、医疗及探测等领域。然而，中子辐照会使材料内部产生缺陷和位错等损伤，导致材料性能发生劣化。同时，中子的位移效应产生的大量次级粒子会与组织细胞发生作用，从而对人体健康产生巨大威胁和伤害。因此，研制综合性能优异的中子屏蔽材料具有重要的现实意义。
中子屏蔽主要包括两个作用过程：①快中子首先与轻核元素原子发生弹性散射或与重核元素原子发生非弹性散射，从而慢化成能量较低的热中子；②热中子被吸收截面较大的元素原子俘获吸收。许多高原子序数物质在吸收热中子时常伴有高能γ辐射，比如钴、钨等金属，因此还需额外采用重金属材料对产生的高能γ射线进行屏蔽。10B核素的中子吸收截面高达3837b，而且俘获后不会产生二次γ射线。因此，含硼化合物是非常理想的中子屏蔽填料。低原子序数的元素(如氢)经弹性散射可以使快中子能量降低，所以氢元素含量高的物质(如石蜡、聚乙烯和环氧树脂等)成为了理想的中子慢化材料。国内外学者针对中子辐射屏蔽材料都做了比较多的研究，氮化硼(BN)/高密度聚乙烯复合材料具有良好的中子屏蔽性能；通过热等静压技术制备的铝基碳化硼中子屏蔽复合材料综合力学性能优异。然而，含硼化合物/高密度聚乙烯复合材料中，聚乙烯熔点比较低(125-135℃)，其无法长期用于100℃以上环境中，而且聚乙烯的耐辐照性能较差，辐照后容易脆化；铝基碳化硼复合材料的制备工艺较为复杂，造价高昂，且密度相对较大。环氧树脂是一种广泛应用于核技术领域的基体材料，其固化后形成三维交联网络结构，具有优异的耐化学腐蚀性能、耐高温性能和耐辐射性能。CN102529239B、CN103619949B和CN103937160B等公开了多种制备环氧树脂基中子屏蔽材料的方法，但其配方均涉及液态原料或者稀释剂，甚至包含挥发性有毒组分，既不利于混匀操作，又会造成环境污染以及健康伤害。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种环氧树脂基中子屏蔽材料，其为一种中子屏蔽性能优异的环氧树脂组合物。
本发明的另一目的是提供一种全固态配方的制备上述环氧树脂基中子屏蔽材料的方法，该材料是由环氧树脂基体复合碳化硼填料制备而成。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种环氧树脂基中子屏蔽材料，包括环氧树脂、选用酚醛树脂的固化剂、选用咪唑或咪唑衍生物的固化促进剂、选用碳化硼的填料。
进一步的为更好地实现本发明所述环氧树脂基中子屏蔽材料，特别采用下述设置方式：所述环氧树脂采用邻甲酚醛环氧树脂。
进一步的为更好地实现本发明所述环氧树脂基中子屏蔽材料，特别采用下述设置方式：所述的邻甲酚醛环氧树脂，其环氧值为0.45～0.50eq/100g，结构式为：
进一步的为更好地实现本发明所述环氧树脂基中子屏蔽材料，特别采用下述设置方式：所述酚醛树脂为线性结构酚醛树脂。
进一步的为更好地实现本发明所述环氧树脂基中子屏蔽材料，特别采用下述设置方式：所述选用咪唑或咪唑衍生物的固化促进剂为以下一种咪唑化合物或多种咪唑化合物的混合物：咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2-苯基咪唑和1-氰乙基-2-苯基咪唑。
一种制备所述的环氧树脂基中子屏蔽材料的方法，该方法包括以下步骤：
1)将环氧树脂(邻甲酚醛环氧树脂)、酚醛树脂、固化促进剂、碳化硼粉碎混匀；
2)将1)所得混合料加热并熔融；
3)将2)所得的熔融物热压成型，再加热并保持，脱模后即得成品。
进一步的为更好地实现本发明所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料的制备方法，特别采用下述设置方式：所述环氧树脂(邻甲酚醛环氧树脂)和酚醛树脂的质量比为1.0-3.0，固化促进剂以环氧树脂(邻甲酚醛环氧树脂)和酚醛树脂的总质量计为0.5％-2％。
进一步的为更好地实现本发明所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料的制备方法，特别采用下述设置方式：所述碳化硼以环氧树脂、酚醛树脂和固化促进剂的总质量计为1％-100％。
进一步的为更好地实现本发明所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料的制备方法，特别采用下述设置方式：在所述步骤2)中混合料加热至110～130℃熔融，优选加热到120℃熔融；所述步骤3)中加热温度为150～200℃，且保持的时间为10～30min。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：
1.由于本发明技术所用的邻甲酚醛环氧树脂基体材料具有优异的粘接性，与填料粒子的界面作用力强，使得该复合材料体系具有良好的相容性。
2.由于本发明技术所用含硼化合物填料为碳化硼，该填料相对于其它含硼化合物具有更高的硼含量，从而使得所制备的环氧树脂/碳化硼复合材料具有极为优异的中子屏蔽性能。
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下有益效果：
1.由于本发明技术所用的原料常温常压下均为脆性固体，易于粉碎混匀，不涉及任何挥发性有毒组分或有难闻气味组分，操作便利安全。
2.由于本发明技术所用的基体材料为邻甲酚醛环氧树脂，该环氧树脂固化物力学强度高、耐热性好，使得所制备的环氧树脂/碳化硼复合材料具有优异的机械性能和耐热性。
3.由于本发明工艺操作简单，成本低，易于推广。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
所制得的环氧树脂/碳化硼复合材料的主要性能见附表。
实施例1：
先将6.8g邻甲酚醛环氧树脂、3.2g酚醛树脂、0.1g2-甲基咪唑和0.101g碳化硼粉碎混匀，将混合料加热到120℃熔融，再将熔融物热压成型，最后将其加热到180℃并保持15分钟，然后脱模。
实施例2：
先将6.8g邻甲酚醛环氧树脂、3.2g酚醛树脂、0.1g2-甲基咪唑和1.1g碳化硼粉碎混匀，将混合料加热到120℃熔融，再将熔融物热压成型，最后将其加热到180℃并保持15分钟，然后脱模。
实施例3：
先将6.8g邻甲酚醛环氧树脂、3.2g酚醛树脂、0.1g2-甲基咪唑和4.3g碳化硼粉碎混匀，将混合料加热到120℃熔融，再将熔融物热压成型，最后将其加热到180℃并保持15分钟，然后脱模。
实施例4：
先将6.8g邻甲酚醛环氧树脂、3.2g酚醛树脂、0.1g2-甲基咪唑和10.1g碳化硼粉碎混匀，将混合料加热到120℃熔融，再将熔融物热压成型，最后将其加热到180℃并保持15分钟，然后脱模。
实施例5：
先将5g邻甲酚醛环氧树脂、5g酚醛树脂、0.05g咪唑和4.3g碳化硼粉碎混匀，将混合料加热到120℃熔融，再将熔融物热压成型，最后将其加热到180℃并保持20分钟，然后脱模。
实施例6：
先将7.5g邻甲酚醛环氧树脂、2.5g酚醛树脂、0.2g2-乙基咪唑和4.4g碳化硼粉碎混匀，将混合料加热到120℃熔融，再将熔融物热压成型，最后将其加热到180℃并保持15分钟，然后脱模。
实施例7：
先将6.8g邻甲酚醛环氧树脂、3.2g酚醛树脂、0.1g2-苯基咪唑和4.3g碳化硼粉碎混匀，将混合料加热到120℃熔融，再将熔融物热压成型，最后将其加热到150℃并保持30分钟，然后脱模。
实施例8：
先将6.8g邻甲酚醛环氧树脂、3.2g酚醛树脂、0.1g1-氰乙基-2-苯基咪唑和4.3g碳化硼粉碎混匀，将混合料加热到120℃熔融，再将熔融物热压成型，最后将其加热到200℃并保持10分钟，然后脱模。
附表：
实施例A为无填料环氧树脂固化物(未加碳化硼填料，其它原料投入量和工艺同实施例1)。
实施例9：
一种环氧树脂基中子屏蔽材料，本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，包括环氧树脂、选用酚醛树脂的固化剂、选用咪唑或咪唑衍生物的固化促进剂、选用碳化硼的填料；在环氧树脂的选取时，优选采用环氧值为0.45～0.50eq/100g的邻甲酚醛环氧树脂，邻甲酚醛环氧树脂的结构式为：
实施例10：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述环氧树脂基中子屏蔽材料，特别采用下述设置方式：所述酚醛树脂为线性结构酚醛树脂。
实施例11：
本实施例是在实施例9或10的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述环氧树脂基中子屏蔽材料，特别采用下述设置方式：所述选用咪唑或咪唑衍生物的固化促进剂为以下一种咪唑化合物或多种咪唑化合物的混合物：咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2-苯基咪唑和1-氰乙基-2-苯基咪唑。即固化促进剂为咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2-苯基咪唑和1-氰乙基-2-苯基咪唑中至少一种。
实施例12：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，一种制备所述的环氧树脂基中子屏蔽材料的方法，该方法包括以下步骤：
1)将环氧树脂(邻甲酚醛环氧树脂)、酚醛树脂、固化促进剂、碳化硼粉碎混匀；
2)将1)所得混合料加热并熔融；
3)将2)所得的熔融物热压成型，再加热并保持，脱模后即得成品。
实施例13：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料的制备方法，特别采用下述设置方式：所述环氧树脂(邻甲酚醛环氧树脂)和酚醛树脂的质量比为1.0-3.0，固化促进剂以环氧树脂(邻甲酚醛环氧树脂)和酚醛树脂的总质量计为0.5％-2％。
实施例14：
本实施例是在实施例12或13的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料的制备方法，特别采用下述设置方式：所述碳化硼以环氧树脂、酚醛树脂和固化促进剂的总质量计为1％-100％。
实施例15：
本实施例是在实施例12或13或14的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料的制备方法，特别采用下述设置方式：在所述步骤2)中混合料加热至110～130℃熔融，优选加热到120℃熔融；所述步骤3)中加热温度为150～200℃，且保持的时间为10～30min。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种环氧树脂基中子屏蔽材料，其特征在于：包括环氧树脂、选用酚醛树脂的固化剂、选用咪唑或咪唑衍生物的固化促进剂、选用碳化硼的填料。
2.根据权利要求1所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料，其特征在于：所述环氧树脂采用邻甲酚醛环氧树脂。
3.根据权利要求2所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料，其特征在于：所述的邻甲酚醛环氧树脂，其环氧值为0.45～0.50eq/100g，结构式为：
4.根据权利要求1或2或3所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料，其特征在于：所述酚醛树脂为线性结构酚醛树脂。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料，其特征在于：所述选用咪唑或咪唑衍生物的固化促进剂为以下一种咪唑化合物或多种咪唑化合物的混合物：咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2-苯基咪唑和1-氰乙基-2-苯基咪唑。
6.一种制备权利要求1～5任一项所述的环氧树脂基中子屏蔽材料的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)将环氧树脂、酚醛树脂、固化促进剂、碳化硼粉碎混匀；
2)将1)所得混合料加热并熔融；
3)将2)所得的熔融物热压成型，再加热并保持，脱模即得。
7.根据权利要求6所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于：所述环氧树脂和酚醛树脂的质量比为1.0-3.0，固化促进剂以环氧树脂和酚醛树脂的总质量计为0.5％-2％。
8.根据权利要求6或7所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于：所述碳化硼以环氧树脂、酚醛树脂和固化促进剂的总质量计为1％-100％。
9.根据权利要求6或7所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤2)中混合料加热至110～130℃熔融。
10.根据权利要求6或7所述的一种环氧树脂基中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中加热温度为150～200℃，且保持的时间为10～30min。
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