DE4131274C2

DE4131274C2 - Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn

Info

Publication number: DE4131274C2
Application number: DE19914131274
Authority: DE
Inventors: Till Dipl Chem Dr Duetzmann; Heinz Werner Dipl Ing Gabriel; Herbert Dipl Ing Dr Ledermann
Original assignee: Braas GmbH
Current assignee: FDT FlachdachTechnologie GmbH and Co KG
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2011-09-21
Also published as: DE4131274A1; WO1993006602A1

Description

Die Erfindung betrifft eine neutronenabsorbierende Kunststoffbahn aus hochmolekularen wasserstoffreichen, neutronenmoderierenden Polymeren, und mit Bor enthaltenden Zuschlagstoffen.

In der Vergangenheit wurde zum Schutz gegen radioaktive oder Höhenstrahlung vor allem auf hohe Absorption von Gamma- Strahlen geachtet. Es hat sich jedoch in letzter Zeit immer deutlicher herausgestellt, daß der Anteil an Neutronen in der Strahlung zu erheblichen biologischen Schäden führen kann. Messungen beim Flugbetrieb in großen Höhen, wie er bei Interkontinental-Flügen üblich ist, haben beispielsweise ergeben, daß die Strahlenbelastung nur zu 30% durch Gamma- Strahlung, jedoch zu 70% durch Neutronen verursacht wird. Die Energie biologisch stark schädigender Neutronenstrahlung liegt im Übergangsbereich von epithermischen zu schnellen Neutronen bei etwa 0,1 MeV bis 2 MeV.

Neutronen besitzen keine Ladung und können daher ausschließlich durch die Wirkung der Kernkräfte beeinflußt und an Atomkernen gestreut werden. Solche Streuprozesse sind nach den Stoßgesetzen mit umso größerer Energieabgabe an den gestoßenen Körper verbunden, je ähnlicher seine Masse der Masse des stoßenden Körpers ist. Daher werden Neutronen beim Durchdringen wasserstoffhaltiger Substanzen besonders stark abgebremst. Langsame Neutronen, die auch als thermische Neutronen bezeichnet werden, lassen sich von Elementen mit hohem Wirkungsquerschnitt wie Cadmium oder Bor vollständig absorbieren.

Aus der DE-A 39 30 887 ist ein neutronenabsorbierendes Material bekannt, bei dem Bor in Polyethylen eingebettet ist. Das Bor kann im Polyethylen in Form von Borcarbid enthalten sein. Dabei wirkt Polyethylen neutronenmoderierend, also abbremsend, und Bor wirkt neutronenabsorbierend. Dieses Material hat sich im Ausführungsbeispiel zur Absorption thermischer Neutronen, deren Energie kleiner als 1 eV ist, als geeignet erwiesen.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine neutronenabsorbierende Kunststoffbahn zu schaffen, welche möglichst leicht ist und Neutronen insbesondere mit einer Energie im Bereich von 0,1 MeV bis 2 MeV absorbiert.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß die Kunststoffbahn weiterhin Mangan und Gadolinium enthaltende Zuschlagstoffe aufweist, wobei Mangan neben der Absorption auch der Streuung von Neutronen dient, so daß die von den Neutronen durchlaufene Strecke in der Kunststoffbahn vergrößert wird, und wobei Gadolinium neben Bor als breitbandig wirkender Neutronenabsorber dient. Gadolinium und Mangan vermögen epithermische Neutronen zu absorbieren und schnelle Neutronen zu moderieren. Die neutronenabsorbierende Wirkung der Kunststoffbahn beruht auf der Kombination von moderierenden, streuenden und absorbierenden Werkstoffen. Infolge der Anwesenheit Neutronen streuender Zuschlagstoffe ist die von gestreuten Neutronen durchlaufene Wegstrecke in der Kunststoffbahn wesentlich größer als deren geometrische Schichtdicke, so daß die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens auf einen absorbierenden Atomkern erheblich gesteigert wird.

Es ist daher möglich, bereits mit einer neutronenabsorbierenden Kunststoffbahn von relativ geringer Dicke und somit sehr geringem Gewicht eine beachtliche Schwächung der Neutronenstrahlung zu erreichen. Die Zuschlagstoffe sollen möglichst homogen verteilt und feinteilig sein, beispielsweise einen mittleren Korndurchmesser von weniger als 3 µm und eine maximale Korngröße von 40 µm aufweisen.

Als hochmolekulares wasserstoffreiches Polymer wird Polyisobutylen mit einem Staudinger-Index im Bereich zwischen 415 cm³/g und 480 cm³/g. Die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffbahn können durch Zugabe von Ethylenvinylacetat (EVA) mit einem Vinylanteil um 9 Gew.% und einem Schmelzindex 190/2 um 2,5 g/10 min oder durch Zugabe von linearem Polyethylen niedriger Dichte (VLDPE) mit einem Schmelzindex um 0,9 g/10 min und einer Vicat-Temperatur um 90°C verbessert werden. Als Gleitmittel wird niedermolekulares flüssiges Polyisobutylen mit einer kinematischen Viskosität von 7600 mm²/s empfohlen. Als Alterungsschutzmittel haben sich mehrkernige, phenolische oder substituierte Diamine bewährt.

Eine Kunststoffbahn auf der Basis von Polyisobutylen ist leicht verarbeitbar. Sämtliche Bahnennähte können durch Heißgasschweißung oder durch einfache Lösemittelquellschweißung materialhomogen miteinander verbunden werden. Die Nahtfügetechnik ist außerdem auch mit Hilfe von selbstklebenden, ebenfalls mit neutronenabsorbierenden Zuschlagstoffen versehenen Klebebändern, beispielsweise auf Basis Butylkautschuk und/oder thermoplastischen Elastomeren, durchführbar.

Zur Absorption und Streuung von Neutronen können weitere Zuschlagstoffe zugegeben sein, die Schwermetalle wie Blei, Wolfram oder Eisen enthalten. Es wird empfohlen, Mangan in Form von Braunstein zuzugeben.

Als breitbandig wirkende Neutronenabsorber ist neben Bor und Gadolinium auch Hafnium zu empfehlen, um thermische Neutronen zu absorbieren. Als Zuschlagstoffe werden Borcarbid, Gadoliniumoxid und/oder Hafniumborid bevorzugt.

Die Herstellung der Kunststoffbahn kann mit Hilfe bekannter Knettechnik im Gummikneter bzw. mit Dryblend-Mischungstechnik und nach dem Extrudier- bzw. Kalanderverfahren erfolgen. Nach dem Kalander- oder Aumaverfahren lassen sich auch Mehrschichtbahnen größerer Dicke leicht herstellen. Auf diese Weise sind Mehrschichtbahnen mit in beliebiger Reihenfolge angeordneten Schichten herstellbar, welche unterschiedliche Neutronen absorbierende bzw. streuende Zuschlagstoffe enthalten.

Eine Ein- oder Mehrschichtbahn kann im Herstellprozeß bei Bedarf mit festigkeitsverstärkendem Vlies kaschiert werden, welches beispielsweise Polyester- oder Polypropylen Stapel- oder Spinnfasern enthält. Die Kaschierung kann thermisch oder mit Hilfe eines Vliesklebers, beispielsweise auf Basis SBR- Latices, erfolgen.

Die Verklebung einer kaschierten Kunststoffbahn mit dem Untergrund kann mit gängigen Klebstoffen, beispielsweise mit Kontaktklebstoffen auf SBR- oder CR-Basis oder mit bitumenhaltigen Klebstoffen, vorgenommen werden.

Die vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich um 3 mm herstellbare Kunststoffbahn ist eine vorgefertigte, wasserdichte, UV-stabile, flexible, gut verarbeitbare und tiefziehbare Dichtungsbahn.

Neben den beschriebenen Zuschlagstoffen können inerte, anorganische Füllstoffe wie beispielsweise gecoatetes oder ungecoatetes Calciumkarbonat und/oder silikatische Füllstoffe beispielsweise mit einem mittleren Korndurchmesser zwischen 1 µm und 3 µm und einer maximalen Korngröße von 40 µm zugegeben werden, um anwendungsspezifische Eigenschaften gezielt zu beeinflussen.

Weiterhin kann die neutronenabsorbierende Kunststoffbahn mit farbgebenden anorganischen Pigmenten wie oberflächenbehandeltem Titandioxid, Zinkoxid, Chrom(III)oxid und/oder Eisenoxid, mit organischen Pigmenten oder mit Ruß bzw. einer Mischung aus Pigmenten eingefärbt sein.

Der Einsatzbereich einer derartigen Kunststoffbahn liegt vor allem bei Abschirmmaßnahmen im industriellem Bereich an fest installierten oder transportablen Einrichtungen, beispielsweise im Kernkraftwerkbereich, an Rohrleitungen, an Pumpen- und Boxensystemen oder auch bei der Abdeckung von Halden des Uranbergbaus. Die erfindungsgemäße Kunststoffbahn ist weiterhin geeignet zur Abschirmung und Abdichtung von Abfallgebinden, von Dächern exponierter Gebäude, von Straßen-, Schienen- oder Luftfahrzeugen. Weiterhin eignet sich die Kunststoffbahn zur Herstellung von Schutzkleidung und Verpackungsmaterialien.

Eine neutronenabsorbierende Kunststoffbahn weist folgende Bestandteile auf:
100 Gewichtsteile Polyisobutylen,
15-35 Gewichtsteile EVA oder VLDPE,
0,5-2 Gewichtsteile niedermolekulares Polyisobutylen,
0,5-1,5 Gewichtsteile Alterungsschutzmittel,
100-350 Gewichtsteile Füllstoffe/Pigmente,
30-60 Gewichtsteile Borcarbid,
20-50 Gewichtsteile Braunstein und
0-1 Gewichtsteile Gadoliniumoxid.

Als Füllstoffe/Pigmente können vorgesehen sein:
10-50 Gewichtsteile Pigmente,
20-80 Gewichtsteile silikatischer Füllstoff und
100-200 Gewichtsteile Calciumkarbonat.

Eine Steigerung der neutronenabsorbierenden Wirkung wird erreicht, wenn die entsprechenden Zuschlagstoffe homogen in der Kunststoffmatrix verteilt sind. Es wird empfohlen, insbesondere Seltenerdmetalle in Form metallorganischer Verbindungen oder als Salze organischer Säuren einzusetzen, beispielsweise als Stearate, welche sich durch überragende Gleitmittelwirkung und gute Dispergierbarkeit auszeichnen.

Besonders vorteilhaft ist die homogene Fixierung von Zuschlagstoffen durch Anbindung an die Kette des Polymeren. Dazu eignen sich ungesättigte, kurzkettige, polymerisierbare Verbindungen wie beispielsweise Maleate oder Acrylate.

Der neutronenabsorbierenden Kunststoffbahn können durch Barium und/oder Blei enthaltende Zusatzstoffe zusätzlich Gamma-Strahlen absorbierende Eigenschaften verliehen werden. Als Zusatzstoff wird Bariumsulfat bevorzugt, da dieses einerseits gewichtsmäßig günstiger als Bleiverbindungen ist und andererseits aufgrund seines Gehaltes an Schwefel die dosimetrische Bestimmung aufgetretener Strahlenbelastung ermöglicht.

Eine sowohl Neutronen als auch Gamma-Strahlen absorbierende Kunststoffbahn weist folgende Bestandteile auf:
100 Gewichtsteile Polyisobutylen,
15-30 Gewichtsteile EVA oder VLDPE,
0,5-2 Gewichtsteile niedermolekulares Polyisobutylen,
0,5-1,5 Gewichtsteile Alterungsschutzmittel,
300-450 Gewichtsteile Bariumsulfat,
30-80 Gewichtsteile Borcarbid,
20-60 Gewichtsteile Braunstein,
0-1 Gewichtsteile Gadoliniumoxid.

Zusätzlich kann die Kunststoffbahn 10-30 Gewichtsteile einer Pigmentmischung enthalten.

Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben.

In einem ersten Ausführungsbeispiel enthält die Kunststoffbahn, die in diesem Beispiel dunkeloliv-grün eingefärbt ist, folgende Bestandteile:
100 Gewichtsteile Polyisobutylen,
26 Gewichtsteile EVA oder VLDPE,
  1 Gewichtsteil niedermolekulares Polyisobutylen,
  1 Gewichtsteil Alterungsschutzmittel,
13 Gewichtsteile Chrom(III)oxid,
  9 Gewichtsteile Titandioxid,
42 Gewichtsteile silikatischen Füllstoff,
150 Gewichtsteile Calciumkarbonat,
40 Gewichtsteile Borcarbid,
35 Gewichtsteile Braunstein,
  0,5 Gewichtsteile Gadoliniumoxid.

Bei einer Dicke der Kunststoffbahn von 3 mm wird folgende Dosisschwächung erzielt:
auf < 50% bei thermischen Neutronen (< 100 keV)
auf < 80% bei schnellen Neutronen (Spaltspektrum).

Bei einer Dicke der Kunststoffbahn von 10 mm wird bei schnellen Neutronen eine Dosisschwächung auf < 50% erzielt.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel enthält die in diesem Beispiel dunkelbraun eingefärbte Kunststoffbahn, die sowohl Neutronen als auch Gamma-Strahlen zu absorbieren vermag, folgende Bestandteile:
100 Gewichtsteile Polyisobutylen,
26 Gewichtsteile EVA oder VLDPE,
  1 Gewichtsteil niedermolekulares Polyisobutylen,
  1 Gewichtsteil Alterungsschutzmittel,
22 Gewichtsteile braune Pigmentmischung
(Eisenoxide, Titandioxid, Ruß),
370 Gewichtsteile Bariumsulfat,
65 Gewichtsteile Borcarbid,
40 Gewichtsteile Braunstein,
  0,5 Gewichtsteile Gadoliniumoxid.

Bei einer Dicke der Bahn von 3 mm wird folgende Dosisschwächung erreicht:
auf < 10% bei 60 keV
auf < 90% bei 600 keV
auf < 75% bei Höhenstrahlung
auf < 90% beim hochenergetischen Anteil der Höhenstrahlung.

An den Kunststoffbahnen beider Ausführungsbeispiele wurden bei Prüfung nach DIN 16 726 folgende mechanische Eigenschaften in Längs- und Querrichtung gemessen:
Reißfestigkeit: < 4 N/mm²,
Reißdehnung: < 300%,
Weiterreißwiderstand: < 15 N/mm.

Die Shore A Härte beträgt ca. 80.

Claims

1. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn aus hochmolekularen, wasserstoffreichen, neutronenmoderierenden Polymeren, und mit Bor enthaltenden Zuschlagstoffen, gekennzeichnet durch

a) Mangan enthaltende Zuschlagstoffe, wobei Mangan neben der Absorption auch zur Streuung der Neutronen dient und so die von den Neutronen in der Kunststoffbahn durchlaufene Strecke vergrößert wird und
b) Gadolinium enthaltende Zuschlagstoffe, wobei Gadolinium neben Bor als breitbandig wirkender Neutronenabsorber dient.

2. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere Polyisobutylen mit einem Staudinger-Index im Bereich zwischen 415 cm³/g und 480 cm³/g ist.

3. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser weitere Zuschlagstoffe zugegeben sind, die Schwermetalle wie Blei, Wolfram oder Eisen enthalten.

4. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mangan als Braunstein vorliegt.

5. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser neben Bor und Gadolinium auch ein Hafnium enthaltender Zuschlagstoff als Neutronenabsorber zugegeben ist.

6. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Bor als Borcarbid, Gadolinium als Gadoliniumoxid und/oder Hafnium als Hafniumborid vorliegt.

7. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit festigkeitsverstärkendem Vlies kaschiert ist.

8. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese inerte feinkörnige anorganische Füllstoffe wie gecoatetes oder ungecoatetes Calciumkarbonat und/oder silikatische Füllstoffe enthält.

9. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese farbgebende Pigmente wie oberflächenbehandeltes Titandioxid, Zinkoxid, Chrom(III)oxid, Eisenoxide und/oder Ruß enthält.

10. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiterhin Gamma-Strahlen absorbierende Zusatzstoffe wie Bariumsulfat enthält.

11. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe, insbesondere die Seltenerdmetalle, in Form metallorganischer Verbindungen oder Salze organischer Säuren vorliegen.

12. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Salze organischer Säuren Stearate oder ungesättigte, kurzkettige, polymerisierbare Verbindungen wie Maleate oder Acrylate sind.

13. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus mehreren Schichten besteht, die unterschiedliche Neutronen absorbierende bzw. streuende Zuschlagstoffe enthalten.

14. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese folgende Bestandteile aufweist:
100 Gewichtsteile Polyisobutylen,
15-35 Gewichtsteile EVA oder VLDPE,
0,5-2 Gewichtsteile niedermolekulares Polyisobutylen,
0,5-1,5 Gewichtsteile Alterungsschutzmittel,
100-350 Gewichtsteile Füllstoffe/Pigmente,
100-200 Gewichtsteile Calciumkarbonat,
30- 60 Gewichtsteile Borcarbid,
20- 50 Gewichtsteile Braunstein,
0-1 Gewichtsteile Gadoliniumoxid.

15. Neutronenabsorbierende Kunststoffbahn nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese folgende Bestandteile aufweist:
100 Gewichtsteile Polyisobutylen,
15-30 Gewichtsteile EVA oder VLDPE,
0,5-2 Gewichtsteile niedermolekulares Polyisobutylen,
0,5-1,5 Gewichtsteile Alterungsschutzmittel,
10- 30 Gewichtsteile Pigmente,
300-450 Gewichtsteile Bariumsulfat,
30-80 Gewichtsteile Borcarbid,
20-60 Gewichtsteile Braunstein und
0-1 Gewichtsteile Gadoliniumoxid.