MX2008007245A - Material protector contra radiacion, de ceramica enlazada quimicamente y metodo para su separacion. - Google Patents

Abstract

Una composición de material y método para formar un miembro protector contra radiación a temperaturas ambientales en la cual la composición del material incluye una matriz cerámica a base de cemento de óxido-fosfato enlazado químicamente, "vitrificada en frío"; con uno o más materiales de protección contra radiacion preparados y distribuidos apropiadamente, dispersos en la matriz cerámica a base de cemento de óxido-fosfato enlazado químicamente, "vitrificado en frío".

Description

MATERIAL PROTECTOR CONTRA RADIACIÓN , DE CERÁM ICA ENLAZADA QUÍMICAME NTE Y MÉTODO PARA SU PREPARACIÓN Antecedentes de la i nvención Campo de la i nvención La presente invención se refiere al campo de cerámica de óxido-fosfato enlazada qu ímicamente, y más particularmente a cerámica de óxido-fosfato enlazada químicamente que tiene características únicas de protección contra radiación . Descripción de la técnica relacionada La contención , encapsulación y protección contra radiación , incluyendo protección contra ondas electromagnéticas y microondas, es de importancia considerable y cada vez mayor en una sociedad avanzada tecnológicamente. Si bien la generación de energ ía nuclear ofrece una alternativa para las fuentes de energ ía combustible fósil , la contención de materiales de desecho actualmente elevan los cosos, , disminuyendo así la factibilidad económica total de la generación de energ ía. Otros materiales radiactivos, tales como desechos médicos, desechos industriales, desechos por ordenanzas de uranio empobrecido , y similares, también experimentan los mismos problemas de almacenamiento, protección y contención . Adicionalmente, la proliferación de dispositivos electrónicos ha aumentado la necesidad de proporcionar protección electromagnética efectiva . Los dispositivos electrónicos tales como teléfonos celulares, hornos de microondas y similares, • pueden requerir protección contra la energía electromagnética que bloquee la energ ía irradiada para que no se dirija hacia el usuario. El campo de diagnóstico médico también hace uso amplio de materiales radiactivos para ayud ar en la detección de enfermedades humanas. El uso de rayos X y otras formas de material radiactivo para detectar estos problemas ha proporcionado a los doctores un entendimiento valioso en la condición médica de los pacientes. Las desventajas de estos métodos de diagnóstico incluyen la barrera necesaria para proteger al paciente y al personal médico de la exposición no deseada a la radiación y a otras formas de energía electromagnética. Los diagnósticos médicos actuales con radiactividad hacen amplio uso del plomo como material protector. Por ejemplo, un paciente puede usar un chaleco forrado en plomo para reducir al mínimo la exposición durante una radiografía. Los tableros de placas divisorias forradas en plomo se utilizan ampliamente para proporcionar protección contra la radiación X primaria y secundaria producida por el haz de rayos X primario , así como también por la difusión del haz de rayos X primarios durante las radiografías. La máquina de rayos X en sí misma puede requerir una protección significativa, tal como la que proporcionan láminas de plomo, para evitar la exposición indebida de seres humanos a los materiales radiactivos. La protección metálica con plomo se utiliza extensivamente debido a que permite la protección eficiente sin consumir espacio indebido. Por ejemplo, se puede i mplementar una lámina de plomo de menos de 2.5 cm (una pulgada) de espesor para proteger una máquina de rayos X. Las desventajas de la protección con plomo incluyen la masa de plomo, la dificultad de formar estructuras para sostener la lámina de plomo en su lugar, el deseo de estructuras estéticamente agradables, así como también los riesgos carcinógenos bien documentados para la saludo humana en la exposición al plomo y su manipulación , y similares. Las barreras existentes de yeso unido con forro de plomo son muy laboriosas de instalar apropiadamente como barreras contra rayos X primarios y secundarios en los consultorios e instalaciones de rayos X dentales y médicos. Otra protección contra radiación tiene que incluir la fabricación de barreras de pared que no sean de plomo, que puedan reemplazar efectivamente el estándar existente en la industria de barrera de pared de yeso unida a un forro de plomo utilizada en consultorios e instalaciones de rayos X médicas y dentales en todo el mundo. Las estaciones espaciales, satélites y naves espaciales son otras áreas de uso posible para la presente invención, dado que se sabe que las formas de materiales protectores de radiación disponibles, tales como hojas y láminas de aluminio materiales dependientes de plomo y otros métodos de protección contra radiación propuestos, son mínimamente efectivos, requieren espesores prohibitivos que contribuyen a problemas de pesos, algunas veces son de naturaleza tóxica y con frecuencia son voluminosos con relación a la necesidad de desarrollar materiales de protección contra radiación compuestos, relativamente fáciles de reparar, duraderos, fuertes, versátiles, que proporcionen barrera protectora con confiabilidad única en un entorno en el espacio. El uso de materiales cementosos para contener y proteger materiales radiactivos, que se describe en la patente estadounidense número 6,565,647, titulada : Composición Cementosa de Concreto Lanzado, la cual está incorporada aqu í mediante referencia en su totalidad , puede ser problemático, dado que los sistemas a base de Cemento Portland/concreto implementan un enlace de hidrógeno débil (en comparación con enlace iónico y enlace covalente). También estos sistemas a base de cemento Portíand sufren de altos niveles de porosidad (en comparación con otras matrices, tales como material de base polimérica y cerámicas de óxido-fosfato enlazadas químicamente), problemas de corrosión y agrietamiento. Las matrices de cemento Portíand también requieren un curado extenso (veintiún d ías) para asegurar la formación apropiada de la matriz. Otras alternativas, tales como una matriz de base polimérica, pueden ofrecer menor porosidad pero pueden degradarse cuando se exponen a solventes orgánicos y a materiales con alto o con bajo pH . Las matrices de cemento Portíand también son susceptibles de ataque corrosivo por parte de una variedad de materiales que comúnmente se encuentran en los desechos radiactivos. Los materiales de cemento cerámico cocidos en frío , tales como los que se describe en la patente estadounidense número 5 ,830,81 5, titulada: Método de estabilización de desechos por medio de cerámicas enlazadas con fosfato, en la patente estadou nidense número 6,204,214, titulada: Cerámicas enlazadas con fosfato bombeables/inyectables, en la patente estadounidense número 6,51 8 , 21 2, titulada: Cerámicas de fosfo-silicato enlazadas químicamente, y en la patente estadounidense número 6,787,495, titulada: Material refractario de múltiples propósitos, todas ellas incorporadas aqu í mediante referencia en su totalidad , no descri ben o sugieren incorporar mezclas de compuesto radiopaco y por lo tanto no proporcionan cualidades de protección contra radiación . En una modalidad ejemplar de la patente '81 5, se muestra como típica la siguiente reacción de óxido de magnesio-ácido fosfórico: MgO+ H 3PO4+ H20 ? MgH P04 " 3H20 La patente '81 5 contempla otros óxidos metálicos, incluyendo óxidos de aluminio, óxidos de hierro, y óxidos de calcio, óxidos de bario, óxidos de bismuto, óxidos de gadolinio, óxidos de zirconio y óxidos de tungsteno. La reducción al m ínimo del pH de la reacción , en comparación con un ácido fosfórico (es decir, una reacción más básica) se logra mediante el uso de un carbonato, bicarbonato o hidróxido de un metal monovalente que reacciona con el ácido fosfórico antes de reaccionar con el óxido metálico o con el hid róxido metálico. Otros metales contemplados (?') son potasio , sodio, tungsteno, y litio. Un ejemplo de reacción parcial descrito en la patente '81 5 es: H3P04 + M 2CO 3 + OxidoM'? M 1 HP04 Adicionalmente el uso de un difosfato hidrogenado para formar la cerámica con un pH mayor (en comparación con el uso de ácido fosfórico) también se indicó en la siguiente reacción : MgO + LiH2P04 + nH20? M gLiP04 ' (n + 1 )H20 Los materiales cerámicos cocidos o curados a baja y alta temperatura según se escribe en la publicación de solicitud de patente estadounidense No. 2006006601 3 titulada : Proceso a baja temperatura para elaborar materiales radiopacos utilizando desechos industriales o agrícolas como materias primas (por ejemplo a varios cientos de grados Celsius) no ofrecen una alternativa viable para estructuras de cerámica enlazad as con óxido-fosfato cocidas en frío. Las altas temperaturas de curado pueden evitar que los materiales se utilicen en contención de desechos y las aplicaciones de protección , dado que el cocido a alta temperatura (por encima de varios cientos de grados Celsius) requiere que los componentes sean formados y cocidos en una ubicación remota antes del transporte y ensamblaje en la ubicación deseada. Las cerámicas con cu rado a alta tem peratura pueden no ser prácticas para formar componentes grandes debido a los requisitos de cocido. La formación in-situ de cerámicas cocidas para contención de desechos puede ser problemática debido a los desechos que están siendo contenidos y la ubicación de almacenamiento final . Se puede liberar amoniaco durante el proceso de cocción . La inclusión de amoniaco en la matriz de cerámica puede ser perjudicial para la formación resultante. En la publicación de solicitud de patente estadounidense 2002/01 65082, titulada: Cerámicas enlazadas con fosfato protectoras contra radiación que usan compuestos isotópicos enriquecidos, la cual está incorporada aqu í med iante referencia en su totalidad , se describe el uso de aditivos de compuesto de boro enriquecido en una solución de licor para las cerámicas enlazadas con fosfato de tal forma que proporcionen protección contra radiación. Este documento no sugiere protección contra radiación y encapsulación combinando materiales cementosos con óxido-fosfato enlazados qu ímicamente "cocidos en frío" con agentes de carga radiopacos y mezclas tales como sulfato de bario, óxido y compuestos de bario, óxido y compuestos de gadolinio, y óxido de cerio y compuestos de cerio, óxidos y compuestos de tungsteno, y óxido y compuestos de uranio empobrecido. La publicación de solicitud de patente estadounidense 20050258405 titulada: Material es compuestos y tecnolog ía para protección contra radiación de neutrones y gamma, la cual está incorporada aqu í mediante referencia en su totalidad , describe el uso de diversas mezclas de materiales compuestos radiopacos que están enlazados en algunas aplicaciones mediante diversos cementos Portland modificados, materiales de lechada, epoxis, y cemento de oxicloruro de magnesio fosfato. Es importante tener en cuenta que si bien el oxicloruro de magnesio/fosfato es una descripción similar escrita y pronunciada de una técnica de enlace cementoso, de hecho es una técnica de enlace cementoso distintivamente diferente, y una que se sabe que produce un resultado más poroso y menos ventajoso respecto a las modalidades que se describe aquí más adelante referentes a las cualidades de enlace cementoso de óxido de magnesio- fosfato de mono potasio Esta solicitud de patente publicada no incluye ni reconoce las cualidades superiores y beneficios potenciales de las técnicas cementosas con óxido fosfato enlazado qu ímicamente para la creación de protección contra radiación con material compuesto útil . Breve descri pción de la invención De acuerdo con esto, las modalidades del material de cerámica y el método revelado y descrito aquí, proporcionan materiales compuestos de concreto cerámico o de cerámica de óxido-fosfato enlazada qu ímicamente "cocida en frío" con cualidades y características únicas de protección contra radiación para la encapsulación , contención y protección contra materiales radiactivos, energía electromagnética y energía de microondas. Además, las modalidades descritas incorporan cualidades de protección únicas contra radiación para materiales de concreto cerámico o de cemento cerámico para construcción, y aplicaciones de construcción , incluyendo el recubrimiento de cemento Portland existente contaminado y otros materiales cementosos y epóxicos para la construcción y edificaciones, que están o que pueden resultar contaminados con sustancias de desechos peligrosos y otros desechos dañinos radiactivos. Si bien se describe una modalidad representativa en el contexto de, pero sin limitarse a él , atenuación de radiación con rayos X generada por las máquinas y dispositivos de rayos X en hospitales, consultorios médicos y dentales y consultorios e instalaciones médicas y dentales, se puede incorporar en una cantidad de productos y permutaciones de productos para lograr la atenuación de los rayos X, incluyendo , sin limitarse a ellos, barreras de pared para consultorios médicos y dentales, incluyendo paredes verticales, aplicaciones en pisos y techos, protección removi ble y permanente para carros de transporte médico, compuesto para lechada de juntas para sellar cualquier escape de radiación con rayos X entre dos materiales adyacentes, y cualquier otra aplicación en donde se desea la atenuación y el bloqueo de radiación con rayos X y otros contaminantes. Si bien no presentan las desventajas 4 anteriores de los diseños previos, las estructuras de cemento cerámico de óxido fosfato forman estructuras con porosidad significativamente inferior en comparación con las estructuras de cemento Portland. En un aspecto de una modalidad , se describe una composición de material y método para formar un miembro protector contra radiación a temperaturas ambiente en los cuales la composición de material incluye una matriz de cerámica de óxido-fosfato enlazada qu ímicamente "cocida en frío" , y un material protector contra radiación disperso en la matriz de cerámica de óxido-fosfato enlazada químicamente "cocida en frío". La protección contra radiación de bajo nivel en la presente invención emplea diversas combinaciones de materiales de relleno radiopacos efectivos, tales como óxido de bario, sulfato de bario, y otros compuestos de bario pulverizados, óxido de cerio y compuestos de cerio, así como también óxido de bismuto y compuestos de bismuto, óxido de gadolinio y compuestos de gadolinio, óxido de tungsteno y compuestos de tungsteno , uranio empobrecido y compuestos de uranio empobrecido pulverizados, los cuales están enlazados juntos en una solución de ácido-fosfato constituida por proporciones específicas de polvo de óxido de magnesio (MgO) y fosfato dihidrogenado de potasio (KH2P04) y agua . Los materiales cerámicos compuestos de óxido-fosfato enlazados qu ímicamente resultantes, han demostrado que bloquean efectivamente los rayos X médicos proporcionando la protección contra radiación necesaria para atenuar la radiación con rayos X hasta 1 20 kVp con un espesor de material de hasta 1 .25 cm (0.5 pulgadas). Si mplemente aumentando el espesor de estos materiales protectores contra radiación de cerámica compuesta de óxido-fosfato enlazada qu ímicamente, se atenúa efectivamente los niveles de energ ía kVp más altos. De acuerdo con una modalidad, se proporciona una composición de material que incluye una matriz de cerámica a base de óxido-fosfato enlazada qu ímicamente y un material protector contra radiación , en donde el material protector contra radiación está disperso en la matriz de cerámica a base de óxido-fosfato enlazada qu ímicamente, y el material protector. contra radiación se selecciona del grupo constituido por barita , sulfato de bario, óxido de cerio, óxido de tungsteno, óxido de gadolinio, vidrio plomado templado de 40% a 75% tanto en polvo como en fibras, zeolitas, clinoptilotitas, celestitas y uranio empobrecido. De acuerdo con otro aspecto de la invención, la zeolita está constituida por los siguientes componentes y los siguientes porcentajes por peso aproximados: 52.4% Si02, 13.13% AI203, 8.94% Fe203, 6.81% CaO, 2.64% Na20, 4.26% MgO, y nO 10%. De acuerdo con otro aspecto de la invención, la barita por peso está aproximadamente en el rango de 89% a 99% de BaS04 y en el rango de 1% a 5.8% de silicatos, y en donde el rango de porcentajes por peso de zeolita que estarán presentes en la composición de material de la reivindicación 2 es de 0.2% a 50%. De acuerdo con otro aspecto de la invención, la matriz de cerámica a base de fosfato se selecciona del grupo constituido por KH2P04 (fosfato dihidrogenado de potasio), MgHP04 (fosfato hidrogenado), Fe3(HP04)2 (fosfato de hierro (II)), Fe3(HP04)2 " 8H20 (fosfato de hierro (II) octahidratado), FeHP0 (fosfato de hierro (III)), FeHP04 ' 2H20 (fosfato de hierro (III) dihidratado) AIP0 fosfato de aluminio, AIP04 " 1.5 H20 (fosfato de aluminio hidratado), CaHP04 (fosfato hidrogenado de calcio), CaHP04 ' 2H20 (fosfato hidrogenado de calcio dihidratado), BiP0 (fosfato de bismuto), CeP04 (fosfato de cerio (III)), CeP04 ' 2H20 (fosfato de cerio (III) dihidratado), GdP041H20 (fosfato de gadolinio), BaHP0 (fosfato hidrogenado de bario), y UP04 (fosfato de uranio empobrecido (U-238)). Se entenderá que tanto la descripción general precedente como la descripción detallada siguiente son ejemplares y explicativas solamente y no son restrictivas de las modalidades según las reivindicaciones. Descri pción detallada de la invención Ahora se hará referencia en detalla a las modalidades de la invención preferidas actualmente . La presente invención está dirigida a una composición de material y método para formar un miembro protector contra radiación en condiciones ambientales. Las personas entrenadas en la técnica se darán cuenta de que la composición de material de la presente invención está dirigida a ser utilizada para protección y atenuación de diversas formas de radiación , incluyendo radiación con rayos X, los espectros electromagnético y de microondas; y energía de soldad ura con haz de electrones (radiación bremsstrahlung o radiación secundaria), y similares. La composición de material y método proporciona una composición eficiente para su uso en miembros de construcción que presentan capacidad protectora contra radiación en una región del espectro electromagnético. El material resultante se puede formar en condiciones ambientales en un marco de tiempo rápido (media hora de curado a dos d ías de curado). Esto hace posible la formación de una matriz de cerámica de óxido-fosfato enlazada qu ímicamente con materiales de inclusión para protección contra radiación , electromagnética y microondas sin la cocción a alta temperatura requerida comúnmente. La cocción común a alta temperatura puede exceder varios cientos de grados Celsius y usualmente puede ocurrir en el rango de aproximadamente 1 800 °C (mil ochocientos grados Celsius). Si bien el presente método de "cocido en frío" (curado a temperaturas ambiente) puede ocurrir a 1 00 °C (cien grados Celsius) o menos, lo anterior puede hacer posible la formación in-situ de un miembro tal como una estructura protectora o el transporte e instalación eficientes de un panel preformado o de una estructura formada de la composición de material en comparación con otros materiales protectores contra radiación. Por ejemplo, una estructura formada de acuerdo con la presente i nvención puede permitir formar una partición de pared totalmente curada y lista para su uso en el marco de tiempo de varios d ías. Una composición de material de la presente invención implementa u n material cerámico de óxido-fosfato enlazado qu ímicamente "cocido en frío" de manera tal que forma una matriz para incluir en él material protector contra rad iación. Una matriz de cerámica de óxido-fosfato enlazada químicamente se puede formar mediante la incorporación de un óxido metálico con una sustancia o material que contiene fosfato. Las personas entrenadas en la técnica se darán cuenta de que la cerámica de óxido-fosfato enlazada qu ímicamente resultante, puede estar en forma hidratada, basada en el fosfato metálico constituyente . Los óxidos metálicos apropiados pueden incluir óxidos metálicos en los cuales el componente catiónico está asociado con protección contra radiación, de tal forma que la cerámica de metal fosfato pueda mostrar capacidad protectora contra radiación . Los fosfatos apropiados que contienen las sustancias o materiales incluyen fosfatos di hidrogenados de potasio, ácido fosfórico, un fosfato ácido, monofosfatos de hidrógeno, y similares. Los óxidos apropiados incluyen magnesio, hierro (II o III), aluminio, bario, bismuto, cerio (III o IV), gadolinio, tungsteno, y uranio empobrecido (III) (substancialmente uranio 238). Las cerámicas de óxido-fosfato enlazadas químicamente pueden incluir KH2P04 (fosfato dihidrogenado de potasio), MgHP04 3H20 (fosfato hidrogenado de magnesio trihidratado), MgHP04 (fosfato hidrogenado de magnesio), Fe3(HP04)2 (fosfato de hierro (II)), Fe3(HP04)2 ' 8H20 (fosfato de hierro (II) octahidratado), FeHP04 (fosfato de hierro (III)), FeHP04 ' 2HzO (fosfato de hierro (III) dihidratado), AIP04 (fosfato de aluminio), AIP04 * 1.5 H20 (fosfato de aluminio hidratado), CaHP0 (fosfato hidrogenado de calcio), CaHP0 ' 2H20 (fosfato hidrogenado de calcio dihidratado), BiP04 (fosfato de bismuto), CeP04 (fosfato de cerio (III)), CeP04 * 2H20 (fosfato de cerio (III) dihidratado), BaHP04 (fosfato hidrogenado de bario) y UP04 (fosfato de uranio empobrecido (U-238)). En otros casos, también se puede implementar fosfatos/fosfatos hidrogenados de tierras raras y diferentes metales, tales como fosfato de gadolinio GdP041H20. Los fosfatos apropiados de múltiples metales pueden incluir fosfato hidrogenado de magnesio, fosfato de hierro (III), fosfato de aluminio, fosfato hidrogenado de calcio, fosfato de cerio (III), y fosfato hidrogenado de bario. En una modalidad la matriz de cerámica es de la fórmula: MHP0 ' xH20, en la cual M es un catión divalente seleccionado del grupo constituido por: Mg (magnesio), Ca (calcio), Fe (hierro(ll)), y Ba (bario); en donde x es al menos uno de 0 (cero), 2 (dos), 3 (tres), u 8 (ocho). En u n ejemplo adicional , la matriz de cerámica a base de óxido-fosfato enlazada qu ímicamente es de la fórmula : M P04 ' xH20, en la cual M es un catión trivalente seleccionado de: Al (aluminio), Ce (cerio ( I I I )), U238 (uranio empobrecido); y Fe (hierro(lll)); y es al menos uno de 0 (cero), 1 .5 (uno punto cinco), o 2 (dos). En otras modalidades, se forma una estructura con múltiples capas para proporcionar atenuación efectiva en una gama de rangos de kilovoltios-pico (kVp). Por ejemplo , se forma un material con múltiples capas por medio de moldeado o aplicación con rocío para formar una mono estructura que presenta protección y atenuación a través de un rango. Las capas pueden estar formadas de combinaciones diferentes de cerámicas y materiales protectores para lograr la protección y atenuación deseadas. Por ejemplo, se forma una primera capa con un material protector de bismuto, mientras que una segunda capa se forma de una cerámica a base de cerio. También puede incluirse una tercera capa de una cerámica que incluye un material protector de sulfato de bario. En este ejemplo, el óxido de cerio se incluye para su atenuación de rayos X a 1 20 kVp con un espesor de material de 1 .25 cm (0.5 pulgadas). Los espesores mayores atenuarán más efectivamente la radiación con rayos X en niveles de energ ía más altos. También , en una modalidad el bismuto se puede preparar o aplicar en una forma que protege de la radiación bajo rayos gamma en el espectro electromagnético en longitud de onda, frecuencia, o energía de fotones. Así , se puede emplear dos o más materiales protectores contra radiación para lograr una estructura con múltiples capas . Debido a que las matrices de cerámica de óxido-fosfato enlazadas qu ímicamente matrices se enlazan exitosamente a sí mismas, el uso de dos o más materiales protectores contra radiación aumenta el rango de protección mediante la colocación en capas de los materiales en la matriz de cerámica. La colocación en capas se logra en una modalidad mediante el curado por separado de capas individuales, y luego se enlazan juntas las capas de una forma conocida, por ejemplo formando capas subsiguientes sobre capas previamente curadas o uniendo capas previamente curadas usando un adhesivo de cerámica enlazada con óxido-fosfato. En modalidades del proceso de colocación en capas antes mencionado, los materiales protectores contra radiación apropiados pueden estar dispersos en las matrices de cemento cerámico de óxido-fosfato . Las personas entrenadas en la técnica se darán cuenta de que se puede incorporar combinaciones de materiales protectores en una sola matriz para proporcionar atenuación a través de una parte del espectro electromagnético , tal como rayos X, microondas, y regiones o partes de regiones similares del espectro electromagnético. Los ejemplos incluyen polvos, agregados, fibras, fibras tejidas y similares. Los ejemplos de materiales incluyen barita, sulfato de bario, bismuto metal , tungsteno metal , vidrio plomado templado fibras y polvos, óxido de cerio, zeolita, clinoptilotita, plagioclasa , piroxeno, olivina , celestita, gadolinio, formas de plomo apropiadas, y uranio empobrecido. Una zeolita puede estar aproximadamente en porcentaje por peso de 52.4% (cincuenta y dos punto cuatro por ciento) Si02 (dióxido de silicio), 13.1 3% (trece punto trece por ciento) Al203 (óxido de aluminio), 8.94% (ocho punto noventa y cuatro por ciento) Fe203 (óxido férrico), 6.81 % (seis punto ochenta y uno por ciento) CaO (óxido de calcio), 2.64% (dos punto sesenta y cuatro por ciento) Na20 (óxido de sodio), 4.26% (cuatro punto veintiséis por ciento) MgO (óxido de magnesio). Mientras que la barita puede estar en aproximadamente 89% (ochenta y nueve por ciento) o más, BaS04 (sulfato de bario) y 5.8% (cinco punto ocho por ciento) de silicatos con el resto constituido por porcentajes variables naturalmente de dióxido de titanio, óxido de calcio , óxido de magnesio, óxido de manganeso y óxido de potasio. La aproximación anterior depende de variaciones en porcentaje por peso de origen natural. En una modalidad , el componente zeol ita de la cerámica es un basalto zeolita o clinoptilolita con un tamaño de partícula en el rango desde aproximadamente 5 mieras hasta aproximadamente 500 mieras (malla de menos de 30 hasta más de 325 - pasando el 25% la malla 325). La investigación llevada a cabo ha demostrado que se obtienen los mejores resultados cuando está presente la zeolita en un rango por peso de aproximadamente 2-20% por peso de zeolita con respecto a la cerámica. Se ha encontrado que con la combi nación de barita y zeolita, se proporciona protección contra radiación mejorada con respecto a la que se proporciona usando la barita sola, debido a las capacidades de encapsulación de isótopo de la zeolita. La zeolita preferiblemente se usa en forma natural , si bien se puede usar zeolita sintética . Tal como lo saben las personas entrenadas en la técnica, la fórmula principal de la zeolita es M2/nO.AI203.xSi02.yH20 , en donde define el catión de compensación con valencia n [7]. El componente estructural es Mx/n[(AI 02)x(Si02)y].zH20 , con la estructura general como arreglos de tetraedros para construir unidades desde estructuras de anillo hasta poliedros. En una modalidad ejemplar, un método para construi r un miembro protector incluye mezclar un óxido metálico, tal como un óxido metálico que incluye, catión de metal divalente con un material que contiene fosfato. Los m aterial es que contienen fosfato apropiados, incluyen ácido fosfórico, sustancias con fosfato hidrogenado (tales como monofosfatos de hidrógeno y fosfatos di hidrogenados de potasio) y similares. Se puede incorporar un material protector contra radiaci ón en la mezcla de óxido metálico y material que contiene fosfato. Incorporar puede incluir dispersar agregado , polvo, y fibras. Se puede incorporar fibras tejidas como parte e un proceso de moldeado , un proceso de colocación en capas o similares. El material protector contra radiación y la cerámica con óxido metálico-fosfato incorporados, pueden ser curados hasta que adquieren dureza (resistencia máxima a la com presión ) en condiciones ambientales. Por ejemplo, el miembro puede ser moldeado en el sitio y la reacción de curado se puede realizar en condiciones ambientales (es decir, temperatura ambiente). En una modalidad , la reacción y el curado del miembro protector contra radiación ocurre a 1 00 °C (cien grados Celsius) o menos. Las personas entrenadas en la técnica se darán cuenta de que la porosidad del miembro resultante se puede variar con base en los reactivos seleccionados. Los agregados que se mezclan de manera tal que disminuyen significativamente la porosidad y añaden resistencia, son cenizas volantes, cenizas de fondo y wolastinita que se pueden añadir en proporciones que abarcan desde 1 5: 85 y 50: 50, así como también otro silicatos solubles parcialmente como se explica en la patente estadounidense número 6, 51 8,21 2, titulada: Cerámicas de fosfo-silicato enlazadas químicamente: Una cerámica fosfo-silicato enlazada químicamente formada haciendo reaccionar químicamente un fosfato de metal alcalino monovalente (o fosfato hidrogenado de amonio) y un óxido soluble parcialmente, con un silicato soluble parcialmente en una solución acuosa. El fosfato de metal alcali no monovalente (o fosfato de amonio hidrogenado) y el óxido parcialmente soluble están ambos en forma de polvo y están combinados en una proporción molar estequiométrica que varía desde (0.5-1 .5): 1 para formar un polvo enlazante. De manera similar, el silicato parcial mente soluble también está en forma de polvo y mezclado con el polvo enlazante para formar una mezcla. Se le añade agua a la mezcla para formar una suspensión . El agua constituye 50% por peso de la mezcla de polvo en dicha suspensión . Se deja endurecer la suspensión . La cerámica de fosfo-silicato enlazada qu ímicamente resultante, muestra alta resistencia a la alta resistencia a la compresión , baja porosidad y permeabilidad al agua, tiene una composición química definible y bio-compatible, y se puede colorear fácil y rápidamente hasta casi cualquier tono o matiz. Otros ejemplos de estos silicatos parcialmente solubles son Silicato de calcio (CaSiO. Sub.3), Silicato de magnesio (MgSiO.Sub.3), Silicato de bario (BaSiO. Sub.3), Silicato de sodio (NaSiO. Sub.3), silicato de litio (LaSiO. Sub .3), y Serpentinita (Mg .Sub.6.sub .4.0.sub.1 0. {OH . Sub.8}). En una modalidad específica, un miembro protector contra radiación compuesto por una composición de material de la presente invención se construye mezclando 1 1 b. (0.45 kg (una libra)) de un óxido metálico, monofosfato de potasio con 1 1 b. (0.45 kg (una li bra)) de material protector contra radi ación , tal como un agregado, polvo, o material atenuante reilenador de fibra, y se le añade H20 (agua) hasta aproximadamente 20% (veinte por ciento) por peso , y el material protector contra radiación compuesto cocido en frío se deja secar. En esta modalidad , la proporción de óxido metálico con respecto a monofosfato de potasio ratio, por peso, es 1 /3 (un tercio) de óxido metálico, por ejemplo óxido de magnesio sinterizado, para dos tercios de monofosfato de potasio, o M KP (KH2P04) y una proporción por peso adicional de 1 5:85 a 50:50 de cenizas volantes, cenizas de fondo y otros silicatos parcialmente sol ubles. Se debe tener en cuenta que debido a las diferentes proporciones molares entre el óxido de magnesio (MgO) "sinterizado" y el monofosfato de potasio (M KP), y/o cualesquiera óxidos alternativos apropiados y materiales de fosfato empleados, las proporciones peso/volumen MgO, M KP mencionadas anteriormente todavía producen enlace efectivo para las mezclas atenuantes/protectoras deseadas. En otras modalidades, se puede hacer reaccionar diversos carbonatos, bicarbonato (tales como bicarbonato de sodio, bicarbonato de potasio y similares) o reactivos hidróxidos metálicos en un proceso de dos pasos con un fosfato ácido para limitar la temperatura de reacción máxima del óxido metálico y el resultado de la reacción de carbonato, bicarbonato o hidróxido con un fosfato ácido . En otras modalidades, se puede implementar otros ácidos para formar un material a base de cerámica de óxido fosfato metálico resultante. La selección del ácido puede basarse en el óxido metálico que se va a utilizar. Los óxidos metálicos apropiados incluyen metales divalentes y trivalentes (incluyendo metales de transición y metales de la serie lantánida y de la serie actínida). Otros ácidos apropiados incluyen ácido bórico como retardante (< 1 % del total de polvo). Y en otra modalidad se usa ácido clorhídrico con un catalizador cuando ciertas combinaciones cementosas de óxido fosfato, tales como óxido de bario y fosfato de bismuto no son apropiadamente solubles en agua. En ejemplos específicos, la mezcla de la matriz de cerámica seleccionada con el material protector deseado formó las composiciones de ejemplo. En una modalidad , la mezcla final combinada forma un producto en el cual el material protector está cementado o unido con la matriz de cerámica , lo cual incluye enlace interno o unión externa o ambas. Además, los materiales de la matriz de cerámica están en el rango de malla de -200 o menos. Los siguiente ejemplos específicos solamente son ejemplares y se utilizan para explicar los princi pios de la presente invención . Los siguientes procedimientos se llevaron a cabo en condiciones ambientales (por ejemplo , temperatura, presión). En algunos casos, se llevaron a cabo a una temperatura ambiente de entre 1 8.3 °C (d ieciocho punto tres grados Celsius) (65 ° F) hasta 29.4 °C (veintinueve punto cuatro grados Celsius) (85 ° F) bajo presión atmosférica. No se hizo ningún intento de homogenizar el material para obtener partículas uniforme, mientras que se logró la distribución sustancialmente uniforme del material protector dentro de la matriz de cerámica. Para las muestras en las cuales se utiliza material textil protector de fibra tejida , se hidroliza la cerámica y se moldea en contacto con el material textil . En los casos en los cuales se incorpora el material de protección en polvo, el tamaño de partícula varió dependiendo del material. Idealmente, las partículas en polvo están dimensionadas en el rango de malla de -200 o menos. Las personas entrenadas en la técnica se darán cuenta de que se puede utilizar una amplia gama de tamaños de partículas. Se añade agua para hidrolizar la mezcla seca. La combinación de agua y el óxido fosfato de la cerámica y el material protector, se mezcla durante un tiempo suficiente y con suficiente fuerza para hacer que la mezcla muestre una elevación exotérm ica de entre 20%-40% (veinte por ciento y cuarenta por ciento) de la temperatura original de la mezcla. La mezcla hidrolizada se compactó por medio de vacío o vibración o un método equivalente para eliminar espacios vacíos. La compactación se realiza preferiblemente en un recipiente, tal como un reci piente polimérico formado de polipropileno o polietileno, que tiene un bajo coeficiente de fricción para facilitar la eliminación Las muestras se dejaron end urecer al tacto (al menos veinticuatro horas) en condiciones ambientales. Las muestras fueron sometidas a prueba de equivalencia de plomo con rayos X. Las muestras sometidas a prueba fueron formadas cuando un óxido metálico tal como MgO (óxido de magnesio "sinterizado"), un silicato apropiado parcialmente soluble y aditivos radiopacos como se expone en la presente descripción, se agitan en una solución de ácido-fosfato (tal como monofosfato de potasio y agua). La disolución del óxido metálico forma cationes que reaccionan con los aniones fosfato para formar un gel de fosfato. Este gel se cristaliza subsiguientemente y se endurece en una cerámica cocida en frío. La disol ución del óxido también eleva el pH de la solución , con la cerámica cocida en frío formada con un pH casi neutro. Controlar la solubilidad del óxido en la solución de ácido-fosfato produce la cerámica de óxido-fosfato enlazada químicamente. Los óxidos o minerales óxidos de baja solubilidad son los mejores candidatos para formar cerámicas de fosfato enlazadas químicamente debido a que su solubilidad se puede controlar. El 'óxido metálico en las formulaciones de la muestra se conoce como Óxido de magnesio (MgO) "sinterizado", calcinado a 1 300 °C o más con el fin de disminuir la solubilidad en la solución de ácido-fosfato. Los polvos de óxido pueden ser tratados previamente para obtener mejores reacciones con los ácidos. Una técnica incluye calcinar los polvos a una temperatura típica de entre aproximadamente 1 ,200. grados C y 1 ,500 grados C y más comúnmente 1 ,300 grados C. Se ha encontrado que el proceso de calcinado modifica la superficie de las partículas de óxido en una gran cantidad de formas para facilitar la formación de cerámica. La calcinación hace que las partículas se adhieran juntas y también formen cristales; esto conduce a tasas de reacción que propician la formación de cerámica. Las reacciones rápidas tienden a formar polvo y precipitados no deseados. Este óxido de magnesio "sinterizado" puede hacerse reaccionar a temperatura ambiente con cualquier solución de ácido-fosfato, tal como amonio o fosfato dihidrogenado de potasio, para formar una cerámica a partir del magnesio - fosfato de potasio . En el caso del óxido de magnesio-mono fosfato de potasio, simplemente se puede añadir MgO (Óxido de magnesio "sinterizado"), KH2P04 (Monofosfato de potasio), y un silicato apropiado parcialmente soluble se puede añadir simplemente al agua y mezclarse desde 5 minutos hasta 25 minutos, dependiendo del tamaño de lote. El monofosfato de potasio se disuelve primero en el agua y forma la solución de ácido-fosfato en la cual se disuelve el MgO. Las cerámicas de óxido-fosfato enlazadas químicamente, "cocida en frío" se forman agitando la mezcla en polvo de óxidos y aditivos radiopacos, incluyendo cualesquiera retardantes deseados, tales como ácido bórico según se ha descrito aquí claramente, en una solución de ácido-fosfato activada con agua en la cual el óxido de magnesio (MgO) "sinterizado" se disuelve y reacciona con el monofosfato de potasio (MKP) y en algunas aplicaciones un silicato parcialmente soluble como wollastinita, y se fragua en un material cementoso cerámico "cocido en frío". Tabla 1. Formulación de muestra de cerámica Densidad Mués H20 cerámica material protector (g) Tamaño de partícula kg/m2 tra (g) (g) (Ib/pie2) 2432 1 112.0 198.0 462.0 Sulfato de bario 10 µ?? (mieras) (152.0) 3152 2 112.0 220.0 220.0 Sulfato de bario malla 325 (bismuto) (197.0) 220.0 Bismuto 3600 3 112.0 198.0 462.0 Bismuto malla 325 (225.0) 2800 4 112.0 198.0 462.0 Óxido de cerio III 5.24 µ?t? (mieras) (175.0) 5 112.0 264.0 264.0 Sulfato de bario 10 m (mieras) 1184 66.0 Bismuto malla 325 (Bismuto) (74.0) 66.0 Óxido de cerio III 5.24 µ?t? (mieras) 2080 6 112.0 Polvo de basalto 462 (130.0) Tabia 2. Atenuación de m uestra de cerámica Tabla 3. Equivalencia de plomo de la muestra de cerám ica (m il ímetros de Pb) Equivalencia con plomo (mm de Pb) * Debido al alto grado de atenuación de esta muestra, la equivalencia con el plomo no se pudo reportar exactamente para un potencial de tubo de 60 kVP. La equivalencia con plomo no será menor que la de la siguiente configuración de kVP más alta (En donde kVp - kilovoltio-pico; mmA 1 - ) Se entenderá que el orden de jerarqu ía específico de los pasos en los procesos descritos es u n ejemplo de enfoques ejemplares. Con base en las preferencias del diseño, se entiende que el orden de jerarqu ía específico de los pasos en los procesos pueden ser reordenados mientras permanecen dentro del alcance de la presente invención . Las reivindicaciones que acompañan al método presentan elementos de los diversos pasos en un orden de muestra, y no significa que estén limitados al orden o jerarquía específicos presentados . S E cree que la presente invención y muchas de sus ventajas presentadas serán entendidas mediante la descripción precedente . También se cree que será evidente que se puede hacer varios cambios en la forma, construcción y arreglo de los componentes de ella sin apartarse del alcance y el espíritu de la invención, o sin sacrificar todas sus ventajas materiales. La forma que se describe aquí es meramente una modalidad explicativa de ella. Un cambio específico esperado es la incl usión eventual de preparación de material constituyente en dimensiones nano de tal forma de aumentar el principio de superficies disponibles para el enlace. La mayoría, si no todas las cerámicas con protección contra radicación de óxido-fosfato enlazadas químicamente descritas en la presente patente , pueden ser producidas como cemento, concreto, material de barrera de pared , recubrimientos y lechadas, y pueden ser vaciadas , rociadas, troqueladas y moldeadas en una variedad de formas y usos. Por lo tanto, es la intención de las siguientes reivindicaciones abarcar e incluir eventualmente la mayoría , si no todos, estos cambios y potenciales. Además, las modalidades descritas aqu í se pueden aplicar a objetos y estructuras contaminados con radiación , para encapsular la misma y contener el contaminante dentro del objeto o estructura, formando barrera y protegiendo así los objetos externos al objeto o estructu ra encapsulado.

Claims (5)

1. REIVINDICACIONES 1 . Una composición de material , que comprende: una matriz de cerámica a base de óxido-fosfato enlazada químicamente; y un material protector contra radiación , en donde el material protector contra radiación está disperso en la matriz de cerámica a base de óxido-fosfato enlazada químicamente y el material protector contra radiación se selecciona del grupo constituido por barita , óxido de bario, sulfato de bario, óxido de cerio, óxido de tungsteno, óxido de gadolinio, óxido de uranio empobrecido, vidrio plomado templado 40% hasta 75% tanto en polvo como en fibras, zeolitas, clinoptilotitas, y celestitas 2. La composición de material de la reivindicación 1 caracterizada además porque la zeolita constituye los siguientes porcentajes por peso: 52.4% Si02 , 1 3.1 3% AI203, 8.94% Fe203, 6.81 % CaO , 2.64% Na20, 4.26% MgO, y MnO 1 0% . 3. La composición de material de la reivindicación 1 en donde barita por peso está aproximadamente en el rango de 89% hasta 99% BaS04 y en el rango de 1 % hasta 5.8% de silicatos, y en donde el rango de porcentajes por peso de zeolita que estarán presentes en la composición de material de la reivindicación 2 es 0.2% hasta 50% . 4. La composición de material de la reivindicación 1 caracterizada además porque la matriz de cerámica a base de fosfato se selecciona del grupo constituido por KH2P04 (fosfato dihidrogenado de potasio), MgHP04 (fosfato hidrogenado), Fe3(HP04)2 (fosfato de hierro (II)), Fe3(HP04)2 " 8H20 (fosfato de hierro (II) octahidratado), FeHP0 (fosfato de hierro (III)), FeHP04 ' 2H20 (fosfato de hierro (III) dihidratado) AIP04 fosfato de aluminio, AIP04 ' 1.5 H20 (fosfato de aluminio hidratado), CaHP04 (fosfato hidrogenado de calcio), CaHP04 ' 2H20 (fosfato hidrogenado de calcio dihidratado), BiP04 (fosfato de bismuto), CeP04 (fosfato de cerio (III)), CeP04 ' 2H20 (fosfato de cerio (III) dihidratado), GdP041H20 (fosfato de gadolinio), BaHP04 (fosfato hidrogenado de bario), y UP04 (fosfato de uranio empobrecido (U-238)). 5. La composición de material de la reivindicación 1 caracterizada además porque la matriz de cerámica a base de óxido-fosfato es MgHP04 " 3H20 (fosfato hidrogenado de magnesio trihidratado). 6. La composición de material de la reivindicación 1 en donde el material protector contra radiación se forma como al menos uno o más de los agregados o polvos dispersados en la cerámica de óxido-fosfato. 7. La composición de material de la reivindicación 1 caracterizada además porque la matriz de cerámica de óxido-fosfato incluye al menos dos fosfatos metálicos diferentes. 8. La composición de material de la reivindicación 7 en donde los al menos dos fosfatos metálicos diferentes se seleccionan del grupo constituido por fosfato hidrogenado de magnesio, fosfato de hierro (III), fosfato de aluminio, fosfato hidrogenado de calcio, fosfato de bismuto, fosfato de cerio ( I I I ), fosfato de gadolinio, y fosfato hidrogenado de bario. 9. La composición de material de la reivindicación 1 caracterizada además porque la matriz de cerámica a base de óxido-fosfato es de la fórmula: M HPO4 " X H20 en donde M es un catión divalente seleccionado del grupo constituido por: Mg (magnesio), Ca (calcio), Fe (hierro(ll)), y Ba (bario); y en donde x es al menos uno de 0 (cero), 2 (dos), 3 (tres), u 8 (ocho). 1 0. La composición de material de la reivi ndicación 1 caracterizada además porque la matriz de cerámica a base de óxido-fosfato es de la fórmula: en donde M es un catión trivalente seleccionado del grupo constituido por: Al (aluminio), Ce (cerio (I I I )), U238 (uranio empobrecido); y Fe (hierro(lll )); y en donde x es al menos uno de 0 (cero), 1 .5 (uno punto cinco), o 2 (dos). 1 1 . La composición de material de la reivindicación 1 caracterizada además porque la matriz de cerámica a base de óxido-fosfato es de la fórmula: M M ' P04 ' xH20 en donde M es un catión divalente seleccionado del grupo constituido por: Ba (bario), y Mg (magnesio); en donde M' es un catión monovalente seleccionado del grupo constituido por: Li (litio), Na (sodio), y K (potasio); y en donde x es al menos uno de 0 (cero), 2 (dos), 3 (tres), o 6 (seis). 1 2. La composición de la reivindicación 1 , que comprende al menos dos materiales protectores contra radiación para formar una estructura de múltiples capas. 1 3. Una composición de materia protectora contra radiación, que comprende: una matriz de cerámica a base de óxido-fosfato enlazada químicamente que tiene un componente catión , que tiene capacidad protectora contra radiación ; y un material protector contra radi ación seleccionado del grupo constituido por un polvo, un agregado, y una fibra, en donde el material protector contra radiación está disperso en la matriz de cerámica a base de óxido-fosfato enlazada químicamente . 14. La composición protectora contra radiación de material de la reivindicación 1 3 caracterizada además porque la cerámica a base de óxido-fosfato enlazada químicamente se cura hasta endurecer a menos de 1 00 °C (cien grados Celsius). 1 5. La composición protectora contra radiación de material de la reivindicación 1 3 en donde el catión se selecciona del grupo constituido por aluminio, bario, bismuto, cerio, tungsteno , gadolinio, y uranio empobrecido. 1 6. La composición protectora contra radiación de material de la reivindicación 1 3 en donde el material protector contra radiación se selecciona del grupo constituido por barita , sulfato de bario, bismuto metal , óxido de cerio, óxido de gadolinio, óxido de tungsteno, y zeolitas. 1 7. Una composición de materia, que consiste esencial mente en : una matriz de cerámica a base de óxido-fosfato enlazada qu ímicamente, que tiene un componente catión, con capacidad protectora contra radiación; y un material protector contra radiación disperso en la matriz de cerámica a base de óxido-fosfato enlazada químicamente, en donde el componente catión se selecciona del grupo constituido por aluminio , bario, bismuto , cerio, gadolinio, tungsteno y uranio empobrecido. 1 8. La composición de material de la reivindicación 1 7 en donde el material protector contra radiación se selecciona del grupo constituido por barita , sulfato de bario, óxidos metálicos y compuestos de bismuto, óxido de cerio y compuestos, zeolita, clinoptilotita, plagioclasa, piroxeno, olivina , celestita , óxidos y compuestos de gadolinio, óxidos y compuestos de tungsteno, y vidrio plomado templado en polvo y/o en fibras con un contenido de plomo (Pb) de 40% a 75% . 1 9. Un método para construir un miembro protector contra radiación a temperatura ambiente, que comprende: mezclar un óxido metálico que tiene capacidad protectora contra radiación con un material que contiene fosfato; incorporar un material protector contra radiación en la mezcla de óxido metálico y material que contiene fosfato; curar el material protector contra radiación incorporado y mezcla de óxido metálico y material que contiene fosfato a temperatura ambiente. 20. El método para construir un miembro protector contra radiación en las condiciones de temperatura de la reivindicación 1 9 en donde el curado ocurre a menos de 1 00 °C (cien grados Celsi us). 21 . El método para construir un miembro protector contra radiación a temperatura ambiente de la reivindicación 1 9 en donde el material que contiene fosfato es ácido fosfórico. RESU MEN Una composición de material y método para formar un miembro protector contra radiación a temperaturas ambientales en la cual la composición del material incluye una matriz cerámica a base de cemento de óxido-fosfato enlazado qu ímicamente, "vitrificada en frío"; con uno o más materiales de protección contra radiación preparados y distribuidos apropiadamente, dispersos en la matriz cerámica a base de cemento de óxido-fosfato enlazado químicamente, "vitrificada en frío"