RU2550156C1 - Boron-based neutron-protective material - Google Patents
Boron-based neutron-protective material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2550156C1 RU2550156C1 RU2014122413/07A RU2014122413A RU2550156C1 RU 2550156 C1 RU2550156 C1 RU 2550156C1 RU 2014122413/07 A RU2014122413/07 A RU 2014122413/07A RU 2014122413 A RU2014122413 A RU 2014122413A RU 2550156 C1 RU2550156 C1 RU 2550156C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sodium silicate
- boron
- sodium
- silicate
- sio
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области разработки теплостойкого неорганического борсодержащего материала, обладающего деформационной устойчивостью до 600°С, который может быть использован в народном хозяйстве и атомной промышленности. Сочетание высокой теплостойкости и способности бора поглощать тепловые нейтроны может быть востребовано при капсулировании радиоактивных отходов, а также в качестве защитных щитов, элементов одежды, удовлетворяющих требованиям охраны труда и в техногенных ситуациях.The invention relates to the field of development of heat-resistant inorganic boron-containing material with deformation resistance up to 600 ° C, which can be used in the national economy and nuclear industry. The combination of high heat resistance and the ability of boron to absorb thermal neutrons can be in demand when encapsulating radioactive waste, as well as as protective shields, clothing items that meet the requirements of labor protection and in industrial situations.
Известен композиционный материал [RU 2278177], содержащий матрицу на основе металла или сплава и соединение бора в качестве наполнителя, при этом соединение бора содержит тетрагидро- или тетрагалогенборатный анион KatBX4, где Kat - катион металла или ониевый катион, В - бор, X - водород или галоген, при этом содержание соединения бора в матрице составляет 15÷50 об.%.Known composite material [RU 2278177] containing a matrix based on a metal or alloy and a boron compound as a filler, the boron compound containing a tetrahydro or tetrahalogenated borate anion KatBX 4 , where Kat is a metal cation or onium cation, B is boron, X is hydrogen or halogen, while the content of boron compounds in the matrix is 15 ÷ 50 vol.%.
К недостаткам материала относится то, что агрегатное состояние данной композиции не позволяет ее использование для нейтронной защиты.The disadvantages of the material include the fact that the aggregate state of this composition does not allow its use for neutron protection.
Еще одним недостатком материала является относительно низкая его теплостойкость, обусловленная наличием в матрице композита наполнителя, способного разлагаться в присутствии алюминиевого или магниевого сплавов, которые в свою очередь проявляют каталитическую активность при повышенных температурах.Another disadvantage of the material is its relatively low heat resistance, due to the presence in the matrix of the composite filler that can decompose in the presence of aluminum or magnesium alloys, which in turn exhibit catalytic activity at elevated temperatures.
Известен также нейтронозащитный материал [SU 1809692], состоящий из нитрида бора, дополнительно содержащий бор (1÷10 мас. %) и оксид магния (1÷10,2 мас. %). Материал имеет достаточно высокую теплопроводность после облучения при 600°С и предел прочности на изгиб 4,8÷9,7 кг/мм2.Also known neutron-shielding material [SU 1809692], consisting of boron nitride, additionally containing boron (1 ÷ 10 wt.%) And magnesium oxide (1 ÷ 10.2 wt.%). The material has a sufficiently high thermal conductivity after irradiation at 600 ° C and a flexural strength of 4.8 ÷ 9.7 kg / mm 2 .
К недостаткам материала относится многостадийность процесса получения вышеуказанного материала, сопровождающаяся высокими энергозатратами: перемешивание компонентов в течение 5 ч до получения однородной смеси, их формовку под давлением 300 кг/см2, собственно отжиг в атмосфере азота под давлением 1000 атм, причем инициирование реакции горения проводят нагреваемой вольфрамовой спиралью.The disadvantages of the material include the multi-stage process of obtaining the above material, accompanied by high energy consumption: mixing the components for 5 hours to obtain a homogeneous mixture, their molding under a pressure of 300 kg / cm 2 , actually annealing in a nitrogen atmosphere under a pressure of 1000 atm, and the initiation of the combustion reaction is carried out heated by a tungsten spiral.
Вторым существенным недостатком является сложность аппаратурного оформления процесса.The second significant drawback is the complexity of the hardware design process.
Наиболее близким техническим решением является нейтронозащитный материал [SU 1804228] (прототип), содержащий химически связанный бор и, по меньшей мере, один тугоплавкий оксид. Особенностью материала является наличие в нем бора в виде нитрида и полиборида магния при следующем соотношении компонентов, мас. %: полиборид магния 5÷25, тугоплавкий оксид 10,5÷30, нитрид бора - остальное.The closest technical solution is a neutron-shielding material [SU 1804228] (prototype) containing chemically bonded boron and at least one refractory oxide. A feature of the material is the presence of boron in it in the form of nitride and magnesium polyboride in the following ratio of components, wt. %: magnesium polyboride 5 ÷ 25, refractory oxide 10.5 ÷ 30, boron nitride - the rest.
Материал по прототипу обладает радиационно-термической стойкостью в интервале температур 100÷600°С, при температуре 600°С относительное изменение геометрических размеров материала после облучения минимально.The material of the prototype has radiation-thermal resistance in the temperature range of 100 ÷ 600 ° C, at a temperature of 600 ° C, the relative change in the geometric dimensions of the material after irradiation is minimal.
Недостатком материала по прототипу является то, что достижение радиационно-термической стойкости материала обусловлено использованием в составе нитрида бора, который в свою очередь представляет собой тугоплавкое соединение с температурой плавления 2700°С, использование которого в производстве нейтронозащитного материала требует высоких энергетических затрат.The disadvantage of the material according to the prototype is that the achievement of radiation-thermal resistance of the material is due to the use of boron nitride in the composition, which in turn is a refractory compound with a melting point of 2700 ° C, the use of which in the production of neutron-protective material requires high energy costs.
Неудачным является и выбор полиборида магния для насыщения материала по бору. Уменьшение его содержания в материале ниже заявленного снижает термическую стойкость материала, а повышение делает материал хрупким.The choice of magnesium polyboride for saturation of the material along boron is also unsuccessful. A decrease in its content in the material below the declared one reduces the thermal stability of the material, and an increase makes the material brittle.
Изобретение направлено на изыскание борсодержащего нейтронозащитного материала, обладающего высокими эксплуатационными характеристиками, получение которого не требует высоких энергозатрат и дополнительного оборудования.The invention is aimed at finding boron-containing neutron-shielding material with high performance characteristics, the receipt of which does not require high energy costs and additional equipment.
Технический результат достигается тем, что предложен борсодержащий нейтронозащитный материал, характеризующийся деформационной устойчивостью ΔL/L0=3,0÷7,5% при 600°С, который получают взаимодействием силиката натрия Na2O(SiO2)n в водном растворе едкого натра с декагидро-клозодекаборатом триметиламмония (Me3NH)2B10H10, реакционный раствор кипятят до полного удаления триметиламина, образующегося в результате взаимодействия раствора едкого натра с (Me3NH)2B10H10, затем сушат, поднимая температуру вплоть до 300°С, получают материал, отвечающий брутто-формуле:The technical result is achieved by the fact that a boron-containing neutron-shielding material is proposed, characterized by deformation resistance ΔL / L 0 = 3.0 ÷ 7.5% at 600 ° C, which is obtained by the interaction of sodium silicate Na 2 O (SiO 2 ) n in an aqueous solution of sodium hydroxide with trimethylammonium decahydroclosodecaborate (Me 3 NH) 2 B 10 H 10 , the reaction solution is boiled until the trimethylamine formed as a result of the interaction of the sodium hydroxide solution with (Me 3 NH) 2 B 10 H 10 is completely removed, then dried, raising the temperature to 300 ° C, receive brutal material then-formula:
где n - характеристика исходного силиката натрия через силикатный модуль, который варьируется в пределах 2,5÷3,0;where n is the characteristic of the initial sodium silicate through a silicate module, which varies within 2.5 ÷ 3.0;
m:k=7,0÷1,9,m: k = 7.0 ÷ 1.9,
при этом связывание декагидро-клозо-декаборатного аниона с атомами натрия как силиката натрия, так и едкого натра происходит за счет многоцентровых взаимодействий с образованием пространственных супрамолекулярных структур.in this case, the binding of the decahydro-closo-decaborate anion to sodium atoms of both sodium silicate and sodium hydroxide occurs due to multicenter interactions with the formation of spatial supramolecular structures.
Соотношение m:k выбирают исходя из того, что при значениях выше 7,0 взаимодействие силиката натрия Na2O(SiO2)n в водном растворе едкого натра с декагидро-клозо-декаборатом триметиламмония (Me3NH)2B10H10 не приводит к многоцентровым взаимодействиям с образованием пространственных супрамолекулярных структур, а в случае m:k ниже 1,5 указанное взаимодействие проходит с дефицитом щелочи, необходимой для удаления триметиламмониевого катиона, присутствие которого, в свою очередь, снижает термическую стабильность материала.The ratio m: k is chosen on the basis that, for values above 7.0, the interaction of sodium silicate Na 2 O (SiO 2 ) n in an aqueous solution of sodium hydroxide with decahydro-closo-decaborate trimethylammonium (Me 3 NH) 2 B 10 H 10 does not leads to multicenter interactions with the formation of spatial supramolecular structures, and in the case m: k below 1.5, this interaction occurs with an alkali deficiency necessary to remove the trimethylammonium cation, the presence of which, in turn, reduces the thermal stability of the material.
Величину силикатного модуля выбирают исходя из того, что при значениях ниже 2,5 количество образующихся супрамолекулярных структур не достаточно для обеспечения жесткости материала, а при значениях свыше 3,0 наблюдается полимеризация жидкого стекла (ЖС) с образованием твердой фазы.The value of the silicate module is chosen based on the fact that, at values below 2.5, the amount of supramolecular structures formed is not enough to ensure the rigidity of the material, and at values above 3.0 polymerization of liquid glass (LS) with the formation of a solid phase is observed.
Полное удаление триметиламина на стадии кипячения контролируют по исчезновению в ИК-спектрах раствора полосы валентных колебаний NH-групп.The complete removal of trimethylamine at the boiling stage is controlled by the disappearance of the band of stretching vibrations of NH groups in the IR spectra of the solution.
Температура сушки определяется условиями полного завершения процесса поликонденсации силиката натрия, которая зависит от соотношения исходных компонентов в материале и обычно не превышает 300°С. Завершению процесса поликонденсации соответствует отсутствие потери массы на кривых термо-гравиметрического анализа.The drying temperature is determined by the conditions for the complete completion of the polycondensation of sodium silicate, which depends on the ratio of the starting components in the material and usually does not exceed 300 ° C. The completion of the polycondensation process corresponds to the absence of mass loss on the curves of thermo-gravimetric analysis.
Выбранные реагенты, их концентрации, растворители и соотношения обеспечивают образование гомогенных систем, в которых проходят реакции внедрения и поликонденсации, приводящие к образованию максимально однородных гелей, где молекулы аниона В10H10 2- и фрагменты цепи жидкого стекла с силоксановыми связями распределены наиболее равномерно, что приводит к достижению технического результата. Выбор силиката натрия Na2O(SiO2)n из ряда силикатов: кристаллогидраты олигомерных силикатов натрия; кристаллогидраты ортосиликатов натрия всех степеней замещения 4-х основной кремневой кислоты; поликремниевые производные силикатов натрия осуществлен из вышеприведенных соображений.The selected reagents, their concentrations, solvents and ratios ensure the formation of homogeneous systems in which interstitial and polycondensation reactions take place, leading to the formation of as uniform gels as possible, where the B 10 H 10 2– anion molecules and the fragments of liquid glass chain with siloxane bonds are distributed most uniformly, which leads to the achievement of a technical result. The choice of sodium silicate Na 2 O (SiO 2 ) n from a number of silicates: crystalline hydrates of oligomeric sodium silicates; crystalline hydrates of sodium orthosilicates of all degrees of substitution of 4 basic silicic acid; polysilicon derivatives of sodium silicates made from the above considerations.
Сущность изобретения заключается в том, что при взаимодействии силиката натрия Na2O(SiO2)n в водном растворе едкого натра (жидкое стекло) с декагидро-клозо-декаборатом триметиламмония (Me3NH)2B10H10 наблюдается образование многоцентровых взаимодействий, формирующих пространственно-супрамолекулярные структуры. В состав материала входит термически устойчивая кластерная система - анион В10Н10 2-. Благодаря многочисленным супрамолекулярным контактам, возникающим в структуре стекла, разрушение аниона В10Н10 2- не наблюдается вплоть до 600°С. Кроме того, содержание бора в продукте от 15 до 40 мас. % обеспечивает высокую способность материала к захвату тепловых нейтронов.The essence of the invention lies in the fact that the interaction of sodium silicate Na 2 O (SiO 2 ) n in an aqueous solution of sodium hydroxide (water glass) with decahydro-closo-decaborate trimethylammonium (Me 3 NH) 2 B 10 H 10 results in the formation of multicenter interactions, forming spatially supramolecular structures. The composition of the material includes a thermally stable cluster system - the anion В 10 Н 10 2- . Due to the numerous supramolecular contacts arising in the glass structure, the destruction of the 10 B 10 2– anion is not observed up to 600 ° C. In addition, the boron content in the product is from 15 to 40 wt. % provides a high ability of the material to capture thermal neutrons.
Второй особенностью вышеуказанного взаимодействия является то, что в процессе образования пространственно-супрамолекулярных структур участвуют атомы натрия как силиката натрия, так и едкого натра.The second feature of the above interaction is that sodium atoms of both sodium silicate and sodium hydroxide participate in the formation of spatially supramolecular structures.
Достижение заявленного технического результата подтверждается следующим примером. Пример иллюстрирует, но не ограничивает предложенное техническое решение.The achievement of the claimed technical result is confirmed by the following example. An example illustrates but does not limit the proposed technical solution.
Пример. В водном растворе едкого натра и силиката натрия Na2O(SiO2)n (ЖС) на воздухе при комнатной температуре растворяли (Me3NH)2B10H10; соотношение ЖС: (Me3NH)2B10H10 составило 60/40 мас. %. Раствор кипятили и контролировали удаление триметиламина по исчезновению в ИК-спектрах полосы валентных колебаний NH-групп при 3100 см-1, после чего раствор сушили до прекращения потери массы на кривых термо-гравиметрического анализа, поднимая температуру до 300°С.Example. In an aqueous solution of sodium hydroxide and sodium silicate Na 2 O (SiO 2 ) n (ZhS) in air at room temperature (Me 3 NH) 2 B 10 H 10 was dissolved; the ratio of FS: (Me 3 NH) 2 B 10 H 10 was 60/40 wt. % The solution was boiled and the removal of trimethylamine was monitored by the disappearance in the IR spectra of the band of stretching vibrations of the NH groups at 3100 cm -1 , after which the solution was dried until the mass loss ceased on the thermogravimetric analysis curves, raising the temperature to 300 ° C.
Аналогичным образом получали материал при исходном соотношении ЖС: (Me3NH)2B10H10, равном 85:15, 70:30, 50:50, 40:60 и 26:74 мас. %.Similarly, the material was obtained at the initial ratio of FS: (Me 3 NH) 2 B 10 H 10 equal to 85:15, 70:30, 50:50, 40:60 and 26:74 wt. %
Характеристики полученных материалов сведены в Таблицу: «Химические и термомеханические свойства нейтронозащитного борсодержащего материала»The characteristics of the materials obtained are summarized in the Table: “Chemical and thermomechanical properties of a neutron-protective boron-containing material”
Как видно из представленной таблицы, технический результат не достигается за пределами заявленных соотношений m:k=7,0÷1,9, т.е. при исходных соотношениях ЖС: (Me3NH)2B10H10, равных 85:15 и 26:74 мас. %.As can be seen from the table, the technical result is not achieved outside the stated ratios m: k = 7.0 ÷ 1.9, i.e. at the initial ratios of FS: (Me 3 NH) 2 B 10 H 10 equal to 85:15 and 26:74 wt. %
Изобретение позволяет получать борсодержащий нейтронозащитный материал, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками, получение которого не требует высоких энергозатрат и дополнительного оборудования.The invention allows to obtain a boron-containing neutron-shielding material with high performance characteristics, the receipt of which does not require high energy costs and additional equipment.
Claims (1)
где n - характеристика исходного силиката натрия через силикатный модуль, который варьируется в пределах 2,5÷3,0;
m:k=7,0÷1,9,
при этом связывание декагидро-клозо-декаборатного аниона с атомами натрия как силиката натрия, так и едкого натра происходит за счет многоцентровых взаимодействий с образованием пространственных супрамолекулярных структур. A boron-containing neutron-shielding material characterized by deformation resistance ΔL / L 0 = 3.0 ÷ 7.5% at 600 ° C, which is obtained by the interaction of sodium silicate Na 2 O (SiO 2 ) n in an aqueous solution of sodium hydroxide with decahydro-closo-decaborate trimethylammonium (Me 3 NH) 2 B 10 H 10 , the reaction solution is boiled until the trimethylamine resulting from the interaction of sodium hydroxide solution with (Me 3 NH) 2 B 10 H 10 is completely removed, then dried, raising the temperature up to 300 ° С, get material corresponding to the gross formula:
where n is the characteristic of the initial sodium silicate through a silicate module, which varies within 2.5 ÷ 3.0;
m: k = 7.0 ÷ 1.9,
in this case, the binding of the decahydro-closo-decaborate anion to sodium atoms of both sodium silicate and sodium hydroxide occurs due to multicenter interactions with the formation of spatial supramolecular structures.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014122413/07A RU2550156C1 (en) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | Boron-based neutron-protective material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014122413/07A RU2550156C1 (en) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | Boron-based neutron-protective material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2550156C1 true RU2550156C1 (en) | 2015-05-10 |
Family
ID=53293858
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014122413/07A RU2550156C1 (en) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | Boron-based neutron-protective material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2550156C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1809692A1 (en) * | 1990-08-31 | 1996-03-27 | Институт структурной макрокинетики АН СССР | Neutron protective material |
| WO1998012711A1 (en) * | 1996-09-18 | 1998-03-26 | Electric Power Research Institute, Inc. | Inhibition of silica dissolution in an aqueous environment |
| US20070102672A1 (en) * | 2004-12-06 | 2007-05-10 | Hamilton Judd D | Ceramic radiation shielding material and method of preparation |
| US7550645B2 (en) * | 2004-02-23 | 2009-06-23 | Geomatrix Solutions, Inc. | Process and composition for the immobilization of radioactive and hazardous wastes in borosilicate glass |
-
2014
- 2014-06-03 RU RU2014122413/07A patent/RU2550156C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1809692A1 (en) * | 1990-08-31 | 1996-03-27 | Институт структурной макрокинетики АН СССР | Neutron protective material |
| WO1998012711A1 (en) * | 1996-09-18 | 1998-03-26 | Electric Power Research Institute, Inc. | Inhibition of silica dissolution in an aqueous environment |
| US7550645B2 (en) * | 2004-02-23 | 2009-06-23 | Geomatrix Solutions, Inc. | Process and composition for the immobilization of radioactive and hazardous wastes in borosilicate glass |
| US20070102672A1 (en) * | 2004-12-06 | 2007-05-10 | Hamilton Judd D | Ceramic radiation shielding material and method of preparation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| КАЗЕЕВ В.Г.и др. Термостойкий нейтронозащитный материал. Науч. сесс. НИЯУ МИФИ-2013. Сборник научных трудов. Третье зас. тем. секц. по напр. "Инновационные ядерные технологии"; 4-6.02. 2013, Снежинск. Москва, НИЯУ МИФИ, 2013, с. 14-15. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Qian et al. | Aluminated mesoporous silica as novel high-effective flame retardant in polylactide | |
| KR101941648B1 (en) | Preparation method of hydrophobic metal oxide-silica complex aerogel and hydrophobic metal oxide-silica complex aerogel produced by the same | |
| US9994454B2 (en) | Porous silicon dioxide-carbon composite and method for preparing high-purity granular beta-phase silicon carbide powder with using the same | |
| KR20130132944A (en) | Zeolite having copper and alkali earth metal supported thereon | |
| CN104069886B (en) | A kind of preparation method and applications of the catalyst for aqueous phase furfural hydrogenation Ketocyclopentane | |
| Wang et al. | Synthesis and hydrolysis of NaZn (BH 4) 3 and its ammoniates | |
| JP2017048064A (en) | Aerogel composite | |
| CN103951700B (en) | Preparation method of a kind of dimethyl hypophosphites and products thereof and application | |
| CN107057172B (en) | Modified magnesium-aluminum hydrotalcite/ammonium polyphosphate/carbon forming foaming agent/phosphazene compound flame retardant | |
| Zhu et al. | A novel environmental route to ambient pressure dried thermal insulating silica aerogel via recycled coal gangue | |
| Wang et al. | Facile activation of lithium slag for the hydrothermal synthesis of zeolite A with commercial quality and high removal efficiency for the isotope of radioactive 90 Sr | |
| Ekanayake et al. | Sustainable Claisen-Schmidt chalcone synthesis catalysed by plasma-recovered MgO nanosheets from seawater | |
| RU2550156C1 (en) | Boron-based neutron-protective material | |
| CN105197955A (en) | Method for low-temperature solvent-free synthesis of high-silicon small-size Cu-SSZ-13 zeolite molecular sieve | |
| JP2019528226A5 (en) | ||
| Zhu et al. | Synthesis and thermal insulation performance of silica aerogel from recycled coal gangue by means of ambient pressure drying | |
| CN102786074A (en) | Calcium chloride production process | |
| CN104494225A (en) | Machinable silica aerogel composite rigid thermal insulating tile and preparation method thereof | |
| JP6028190B2 (en) | Method for producing ABW-type zeolite | |
| JP5709896B2 (en) | Fireproof glass | |
| CN107344713B (en) | Synthesis of M (BH)4)nAnd/or M2/nB12H12Method (2) | |
| Ceballos-Mendivil et al. | Synthesis and characterization of silicon carbide in the application of high temperature solar surface receptors | |
| JP6836885B2 (en) | Method for producing montmorillonite slurry, clay film and montmorillonite slurry | |
| Varfolomeev et al. | High-refractory corundum molds based on a silica-free binder | |
| Rüscher et al. | Basic research on geopolymer gels for production of green binders and hydrogen storage |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200604 |