RU2807355C1 - Композиционный материал на основе полиэтилена, модифицированного наночастицами диоксида кремния - Google Patents
Композиционный материал на основе полиэтилена, модифицированного наночастицами диоксида кремния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807355C1 RU2807355C1 RU2023123836A RU2023123836A RU2807355C1 RU 2807355 C1 RU2807355 C1 RU 2807355C1 RU 2023123836 A RU2023123836 A RU 2023123836A RU 2023123836 A RU2023123836 A RU 2023123836A RU 2807355 C1 RU2807355 C1 RU 2807355C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- radiation
- sio
- polyethylene
- polymer
- Prior art date
Links
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 title claims abstract description 17
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 title claims abstract description 17
- -1 polyethylene Polymers 0.000 title claims abstract description 16
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical group O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract 8
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 title abstract 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 title 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 14
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 abstract description 7
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 abstract description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 abstract 3
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 abstract 3
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 abstract 3
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 abstract 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 24
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 9
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N carbonyl sulfide Chemical compound O=C=S JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 description 2
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000416 bismuth oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- TYIXMATWDRGMPF-UHFFFAOYSA-N dibismuth;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Bi+3].[Bi+3] TYIXMATWDRGMPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000006101 laboratory sample Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005025 nuclear technology Methods 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к полимерным композиционным материалам, обладающим высокой стойкостью к действию ионизирующих излучений. Композиционный материал, на основе полиэтилена марки ПВД 15303-003, модифицирован наночастицами SiO2 в качестве наполнителя, при этом модифицирование осуществляется наночастицами SiO2, размером 12 нм, удельной поверхностью 220 м2/г, при концентрации 1 мас.%. Технический результат изобретения заключается в создании нанокомпозитного материала с высокими радиационно-защитными характеристиками на основе полиэтилена в виде матрицы, модифицированной наночастицами SiO2 путем введения их в объём полимера. 1 табл., 5 пр.
Description
Изобретение относится к полимерным композиционным материалам, обладающим высокой стойкостью к действию ионизирующих излучений. Такие материалы актуальны для использования в космической, ускорительной, рентгеновской, ядерной технике и в строительной индустрии. Они могут найти применение в качестве изоляционного, функционального и конструкционного материала с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Космические аппараты подвержены действию потоков протонов, электронов и ионов высоких энергий, атомарного кислорода, плазмы, Солнечного электромагнитного излучения, метеорных частиц. Такое радиационное воздействие приводит к разрыву химических связей в полимере и образованию радиационных дефектов, вследствие чего эксплуатационные характеристики ухудшаются. Одним из способов повышения стойкости к действию ионизирующих излучений является модифицирование полимерных материалов наночастицами.
Существует метод радиационной защиты с использованием метрового слоя воды или полиэтилена (ПЭ), который может быть эффективным, но, является нереализуемым и энергозатратным [Паркер Ю. Как защитить космических путешественников // В мире науки. 2006. № 6. с. 14-20]. Для достижения полной радиационной защиты космического аппарата потребуется использовать огромное количество материала – 500 тонн воды или 400 тонн полиэтилена. В настоящее время существуют и другие методы радиационной защиты, которые более оптимальны и эффективны, например, использование специальных материалов, таких как бориды металлов, полимеры высокой плотности и др.
Разработан композиционный материал для защиты от космической радиации, который содержит в себе кремнийорганический лак, политетрафторэтилен и порошок оксида висмута [RU 2515493 C1, опубл. 10.05.2014]. Матрицей является политетрафторэтилен, а кремнийорганический лак применяется в качестве модификатора поверхности Bi2O3. Недостатком этого материала является сложности процессов изготовления как прекурсоров, так и конечного продукта.
Разработан материал, представляющий собой агломераты частиц элементарного бора с полиолефиновым покрытием размером от 20 до 100 мкм [RU 02368629 С2, опубл. 27.09.2009]. Синтезированный материал может применяться для создания портативных нейтронных генераторов и элементов радиационной защиты в медицинской аппаратуре. Его недостатком является использование микропорошков бора, которые в отличие от нанопорошков обладают меньшей радиационной стойкостью.
Прототип представляет собой композиционный материал, основанный на полипропилене марки PPH030GP, который содержит наноразмерные частицы диоксида циркония в количестве 1 мас.% [RU 2767524 С1, опубл. 17.03.2022]. Лабораторные образцы данного материала обладают более высокой стойкостью (в 2,86 раза) к действию ускоренных электронов по сравнению с исходным полипропиленом. Недостатком прототипа является относительно небольшое увеличение радиационной стойкости и отсутствие информации о кинетике увеличения радиационной стойкости в зависимости от флюенса электронов.
Заявляемое изобретение содержит модификатор в виде наночастиц SiO2. Оптимальная концентрация нанопорошка в объёме полимера для повышения радиационной стойкости определена экспериментально, составляет 1 мас.%, что совпадает с ее значением для прототипа своим количеством. Методика синтеза нанокомпозитов такая же, как и для прототипа, но изменены температурные и временные режимы процесса изготовления из-за использования другой полимерной матрицы – полиэтилена высокого давления. Нанопорошок вводится в расплав полимера при температуре 145-150 °С и перемешивается в течение 10 минут.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи создания полимерного нанокомпозитного материала с высокой радиационной стойкостью.
Техническим результатом изобретения является нанокомпозитный материал с высокими радиационно-защитными характеристиками на основе полиэтилена в виде матрицы, модифицированной наночастицами SiO2 путем введения их в объём полимера.
Для достижения технического результата использованы полиэтилен высокого давления (марка ПВД 15303-003, гранулы диаметром 2-4 мм, прозрачного цвета) в качестве полимерной основы и нанопорошки SiO2 (аморфная структура, получены плазмохимическим синтезом, размер частиц 12 нм, удельная поверхность 220 м2/г). Используемые нанопорошки обладают высоким значением удельной поверхности, что играет важную роль при образовании слоев наночастиц на поверхности и в объёме полимера при модифицировании, чем больше удельная поверхность нанопорошка, тем больше отражательная способность композитного материала.
Полиэтилен является полимером, наиболее богатым водородом, что позволяет хорошо поглощать высокоэнергетическое излучение, в частности галактические космические лучи. Наночастицы SiO2 обладают высокой отражательной способностью в области спектра излучения Солнца (200 – 2500 нм), большой удельной поверхностью и высокой стойкостью к действию излучений высокой энергии. В результате добавления наночастиц происходит значительное увеличение стойкости к действию потока электронов.
Для изготовления нанокомпозитов необходимой формы применяются методы экструзии и термопрессования. Используя указанные методы, изготовлены образцы размером 0,1×3×5 см с концентрацией наночастиц от 0 мас.% до 5 мас.% (см. таблица 1).
Экспериментально определена оптимальная концентрация наночастиц в объёме полимера – 1 мас.%, при которой модифицированный ПЭ имеет наибольшую радиационная стойкость. Оценку стойкости к действию электронов осуществляли путём регистрации спектров диффузного отражения (ρ λ ), расчета по ним интегрального коэффициента поглощения Солнечного излучения (а s ) и его изменения (Δа s ) после каждого периода облучения (Ф=(1 – 3)⋅1016 см-2, E=30 кэВ).
Коэффициент a s рассчитывается по 23 точкам, соответствующим равноэнергетическим участкам спектра излучения Солнца (формула 1).
где ρ s – интегральный коэффициент отражения исследуемого образца; ρ λ – спектр отражения исследуемого образца; S λ – спектр излучения Солнца; λ 1 , λ 2 – диапазон излучения Солнца.
Изменение коэффициента поглощения а s при облучении (Δа s ) используется для оценки радиационной стойкости модифицированного полиэтилена по сравнению с немодифицированным. Для этого значения Δа s рассчитываются как для исходного полимерного материала, так и для модифицированного наночастицами.
При оптимальной концентрации наночастиц SiO2 в полиэтилене коэффициент эффективности модифицирования (формула 2), рассчитанный по значениям Δа s равен 7 (для энергии электронов E=30 кэВ и флюенса Ф=3⋅1016 см-2).
где K эфф – коэффициент эффективности, рассчитанный по значениям Δa s ; Δa s0 – значение Δа s немодифицированного ПЭ; Δа s -нано – значение Δа s ПЭ, модифицированного наночастицами.
Таблица 1 –Зависимость Δа s модифицированного ПЭ от концентрации наночастиц SiO2 и флюенса электронов с энергией 30 кэВ
| С, мас.% | 0 | 0,5 | 1 | 3 | 5 | |
| Ф, ⋅1016 см-2 | 1 | 0,012 | 0,003 | 0,001 | 0,009 | 0,013 |
| 2 | 0,014 | 0,005 | 0,002 | 0,015 | 0,018 | |
| 3 | 0,021 | 0,006 | 0,003 | 0,021 | 0,025 | |
Благодаря тому что полиэтилен хорошо перерабатывается, изделия радиационной защиты из этого материала можно создавать практически любой формы. Методика, которая используется для повышения устойчивости полимерных материалов к ионизирующему излучению, отличается простотой выполнения и не требует сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме того, ее характеризуют малые материальные затраты при изготовлении и высокая эффективность.
Пример реализации:
Для изготовления полимерного нанокомпозитного материала используется пластограф Брабендера, где составляющие смешиваются на двухшнековом экструдере, а затем формуются под давлением в прессе.
Исследование радиационной стойкости проводится в установке – имитаторе условий космического пространства «Спектр» без выноса образцов в атмосферу (in situ), что позволяет избежать взаимодействия образованных радиационных дефектов с газами. Регистрация спектров ρ λ осуществляется в диапазоне 0,2 – 2,5 мкм. Образец нанокомпозита закрепляется в алюминиевой подложке, которая является отражающим слоем. Пробег электронов с энергией 30 кэВ не превышает 10 мкм, что значительно меньше толщины образца, равной 1 мм. Изменения в спектрах ρ λ определяются только радиационными дефектами и соответствующими им полосами поглощения. Образец устанавливается в вакуумной камере установки с источником электронов, камера откачивается до рабочего давления 5·10-6 торр, регистрируется спектр отражения до облучения, по которому рассчитывается коэффициент а s , проводится облучение электронами с энергией 30 кэВ, флюенсом 1⋅1016 см-2 при Т = 300К, регистрируется спектр отражения после облучения, рассчитывается коэффициент а s и его изменение после облучения Δа s . Далее флюенс электронов увеличивается до 2⋅1016 см-2 и до 3⋅1016 см-2 (после каждого периода облучения повторно рассчитывается значение Δа s ). Кинетика изменения коэффициента Δа s представлена в таблице 1.
Claims (1)
- Композиционный материал на основе полиэтилена марки ПВД 15303-003, модифицированный наночастицами SiO2 в качестве наполнителя, отличающийся тем, что модифицирование осуществляется наночастицами SiO2 размером 12 нм, удельной поверхностью 220 м2/г, при концентрации 1 мас.%.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2807355C1 true RU2807355C1 (ru) | 2023-11-14 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2368629C2 (ru) * | 2007-11-23 | 2009-09-27 | Институт химической физики им. Н.Н.Семенова РАН (ИХФ РАН) | Радиационно-защитный композиционный материал и способ его получения |
| RU2515493C1 (ru) * | 2012-11-12 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | Композит для защиты от космической радиации |
| CN107880484B (zh) * | 2017-12-05 | 2020-07-03 | 中北大学 | 一种纳米粒子/氧化石墨烯复合改性高分子材料及其制备 |
| RU2767530C1 (ru) * | 2020-11-16 | 2022-03-17 | Публичное акционерное общество «СИБУР Холдинг» | Композиция полипропилена с повышенной прочностью расплава и способ её получения |
| RU2767524C1 (ru) * | 2021-03-12 | 2022-03-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» | Радиационно стойкий полипропилен |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2368629C2 (ru) * | 2007-11-23 | 2009-09-27 | Институт химической физики им. Н.Н.Семенова РАН (ИХФ РАН) | Радиационно-защитный композиционный материал и способ его получения |
| RU2515493C1 (ru) * | 2012-11-12 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | Композит для защиты от космической радиации |
| CN107880484B (zh) * | 2017-12-05 | 2020-07-03 | 中北大学 | 一种纳米粒子/氧化石墨烯复合改性高分子材料及其制备 |
| RU2767530C1 (ru) * | 2020-11-16 | 2022-03-17 | Публичное акционерное общество «СИБУР Холдинг» | Композиция полипропилена с повышенной прочностью расплава и способ её получения |
| RU2767524C1 (ru) * | 2021-03-12 | 2022-03-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» | Радиационно стойкий полипропилен |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Issa et al. | Structure, optical, and radiation shielding properties of PVA–BaTiO3 nanocomposite films: An experimental investigation | |
| Atta et al. | Ion beam irradiation effects on surface morphology and optical properties of ZnO/PVA composites | |
| Kaneda et al. | Rheology printing for metal-oxide patterns and devices | |
| Shery | Counting vacancies and nitrogen-vacancy centers in detonation nanodiamond | |
| Wang et al. | Thermal decomposition behavior and kinetics of nanocomposites at low-modified ZnO content | |
| Obodo et al. | Evaluation of 8.0 MeV Carbon (C2+) Irradiation Effects on Hydrothermally Synthesized Co3O4− CuO− ZnO@ GO Electrodes for Supercapacitor Applications | |
| Choi et al. | Improvement of NO2 sensing properties in Pd functionalized reduced graphene oxides by electron-beam irradiation | |
| Elhady et al. | Effect of aluminum oxide nanoparticles additives and gamma irradiation on the structural and optical properties of syndiotactic polystyrene | |
| Zali et al. | Preparation and evaluation of gamma shielding properties of silicon-based composites doped with WO3 micro-and nanoparticles | |
| RU2807355C1 (ru) | Композиционный материал на основе полиэтилена, модифицированного наночастицами диоксида кремния | |
| RU2527262C2 (ru) | Пигмент на основе модифицированного порошка диоксида титана | |
| Soni et al. | Synthesis and comparisons of Optical and Gamma Radiation shielding properties for ZnO and SiO2 nanoparticles in PMMA nanocomposites thin films | |
| RU2807842C1 (ru) | Композиционный материал на основе полиэтилена, модифицированного наночастицами ZrO2 | |
| Cui et al. | Crystal plane engineering of MAPbI 3 in epoxy-based materials for superior gamma-ray shielding performance | |
| Dhivakar et al. | Investigation on the surface condition of gamma irradiated silicone rubber micro-nanocomposites | |
| Mikhailov et al. | Effect of atmosphere on recovery of diffuse reflection spectra of ZnO powder modified with nanoparticles upon irradiation in vacuum | |
| Mikhailov et al. | Effect of SiO2 nanoparticles sizes on the optical properties and radiation resistance of powder mixtures ZrO2 with micron sizes | |
| Xie et al. | Effect of magnetron sputtering power on structure and properties of Ta films on Cu substrate of neutron production target for accelerator-based boron neutron capture therapy (AB-BNCT) | |
| Cui et al. | Construction of MAPbBr3/EP composites with blocking path for high-performance gamma-rays shielding | |
| Chin et al. | Fabrication, thermal analysis, and heavy ion irradiation resistance of epoxy matrix nanocomposites loaded with silane-functionalized ceria nanoparticles | |
| Mikhailov et al. | Studying the Radiation Stability of the Optical Properties of Polypropylene Modified with Al2O3 Nanoparticles | |
| Gehlawat et al. | Effect of neutron exposure on transport of charge carriers in poly-crystalline Cu nanowires | |
| Iurina et al. | Color centers induced by proton exposure in aluminum oxide hollow particles | |
| Plyushch et al. | Electromagnetic properties of phosphate composite materials with boron-containing carbon nanotubes | |
| Mikhailov et al. | The stability of optical properties under irradiation for ZnO micropowder modified with TiO2 nanoparticles |