RU2807842C1 - Композиционный материал на основе полиэтилена, модифицированного наночастицами ZrO2 - Google Patents

Композиционный материал на основе полиэтилена, модифицированного наночастицами ZrO2 Download PDF

Info

Publication number
RU2807842C1
RU2807842C1 RU2023110267A RU2023110267A RU2807842C1 RU 2807842 C1 RU2807842 C1 RU 2807842C1 RU 2023110267 A RU2023110267 A RU 2023110267A RU 2023110267 A RU2023110267 A RU 2023110267A RU 2807842 C1 RU2807842 C1 RU 2807842C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
nanoparticles
composite material
zro
polymer
Prior art date
Application number
RU2023110267A
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Михайлович Михайлов
Владимир Александрович Горончко
Алексей Николаевич Лапин
Семён Александрович Юрьев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Application granted granted Critical
Publication of RU2807842C1 publication Critical patent/RU2807842C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к полимерным материалам, стойким к воздействию ионизирующего излучения (заряженных частиц высокой энергии). Композиционный материал, на основе полиэтилена марки ПВД 15303-003, модифицирован наночастицами ZrO2, в качестве наполнителя, при этом модифицирование осуществляется наночастицами ZrO2, полученными плазмохимическим синтезом, с размером 30 нм, удельной поверхностью 25 м2/г, при концентрации наполнителя 2 масс.%. Технический результат заключается в создании полимерного нанокомпозитного материала с высокими радиационно-защитными характеристиками. 1 ил., 1 табл., 6 пр.

Description

Изобретение относится к полимерным материалам, стойким к воздействию ионизирующего излучения (заряженных частиц высокой энергии), используемым в космической, ускорительной, рентгеновской, ядерной технике, в кабельной промышленности в качестве изоляционного, лёгкого конструкционного и функционального материала с повышенными рабочими характеристиками.
Во время полета космический аппарат подвергается воздействию многих факторов космического пространства, таких как потоки протонов, электронов и ионов высоких энергий, атомарного кислорода, плазмы, Солнечного электромагнитного излучения, метеорных частиц и др. В результате такого воздействия в материалах и деталях оборудования протекают различные физико-химические процессы, приводящие к образованию и накоплению радиационных дефектов, что приводит к смещению в худшую сторону эксплуатационных характеристик материалов. Одним из основных требований, предъявляемых к данным композиционным материалам в космическом пространстве, является сохранение ими рабочих характеристик при долговременной эксплуатации.
Перспективным методом повышения стойкости как органических, так и неорганических материалов к воздействию космической радиации является модифицирование их наночастицами.
Наночастицы обладают несколькими ключевыми особенностями, за счёт которых достигаются высокие результаты радиационной стойкости:
1. Нанопорошки ZrO2 белого цвета, обладают высокой отражательной способностью в диапазоне воздействия Солнечного излучения от 200 до 2500 нм.
2. Из-за большого отношения площади поверхности к объему наночастицы, обладают повышенной способностью поглощать частицы высокой энергии, выступают в качестве стока радиационных дефектов, образованных действием излучений.
3. При воздействии излучения в полимере происходит разрыв химических связей. Наночастицы могут встраиваться в данные разрывы, препятствуя деструкции полимера, образуя органокерамические комплексы, вследствие чего дефектообразование будет снижено.
4. Наночастицы могут выступать в качестве защитного слоя, который обладает большей радиационной стойкостью относительно полимера и во время облучения поглощать часть падающего излучения, что также приведет к меньшему дефектообразованию в полимере.
В настоящее время существуют следующие материалы, целью создания которых является увеличение стойкости к воздействию ионизирующих излучений:
1. Известен способ радиационной защиты с помощью метрового слоя воды, либо полиэтилена (ПЭ) [Паркер Ю. Как защитить космических путешественников // В мире науки. 2006. № 6. с. 14-20]. Данный способ является эффективным, но нереализуемым и энергозатратным, так как для обеспечения полной радиационной защиты необходимо 500 тонн первого материала, либо 400 тонн второго.
2. Повышение стойкости к воздействию ионизирующего излучения возможно путём модифицирования полиимида углеродными нанотрубками (УНТ) [RU 2400462 C1, опубл. 27.09.2010]. Синтезированный материал обладает повышенной устойчивостью к радиационному облучению, увеличенной механической прочностью и электропроводностью. Способ изготовления композита заключается в растворении полимера в первом растворителе при температуре 90°С, обработку ультразвуком находящихся во втором растворителе УНТ, смешивание растворенного полимера с раствором УНТ и обработку ультразвуком полученного раствора в присутствии переменного магнитного поля в течение времени, достаточного для распределения УНТ по всей матрице полимера и последующее нанесение композита на подложку и термообработку, которые происходят в присутствии постоянного магнитного поля.
Недостатками материала являются отсутствие возможности формирования объёмных изделий за один технологический цикл. Материал обеспечивает защиту от высокочастотных электромагнитных полей, но при высокой устойчивости к радиационному излучению от радиации не защищает.
3. Существует композиционный материал для зашиты от космической радиации [RU 2515493 C1, опубл. 10.05.2014], который состоит из кремнийорганического лака, политетрафторэтилена и порошка оксида висмута. Матрицей является политетрафторэтилен, кремнийорганический лак применяется в качестве модификатора поверхности Bi2O3.
Недостатком данного материала является сложность процесса изготовления прекурсоров и конечного продукта.
4. Известен материал, который представляет собой частицы элементарного бора с полиолефиновым покрытием в виде агломератов среднего размера 20-100 мкм [RU 02368629 С2, опубл. 27.09.2009]. Материал может быть использован при изготовлении портативных нейтронных генераторов, элементов радиационной защиты в различной аппаратуре, применяемой для медицинских целей.
Недостатком данного материала является использование микропорошков наполнителя, которые в отличии от нанопорошков демонстрируют меньшие показатели радиационной стойкости.
Прототипом заявленного изобретения является композиционный материал на основе полипропилена марки PPH030GP, наполненного наноразмерными частицами диоксида циркония в количестве 1 масс. % [RU 2767524 С1, опубл. 17.03.2022]. Полученные лабораторные образцы обладают повышенной стойкостью к воздействию излучения относительно исходного полипропилена в 2,86 раза при анализе интегрального коэффициента поглощения a s и его изменения после облучения электронами (энергия электронов E=30 кэВ, флюенс Ф=2⋅1016 см-2).
Недостатком прототипа является отсутствие кинетики изменения коэффициента поглощения a s от флюенса электронов, что не позволяет прогнозировать его поведение в космическом пространстве.
Существенным признаком заявляемого изобретения в части вещества с прототипом является наполнитель в виде наночастиц ZrO2, отличает его количество, в настоящем изобретении концентрация нанопорошка составляет 2 масс. %. В части способа совпадает: методика изготовления нанокомпозитов, но при этом температурные и временные режимы процесса изготовления изменены, так как используется другая полимерная матрица (полиэтилен высокого давления). В расплав полимера при температуре 145-150°С вводили нанопорошок и в течение 10 мин осуществляли перемешивание этих компонентов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание полимерного нанокомпозитного материала с высокими радиационно-защитными характеристиками.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в качестве полимерной основы служит полиэтилен высокого давления (марка ПВД 15303-003, гранулы с диаметром 2-4 мм прозрачного цвета) и нанопорошки ZrO2, полученные плазмохимическим синтезом (размер наночастиц 30 нм, удельная поверхность 25 м2/г, тетрагональная кристаллическая решётка, ширина запрещённой зоны 5,9 эВ). Данные нанопорошки отличаются высокой отражательной способностью в области спектра излучения Солнца (200-2500 нм), большой удельной поверхностью и высокой стойкостью к воздействию излучений высокой энергии. Введение наночастиц приводит к значительному увеличению стойкости к воздействию потока электронов высокой энергии. Получение изделия необходимой формы из композита осуществляется методами экструзии и термопрессования. Изготавливаемые образцы имеют размер 0,1×3×5 см. Оптимальная концентрация определялась экспериментальным путём, изготовлено 6 образцов с концентрацией наночастиц от 0 до 5 масс.% (таблица 1). Оптимальной является концентрации наночастиц 2 масс.% (фиг. 1 «Зависимость изменения интегрального коэффициента поглощения Солнечного излучения от концентрации наночастиц в объёме ПЭ, облученного разным флюенсом электронов», таблица 1), при этом значении изменения коэффициента поглощения солнечного излучения (Δa s ) для ПЭ, модифицированного наночастицами ZrO2 в количестве 2 масс. % в 5,25 раза меньше по сравнению со значением Δa s немодифицированного ПЭ (энергия электронов E=30 кэВ, флюенс Ф=3⋅1016 см-2).
Таблица 1 - Значения Δa s ПЭ, модифицированного наночастицами ZrO2 различной концентрации после облучения электронами (Е=30 кэВ, Ф=1 - 3⋅1016 см-2, Т=300 К, Р=5⋅10-6 Торр)
С, масс.% 0 0,5 1 2 3 5
Δa s
Ф, ⋅1016см-2 1 0.012 0.004 0.003 0.002 0.005 0.013
2 0.014 0.006 0.004 0.003 0.007 0.018
3 0.021 0.009 0.005 0.004 0.01 0.025
Благодаря хорошей перерабатываемости ПЭ, изделие радиационной защиты из данного материала может быть изготовлено практически любой формы. Данная методика повышения стойкости полимерных материалов к действию ионизирующих излучений отличается простотой исполнения, не требует сложного и дорогостоящего оборудования, характеризуется малыми материальными затратами при изготовлении и отличается высокой эффективностью.
Пример реализации:
Изготовление нанокомпозитного материала проводится в пластографе Брабендера. Смешение двух составляющих осуществляется на двухшнековом экструдере, формование происходит под давлением в прессе.
Радиационная стойкость полимерного нанокомпозита оценивается путём регистрации спектров диффузного отражения (ρ λ ), их изменения после облучения (Δρ λ ), расчета по этим спектрам интегрального коэффициента поглощения Солнечного излучения (a s ) и его изменения (Δa s ) после каждого периода облучения (флюенс электронов Ф=1 - 3⋅1016 см-2 с энергией 30 кэВ).
Коэффициент a s рассчитывается по 23 точкам, длины волн которых соответствуют 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.
Коэффициент Δa s рассчитывается как для исходного ПЭ, так и для модифицированного наночастицами, вследствие чего можно оценить стойкость модифицированного материала относительно немодифицированного.
Образец нанокомпозита закрепляется в алюминиевую подложку, которая выступает в качестве отражающего слоя. Пробег электронов с энергией 30 кэВ не превышает 10 мкм, что значительно меньше толщины образца, равной 1 мм. Изменения в спектрах ρ λ определяются изменениями только в образце ПЭ из-за появления радиационных дефектов и соответствующих им полос поглощения.
Образец устанавливается в вакуумной камере установки с источником электронов, камера откачивается до рабочего давления 2⋅10-6 Торр, регистрируется спектр отражения до облучения, проводится облучение электронами с энергией 30 кэВ, флюенсом 1⋅1016 см-2 при Т = 300К, регистрируется спектр отражения после облучения на месте облучения (in situ), вычитается спектр отражения после облучения из спектра отражения до облучения, получается разностный спектр, по нему рассчитывается значение Δa s . Далее флюенс электронов увеличивается до 2⋅1016 см-2 и далее до 3⋅1016 см-2 (после каждого периода облучения повторно рассчитывается значение Δa s ). Кинетика изменения коэффициента Δa s представлена на рисунке 1 и в таблице 1.

Claims (1)

  1. Композиционный материал, на основе полиэтилена марки ПВД 15303-003, модифицированный наночастицами ZrO2 в качестве наполнителя, отличающийся тем, что модифицирование осуществляется наночастицами ZrO2, полученными плазмохимическим синтезом, с размером 30 нм, удельной поверхностью 25 м2/г, при концентрации наполнителя 2 массовых процента.
RU2023110267A 2023-04-21 Композиционный материал на основе полиэтилена, модифицированного наночастицами ZrO2 RU2807842C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2807842C1 true RU2807842C1 (ru) 2023-11-21

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
RU2400462C1 (ru) * 2009-04-09 2010-09-27 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Способ изготовления композита полимер/углеродные нанотрубки на подложке
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
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
RU2400462C1 (ru) * 2009-04-09 2010-09-27 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Способ изготовления композита полимер/углеродные нанотрубки на подложке
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
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
Atta et al. Ion beam irradiation effects on surface morphology and optical properties of ZnO/PVA composites
Biswas et al. Selective enhancement in phonon scattering leads to a high thermoelectric figure-of-merit in graphene oxide-encapsulated ZnO nanocomposites
Shery Counting vacancies and nitrogen-vacancy centers in detonation nanodiamond
San-Miguel et al. In situ growth of Ag nanoparticles on α-Ag2WO4 under electron irradiation: probing the physical principles
Hosseini et al. X-ray attenuating nanocomposite based on polyaniline using Pb nanoparticles
Zhang et al. Graphene-reinforced epoxy resin with enhanced atomic oxygen erosion resistance
Habeeb et al. Novel of (biopolymer blend-MgO) nanocomposites: Fabrication and characterization for humidity sensors
El-Gamal et al. Synthesis, structural, thermal, mechanical, and nano-scale free volume properties of novel PbO/PVC/PMMA nanocomposites
Hosseini et al. Synthesis, characterization and X‐ray shielding properties of polypyrrole/lead nanocomposites
Uhm et al. Effect of particle size, dispersion, and particle–matrix adhesion on W reinforced polymer composites
Al-Bermany et al. Effect of green synthesis bimetallic Ag@ SiO2 core–shell nanoparticles on absorption behavior and electrical properties of PVA-PEO nanocomposites for optoelectronic applications
Choi et al. Improvement of NO2 sensing properties in Pd functionalized reduced graphene oxides by electron-beam irradiation
Obeid et al. Evaluation of the effect of different nano-size of WO3 on the structural and mechanical properties of HDPE
Ratan et al. Enhanced electrical properties of few layers MoS2-PVA nanocomposite film via homogeneous dispersion and annealing effect induced by 80 MeV Carbon6+ swift heavy ion irradiation
Malinský et al. Graphene oxide layers modified by irradiation with 1.0 MeV Au+ ions
Malinský et al. The structural and compositional changes of graphene oxide induced by irradiation with 500 keV helium and gallium ions
Mohammed Kimpa The Effect of Silver Particles on the Synthesis and Characterization of Polystyrene/Silver (Ps/Ag) Nanocomposites for Carbonaceous Materials.
RU2807842C1 (ru) Композиционный материал на основе полиэтилена, модифицированного наночастицами ZrO2
da Costa et al. Electron beam irradiation for the formation of thick Ag film on Ag 3 PO 4
Abdel Maksoud et al. Gamma irradiation-induced changes in structural, linear/nonlinear optical, and optoelectrical properties of PVB/BiVO4 nanocomposite for organic electronic devices
Al-Harbi et al. Surface characterization and linear/nonlinear optical properties of irradiated flexible PVA/ZnO polymeric nanocomposite materials
RU2807355C1 (ru) Композиционный материал на основе полиэтилена, модифицированного наночастицами диоксида кремния
Osman et al. Effects of additive and gamma irradiation on the structural and optical properties of polyvinyl alcohol doped with silver nitrate
Mikhailov et al. Changes in the Electrical Conductivity of Polypropylene Modified with Nanoparticles of Oxide Compounds
Mikhailov et al. Effect of SiO2 nanoparticles sizes on the optical properties and radiation resistance of powder mixtures ZrO2 with micron sizes