Способ получения радиационно-защитного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с повышенными радиационно-защитными свойствами

Способ получения радиационно-защитного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с повышенными радиационно-защитными свойствами

Реферат

Изобретение относится к способу получения радиационно-защитного материала на полимерной основе с повышенными рентгенозащитными и нейтронозащитными свойствами и заключается в твердофазном формировании композиции, состоящей из полимерной матрицы сверхвысокомолекулярного полиэтилена, и наполнителей - нанопорошков вольфрама и карбида бора.

Известен способ (RU 02148062 С1 20000427 «СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ»), который может быть применен для изготовления конструкционных изделий биологической защиты от нейтронных излучений. Данный способ получения полимерной композиции включает смешение олефинового полимера, представляющего собой полипропилен или полиэтилен, с наполнителем с последующим экструдированием, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют нитрид бора и осуществляют его смешение с частью олефинового полимера при их массовом соотношении от 1:2 до 1:1 соответственно в шаровом смесителе при соотношении массы металлических шаров к массе перемешиваемой композиции 4:1 в течение 1-2 ч с последующим добавлением оставшейся части олефинового полимера и продолжением смешения в шаровом смесителе в течение 0,5-1 ч.

Недостатком является введение нанопорошков тяжелых металлов, защищающих от рентгеновского излучения, что отрицательно сказывается на биологической инертности.

Также известен способ (RU 02368629 С2 20090927 «РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ»), запатентована технология получения радиационно-защитного композиционного материала, который может быть использован при изготовлении элементов защиты в различной аппаратуре, применяемой для дефектоскопии, для медицинских целей, для радиоактивного каротажа нефтяных и газовых скважин, в портативных нейтронных генераторах и др. Способ включает полимеризацию этилена на поверхности частиц элементарного бора среднего размера 3-8 мкм в присутствии иммобилизованной на нем каталитической системы, состоящей из тетрахлорида ванадия и алюминийорганического соединения. Сначала на поверхности частиц бора проводят фтор-полимеризацию этилена при 25-30°C и давлении этилена 1 атм в течение 8-10 минут, затем температуру повышают до 50-60°C и продолжают полимеризацию этилена при 50-60°C и давлении в диапазоне от 1 до 10 ата до образования на них покрытия из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой не менее 1·10⁶ и толщиной 0,01-20 мкм. Радиационно-защитный композиционный материал представляет собой частицы элементарного бора с полиолефиновым покрытием в виде агломератов среднего размера 20-100 мкм.

Недостатком данного способа является использование микропорошков наполнителя, которые в отличии от нанопорошков не показывают высоких свойств.

В способе (RU 02137225 С1 19990910, «СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ С ГИДРИДОМ ЛИТИЯ») для изготовления теневых радиационных защит, предназначенных для снижения нейтронного и гамма-излучения от ядерного реактора или изотопного источника. Способ включает размещение в отсеке предварительного приготовленного сплава гидрида лития с диспергированным в него порошком вольфрама с последующим нагревом до 450-550°C. Затем осуществляют охлаждение со скоростью около 2°C/ч. При этом свободное пространство отсека заполняют расплавленным гидридом лития. Полученный монолит с необходимым профилем гидрида лития и диспергированного в него тяжелого компонента герметизируют. В результате повышается массогабаритная характеристика многокомпонентной радиационной защиты.

Недостатком данного способа является невозможность получения компактного готового изделия.

Прототипом является (RU 02157754 С1 20001020 «СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕЙТРОНОЗАЩИТНОГО МАТЕРИАЛА») способ изготовления нейтронозащитного материала, включающий пропитку цельной или измельченной древесины. Пропитку выполняют боросодержащими препаратами равномерно по всему объему древесины, например, в поле центробежных сил или методом электроосмотического переноса жидкости, причем в качестве боросодержащего препарата используют, например, препарат, содержащий изотопы бора, в частности В10, или насыщенный раствор борной кислоты.

В предлагаемом изобретении материал, содержащий карбид бора и вольфрам в качестве наполнителей, получается в процессе твердофазного деформационного синтеза посредством высокоэнергетичных шаровых мельниц планетарного типа. Данный метод позволяет равномерно распределить наполнители по материалу матрицы, с одной стороны, и обеспечить высокую адгезию наполнителей к матрице за счет модификации поверхности, деагломерации наночастиц, обладающих высокой поверхностной энергией.

Технический результат изобретения заключается в получении композиционных смесей на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, наполненного наночастицами карбида бора и вольфрама, за счет введения нанопорошков наполнителей, обеспечивается увеличение коэффициента поглощения рентгеновского излучения до 30% по сравнению с микрокристаллическими аналогами.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ получения материала заключается в предварительной сушке порошков сверхвысокомолекулярного полиэтилена, вольфрама, карбида бора при температуре 100-130°C, после чего порошки смешивают и подвергают обработке в высокоэнергетичной планетарной мельнице с металлическими мелящими телами, затем осуществляют термопрессование при температуре 180-200°C и давлении 35-40 МПа.

В предлагаемом материале повышение уровня радиационно-защитных свойств достигается за счет введения в композит порошка вольфрама и карбида бора дисперсностью менее 50 нм. Эффективное распределение наноразмерных наполнителей по полимерной матрице обеспечивается за счет применения метода совестного механического синтеза в высокоэнергетичных планетарных мельницах с металлическими мелящими телами. Получение изделия необходимой формы из композита осуществляется методами термопрессования и экструзии при температуре 180-200°C. Благодаря хорошей перерабатываемости материала изделие радиационной защиты из данного материала может быть изготовлено практически любой сложной формы.

Возможность промышленной применимости предлагаемого материала и его использования в качестве радиационно-защитного материала подтверждается следующим примером реализации.

Пример

В качестве исходных материалов использовались сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) марки GUR 4120, нанопорошок вольфрама дисперстностью 50 нм, полученный методом водородного восстановления специально приготовленного прекурсора на основе вольфрамовой кислоты, и карбид бора, полученный механическим измельчением в шаровом механоактиваторе промышленного порошка карбида бора.

Порошки - СВМПЭ, вольфрама, карбида бора, проходят предварительную сушку при температуре 100-130°C, затем смешиваются и подвергаются обработке в высокоэнергетичной планетарной мельнице АПФ-3 с металлическими мелящими телами в следующей композиции: 60% масс. вольфрама с 8% масс. карбида бора, СВМПЭ остальное. Полученная после перемешивания в мельнице композиционная смесь подвергается термопрессованию при температуре 180-200°C и давлении 35-40 МПа, параметры были подобраны опытным путем.

При прессовании выше или ниже указанного интервала температуры и давления наблюдается снижение радиационно-защитных свойств. При прессовании ниже температуры 180°C наблюдается низкая адгезия между материалом наполнителя и полимерной матрицей, при температурах выше 200°С происходит интенсивное окисление полимерной матрицы. При давлении ниже 35 МПа материал получался с высокой степенью пористости, а при давлениях выше 40 МПа материал начинает течь из объема пресс-формы.

На чертеже показан пример структуры композита, полученной на сканирующем электронном микроскопе, путем получения среза композита. На верхнем рисунке показана структура композита, обработанного в низкоэнергетичной шаровой мельнице, а на нижнем рисунке в высокоэнергетичной мельнице в соответствии с предлагаемым способом. Видно, что структура композита при использовании предлагаемого способа получения является более однородной, а следственно лучше защищает от ионизирующего излучения.

Способ получения радиационно-защитного материала на полимерной основе, заключающийся в предварительной сушке порошков сверхвысокомолекулярного полиэтилена в количестве 32 мас.%, вольфрама в количестве 60 мас.%, карбида бора в количестве 8 мас.% при температуре 100-130°C, после чего порошки смешивают и подвергают обработке в высокоэнергетичной планетарной мельнице с металлическими мелящими телами, затем осуществляют термопрессование при температуре 180-200°C и давлении 35-40 МПа.