一种高性能聚乙烯基屏蔽材料

1.本发明涉及核辐射屏蔽防护领域，特别涉及一种高性能聚乙烯基屏蔽材料，对于热中子、快中子、高能中子均具有良好的屏蔽能力，且具有体积紧凑、耐腐蚀、结构强度高、化学性能稳定等优点，能够在150度温度下长期使用。


背景技术：

2.中子是不带电的粒子，所以它们不易受到原子核外电子的影响，与原子核直接相互作用。中子与物质之间的相互作用包括弹性和非弹性散射、各种核反应如(n，γ)、(n,x)、(n,2n)、(n,3n)、裂变(n,f)等。过量的中子辐照会对设备造成损伤，威胁工作人员的健康，因此中子屏蔽材料的研发与核设施的建设应处于同样重要的位置。高能中子屏蔽是一个循序渐进的过程，快中子首先需要通过非弹性散射减速到较低的能量态，随后通过多次弹性散射减速成为热中子，最后通过吸收反应完成中子屏蔽，因此单一组分的材料很难实现高能中子的屏蔽。现有成熟的高能中子屏蔽材料包括重金属屏蔽材料、金属基屏蔽材料和聚合物基屏蔽材料。
3.金属基复合材料通常以重金属及其氧化物为基底，可用于极端温度和化学环境下的中子屏蔽。聚合物基复合材料的特点在于其密度较低，常用于航天器和便携式仪器的中子屏蔽，但其屏蔽光子和重离子的性能较差，因此通常在其内部混入重金属粒子，以提高其屏蔽光子和重离子的性能。高能中子复合屏蔽材料通常需要包含高z(原子序数)、低z和热中子吸收组分。每个组分的选择需要考虑很多因素，包括但不限于中子的慢化和俘获能力，二次辐射的产生情况，抗活化能力，耐化学腐蚀能力及热性能。除了材料自身的性能外，还需要综合考虑材料的成本以及对环境和工人的影响。
4.聚合物基屏蔽材料常用的有铅硼聚乙烯，钨硼聚乙烯等。该种材料多含有聚乙烯成分，因其含氢量高、加工工艺成熟、成本低、弹性散射截面大、重量轻、化学稳定性好等特点，被广泛用作辐射屏蔽复合材料的基体。聚乙烯因为其内含有大量的氢原子，氢的弹性散射截面较大，可用于2mev以下的中子衰减，而对于2mev以上中子屏蔽，则主要添加高z材料。铅作为一种常用的高z添加材料，由于其高密度(11.5g/cm3)、高原子序数(z＝82)、高线性衰减系数和质量衰减系数，是屏蔽x和伽马射线的优良材料，并且铅的(n，γ)截面小，非弹性散射截面大，是非常具有竞争力的中子慢化材料，然而使用铅的一个不可避免的问题是其对人体的毒性，这在用作治疗大厅和便携式设备的屏蔽材料时尤为突出。钨是一种无毒的高z添加剂，具有高密度、高散射截面、优异的力学性能、相对良性的活化产物以及比铅更好的屏蔽光子屏蔽性能，常被用作复合材料的增强相，但其俘获中子截面较低。硼化钨是种新型的屏蔽材料(c.g.windsoretal2018nucl.fusion58076014，coling.windsoretal2021nucl.fusion61086018)，利用
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b元素的热中子吸收截面高的优点增强材料的整体中子俘获截面。因此，研发基于聚乙烯基的硼化钨屏蔽材料对于热中子、快中子、高能中子均具有良好的屏蔽能力。对于高能中子，基于聚乙烯基的硼化钨屏蔽材料能够利用钨元素的非弹性散射快速降低中子能量，而后通过聚乙烯中c、h元素的弹性散射进一步降低中子能谱，最后
通过硼元素俘获降速后的中子，同时钨元素也俘获一部分中子。基于聚乙烯基的硼化钨屏蔽材料具有体积紧凑、耐腐蚀、结构强度高、化学性能稳定等优点。


技术实现要素：

5.本发明提供一种高性能聚乙烯基屏蔽材料，对于热中子、快中子、高能中子均具有良好的屏蔽能力，且具有体积紧凑、耐腐蚀、结构强度高、化学性能稳定等优点，能够在150度温度下长期使用。
6.本发明采用下列技术方案：
7.本发明提供一种高性能聚乙烯基屏蔽材料，所述一种高性能聚乙烯基屏蔽材料，是按照包括如下步骤的方法制备的：按原料混合物总质量计，将25～60wt％硼化钨，30～70wt％聚乙烯，0.5-2.5wt％偶联剂，0.1～5wt％抗氧化剂混合得到原料混合物，然后将所述原料混合物通过热压成型或热等静压方法成型。
8.进一步地，按原料混合物总质量计，原料混合物中，硼化钨的含量为25～60wt％，例如，硼化钨的含量为25wt％、27wt％、29wt％、31wt％、33wt％、35wt％、37wt％、39wt％、40wt％、42wt％、44wt％、46wt％、48wt％、50wt％、52wt％、54wt％、56wt％、58wt％或60wt％。
9.进一步地，按原料混合物总质量计，原料混合物中，聚乙烯的含量为30～70wt％，例如聚乙烯的含量为30wt％、31wt％、33wt％、35wt％、37wt％、39wt％、40wt％、42wt％、44wt％、46wt％、48wt％、50wt％、52wt％、54wt％、56wt％、58wt％、60wt％、62wt％、64wt％、66wt％、68wt％或70wt％。
10.进一步地，按原料混合物总质量计，原料混合物中，偶联剂的含量为0.5-2.5wt％，例如，偶联剂的含量为0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％、2wt％、2.1wt％、2.2wt％、2.3wt％、2.4wt％或2.5wt％。
11.进一步地，按原料混合物总质量计，原料混合物中，抗氧化剂的含量为0.1～5wt％，例如，例如，抗氧化剂的含量为0.1wt％、0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％、2wt％、2.1wt％、2.2wt％、2.3wt％、2.4wt％、2.5wt％、2.7wt％、2.9wt％、3.1wt％、3.3wt％、3.5wt％、3.7wt％、3.9wt％、4.1wt％、4.3wt％、4.5wt％、4.7wt％、4.9wt％或5wt％。
12.进一步地，所述的硼化钨为粉末状态，硼化钨粉末粒径为100-500目，且硼、钨原子数比例范围为2.5～1，例如硼、钨原子数比例范围为2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1或1。硼化钨材料杂质中sn、ni、cu、mg、ba等5种元素的质量百分比总和小于0.5％，例如化钨材料杂质中sn、ni、cu、mg、ba等5种元素的质量百分比总和为0.49％、0.4％、0.3％、0.2％、0.1％或0。例如硼化钨粉末粒径为100、150、200、250、300、350、400、450或500目，硼/钨原子比为2.0，材料杂质中sn、ni、cu、mg、ba等5种元素的质量百分比总和为0.3％。
13.进一步地，所述的聚乙烯为粉末状态，聚乙烯粉末粒径为100-300目，且聚乙烯为交联聚乙烯，其分子量大于10万(例如分子量为10.1万～12万)，具有三维网状结构。例如，
聚乙烯粉末粒径为100、200、300目，聚乙烯为交联结构，其分子量为12万，具有三维网状结构。
14.进一步地，所述的抗氧化剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、2,4-二(正辛基硫亚甲基)-6-甲基苯酚、1,3,5-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)异氰尿酸、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯、n,n'-二仲丁基对苯二胺、β,β'-硫代二丙酸二硬脂酸酯和三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯中一种或多种组合。例如，抗氧化剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
[0015]
进一步地，所述偶联剂为n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、n-(β一氨乙基)-γ-氨丙基三甲(乙)氧基硅烷、氨丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中一种或多种组合。例如，偶联剂为n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷。
[0016]
进一步地，热压成型的温度为100-150℃，压力10～20mpa，保温时间为20-60分钟。
[0017]
实施本发明实施例，具有如下的有益效果：
[0018]
本发明提供的新型一种高性能聚乙烯基屏蔽材料，含钨量高对高能的中子降速效果好、含有碳和氢对低能中子降速效果好，含有硼对低能中子具有较高俘获截面，对于热中子、快中子、高能中子均具有良好的屏蔽能力，且具有体积紧凑、耐腐蚀、结构强度高、化学性能稳定等优点，能够在150摄氏度温度下长期使用。
附图说明
[0019]
图1本发明实施例1制备的复合屏蔽材料和现有技术的混凝土材料在100mev中子轰击下屏蔽效果比较示意图
具体实施方式
[0020]
下述对本发明提供的一种高性能聚乙烯基屏蔽材料进行说明。
[0021]
实施例1
[0022]
本发明提供的一种新型一种高性能聚乙烯基屏蔽材料，制备方法包括如下步骤：
[0023]
(1)称取如下原料：以原料的总质量计算，45wt％硼化钨，50wt％聚乙烯，2.5wt％偶联剂，2.5wt％抗氧化剂。
[0024]
其中硼化钨为粉末状态，粒径为200目，硼/钨原子比为2.0，材料杂质中sn、ni、cu、mg、ba等5种元素的质量百分比总和为0.3％；聚乙烯为粉末状态，粒径100目，其分子量为12万。抗氧化剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。偶联剂为n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷。
[0025]
(2)采用混匀机对上述原料进行混匀，然后将混匀后粉末进行热压成型。热压成型的温度为130℃，压力10mpa，保温时间为60分钟。成型后材料的密度为8.2g/cm3。规格尺寸为长
×
宽
×
高为800mm
×
800mm
×
500mm。
[0026]
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
[0027]
为充分展示说明本发明研制材料屏蔽材料性能，将研制材料与常用屏蔽材料混凝土(硅酸盐水泥，无锡市江淮建材科技有限公司pii-42.5)进行比较。图1比较结果说明研制材料对中子射线的屏蔽能力远高于混凝土，对于100mev中子屏蔽，将初始剂量降低到1/10，
需要研制材料的厚度仅为混凝土厚度1/4，本发明研制材料展现出来良好的屏蔽性能。
[0028]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求范围，因此凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本发明的权利要求范围内。

技术特征：
1.一种高性能聚乙烯基屏蔽材料，其特征在于，所述复合屏蔽材料是按照包括如下步骤的方法制备的：按原料混合物总质量计，将25～60wt％硼化钨，30～70wt％聚乙烯，0.5-2.5wt％偶联剂，0.1～5wt％抗氧化剂混合得到原料混合物，然后将所述原料混合物通过热压成型或热等静压方法成型。2.根据权利要求1所述的一种高性能聚乙烯基屏蔽材料，其特征在于，所述的硼化钨为粉末状态，粒径为100-500目；硼、钨原子数比例范围为2.5～1；材料杂质中sn、ni、cu、mg、ba等5种元素的质量百分比总和小于0.5％。3.根据权利要求1所述的一种高性能聚乙烯基屏蔽材料，其特征在于，所述聚乙烯为粉末状态，粒径为100-300目，聚乙烯为交联聚乙烯，其分子量大于10万，具有三维网状结构。4.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述的抗氧化剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、2,4-二(正辛基硫亚甲基)-6-甲基苯酚、1,3,5-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)异氰尿酸、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯、n,n'-二仲丁基对苯二胺、β,β'-硫代二丙酸二硬脂酸酯和三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯中一种或多种组合。5.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述偶联剂为n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、n-(β一氨乙基)-γ-氨丙基三甲(乙)氧基硅烷、氨丙基甲基二乙氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中一种或多种组合。6.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：热压成型的温度为100-150℃，压力10～20mpa，保温时间为20-60分钟。

技术总结
本发明提供一种高性能聚乙烯基屏蔽材料，其原料组分按照质量配比，包括：25～60wt％硼化钨，30～70wt％聚乙烯，0.5-2.5wt％偶联剂，0.1～5wt％抗氧化剂，通过热压成型方法成型。本发明提供的材料对于热中子、快中子、高能中子均具有良好的屏蔽能力，且具有体积紧凑、耐腐蚀、结构强度高、化学性能稳定等优点，能够在150摄氏度温度下长期使用。150摄氏度温度下长期使用。150摄氏度温度下长期使用。


技术研发人员：祝庆军 邵乾焜 戚强 刘松林
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/15