CN102585330A - 一种钨—高分子聚合物复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钨-高分子聚合物复合材料及其制备方法。本发明由以下重量配比的组分构成：高分子聚合物20～100、钨粉950～1000、钨纤维0～50、偶联剂0.5～5及其他助剂0.5～10，其中所用钨粉通过气流粉碎并经表面改性制得。本发明中的钨粉密实性和流动性好，装载量高。本发明的复合材料具有良好的物理机械性能，且耐侯性、耐化学性及耐有机溶剂性好，不仅可应用于射线屏蔽领域，亦可应用于隔振、配重、热传导、军械弹药等领域。

Description

一种钨—高分子聚合物复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料工程领域，具体涉及一种钨-高分子聚合物复合材料及其制备方法。 

背景技术

核电厂的反应堆是一个巨大的放射源，在核燃料裂变时会产生中子和γ辐射，裂变反应产生的裂变产物和活化反应产生的活化产物衰变时也会产生α、β和γ辐射，因此，核电站设施具有很大的潜在危险性，必须对其进行辐射屏蔽，以避免各种可能事故的发生。同时，核废料的处理也至关重要。通常所说的核废料包括中低放射性核废料和高放射性核废料两类，前者主要指核电站在发电过程中产生的具有放射性的废液、废物，占到了所有核废料的99％，后者则是指从核电站反应堆芯中换出来的燃烧后的核燃料，因为其具有高度放射性，俗称为高放射废料。在对以上核废料进行无害化处理时，也需要进行必要的辐射屏蔽处理。 

现有技术中射线屏蔽材料多为金属铅，其屏蔽效果好、成本低且易于加工，然而，铅本身有毒性，含铅的废气、废水、废渣等污染大气、水源和农作物，可危及附近居民，因此以其它材料代替铅应用于核辐射屏蔽领域势在必行。 

研究表明，一种物质的防辐射能力与其原子序数及材料密度有关，原子序数越高、材料密度越大，则屏蔽性能越好。钨的原子序数为74，密度为19.35g/cm³，具有良好的射线屏蔽性能，是用来做屏蔽材料的最佳之选，但 钨为高熔点难熔金属，其成形加工困难，在应用时易于受到形状限制。现有技术中以聚合物为基体，以钨粉为填料制备高密度钨-聚合物复合材料来解决上述问题，专利US5001354以天然橡胶乳液及钨粉为原料制备的外科手套具有防辐射性能。专利US7304105B2以不同粒径的钨粉填充弹性体而生产出一种防辐射复合材料，该材料具有良好的柔韧性及加工性能，但需要三种不同粒径的钨粉互相搭配来提高钨的装载量，制造工艺复杂。现有技术中所使用的钨粉通常是通过球磨等传统研磨技术制得的，这样制得的钨粉颗粒团聚严重，形状不规则，流动性和密实性较差，在复合材料中的装载量较低，不易于在高分子基体中均匀分散，导致复合材料物理机械性能较差。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种物理机械性能好的钨-高分子聚合物复合材料及其制备方法。 

本发明的技术方案如下： 

一种钨-高分子聚合物复合材料，包括以下重量份的组分： 

所述钨纤维的直径为10～30μm，长径比为50～150。 

所述钨粉为费氏粒度0.4μm～60μm的一种钨粉或几种钨粉的混合。 

所述高分子聚合物为塑料、橡胶或热塑性弹性体中的一种或几种。 

所述塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物中的一种或几种。 

所述橡胶包括天然橡胶、氟橡胶、硅橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶中的一种或几种。 

所述热塑性弹性体苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、双烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体、聚氨酯类弹性体、聚酯类弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体、含氟类热塑性弹性体、有机硅类热塑性弹性体中的一种或几种。 

所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或稀土偶联剂中的一种或几种。 

所述其他助剂为增塑剂、防老剂、阻燃剂、抗紫外线剂、助交联剂、硫化剂、硫化促进剂中的一种或几种。 

一种制备所述钨-高分子聚合物复合材料的方法，其特征在于：包括如下步骤： 

(1)将钨粉进行气流粉碎； 

(2)将经气流粉碎的钨粉或该钨粉及钨纤维在掺杂锅中不断搅拌，并喷淋以乙醇稀释的偶联剂进行表面改性； 

(3)将高分子聚合物、经表面改性的钨粉或该钨粉与钨纤维的混合物及其它助剂按照上述重量份混合、捏炼均匀制得喂料； 

(4)成形：将喂料通过挤出机挤出成形，或通过注射机注射成形，或通过压力成型机模压成形； 

(5)后处理：将所得制品进行剪裁、去角。 

本发明的有益效果是： 

1、本发明的复合材料由以下重量配比的组分构成：高分子聚合物20～100、钨粉950～1000、钨纤维0～50、偶联剂0.5～5及其他助剂0.5～10，与现有技术相比，除了具有良好的柔韧性和加工性能以外，本发明的复合材料中由于钨的含量很高因而具有很好的射线屏蔽性能，同时由于添加有钨纤维使得本发明的复合材料具有很好的机械强度和物理性能。 

2、本发明的复合材料所用钨粉通过气流粉碎并经表面改性制得。与现有技术相比，气流粉碎工艺简单且效率高，大大降低了钨粉的团聚现象，所得钨粉形状规则，流动性好，进一步的，通过表面改性，使得钨粉与高分子基体之间能够更好的结合，使之易于在高分子基体中均匀分散，装载量高，用该钨粉制得的本发明的复合材料具有良好的物理机械性能。 

3、本发明的复合材料中添加有增塑剂、防老剂、阻燃剂、抗紫外线剂、助交联剂、硫化剂、硫化促进剂中的一种或几种，使其耐侯性、耐化学性及耐有机溶剂性提高，具有很广的应用范围，不仅可应用于射线屏蔽领域，亦可应用于隔振、配重、热传导、军械弹药等领域。 

具体实施方式

以下根据具体实施例对本发明进行进一步的说明和描述。 

实施例1 

高密度钨-聚合物射线屏蔽复合材料配方为： 

上述钨-高分子聚合物复合材料的制备方法，其步骤为： 

(1)按上述重量份称取钨粉，将钨粉进行气流粉碎，进料压力0.9MPa，粉碎压力1.1MPa。 

(2)将经气流粉碎的钨粉在掺杂锅中不断搅拌，并喷淋以乙醇稀释的钛酸酯偶联剂进行表面改性； 

(3)按照上述重量份称取其它物料，先将苯乙烯类热塑性弹性体加入捏炼机，然后投入500重量份的上述钨粉，捏炼适当时间后将剩余钨粉及防老剂加入，捏炼均匀制得喂料，上述捏炼温度为140℃。 

(4)成形：将喂料造粒后加入挤出机中210℃挤出，冷却制得带状制品。 

(5)后处理：将所得制品进行剪裁、去角。 

实施例2 

高密度钨-聚合物射线屏蔽复合材料配方为： 

上述钨-高分子聚合物复合材料的制备方法，其步骤为： 

(1)按上述重量份称取钨粉，将钨粉进行气流粉碎，进料压力0.8MPa，粉碎压力1.0MPa。 

(2)将经气流粉碎的钨粉在掺杂锅中不断搅拌，并喷淋以乙醇稀释的硅烷偶联剂进行表面改性； 

(3)按照上述重量份称取其它物料，先将三元乙丙橡胶加入捏炼机，然后投入500重量份的上述钨粉，于120℃捏炼适当时间后将除硫化剂外的所有剩余物料依次加入，混炼均匀后出料，最后在开炼机上加入硫化剂，混炼均匀后出片制得喂料。 

(4)成形：将喂料在橡胶平板硫化机上170℃硫化制得片状制品。 

(5)后处理：将所得制品进行剪裁、去角。 

实施例3 

高密度钨-聚合物射线屏蔽复合材料配方为： 

上述钨-高分子聚合物复合材料的制备方法，其步骤为： 

(1)按上述重量份称取钨粉，将钨粉进行气流粉碎，进料压力0.9MPa，粉碎压力1.0MPa。 

(2)将经气流粉碎的钨粉与钨纤维在掺杂锅中不断搅拌，并喷淋以乙醇稀释的稀土偶联剂进行表面改性； 

(3)按照上述重量份称取其它物料，先将天然橡胶加入捏炼机，然后加入丁苯橡胶及500重量份的上述钨粉与钨纤维的混合物，于80℃捏炼适当时间后将除硫化剂外的所有剩余物料依次加入，混炼均匀后出料，排胶温度低于130℃。最后在开炼机上加入硫化剂，混炼均匀后出片制得喂料。 

(4)成形：将喂料在橡胶平板硫化机上150℃硫化制得片状制品。 

(5)后处理：将所得制品进行剪裁、去角。 

实施例4 

高密度钨-聚合物射线屏蔽复合材料配方为： 

上述钨-高分子聚合物复合材料的制备方法，其步骤为： 

(1)按上述重量份称取钨粉，将钨粉进行气流粉碎，进料压力1.0MPa，粉碎压力1.1MPa。 

(2)将经气流粉碎的钨粉在掺杂锅中不断搅拌，并喷淋以乙醇稀释的钛酸酯偶联剂进行表面改性； 

(3)按照上述重量份称取其它物料，先将尼龙6加入捏炼机，然后投入500重量份的上述钨粉，捏炼适当时间后将剩余钨粉及防老剂加入，捏炼均匀制得喂料，上述捏炼温度为230℃。 

(4)成形：将喂料造粒后在注射机上240℃注射成形制得异型件。 

(5)后处理：将所得制品进行剪裁、去角。 

实施例5 

高密度钨-聚合物射线屏蔽复合材料配方为： 

上述钨-高分子聚合物复合材料的制备方法，其步骤为： 

(1)按上述重量份称取钨粉，将钨粉进行气流粉碎，进料压力0.9MPa，粉碎压力0.9MPa。 

(2)将经气流粉碎的钨粉在掺杂锅中不断搅拌，并喷淋以乙醇稀释的钛酸酯偶联剂进行表面改性； 

(3)按照上述重量份称取其它物料，先将硅橡胶加入捏炼机，然后加入500重量份上述钨粉，于40℃捏炼适当时间后将除硫化剂外的所有剩余物料依次加入，混炼均匀后出料，排胶温度低于50℃；将混炼料自然冷却至室温，然后置于烘箱中于140℃下保温2h，取出并自然冷却后，在开炼机上返炼并加入硫化剂混炼均匀，然后停放过夜，再返炼、出片制得喂料。 

(4)成形：将喂料在橡胶平板硫化机上200℃硫化制得片状制品。 

(5)后处理：将所得制品进行剪裁、去角。 

实施例6 

高密度钨-聚合物射线屏蔽复合材料配方为： 

上述钨-高分子聚合物复合材料的制备方法，其步骤为： 

(1)按上述重量份称取钨粉，将钨粉进行气流粉碎，进料压力0.9MPa， 粉碎压力1.1MPa。 

(2)将经气流粉碎的钨粉在掺杂锅中不断搅拌，并喷淋以乙醇稀释的钛酸酯偶联剂进行表面改性； 

(3)按照上述重量份称取其它物料，先将烯烃类热塑性弹性体加入捏炼机，然后投入500重量份的上述钨粉，捏炼适当时间后将剩余钨粉及防老剂加入，捏炼均匀制得喂料，上述捏炼温度为140℃。 

(4)成形：将喂料造粒后加入挤出机中200℃挤出，冷却制得棒状制品。 

(5)后处理：将所得制品进行剪裁。 

实施例7 

高密度钨-聚合物射线屏蔽复合材料配方为： 

上述钨-高分子聚合物复合材料的制备方法，其步骤为： 

(1)按上述重量份称取钨粉，将钨粉进行气流粉碎，进料压力1.0MPa，粉碎压力1.0MPa。 

(2)将经气流粉碎的钨粉与钨纤维在掺杂锅中不断搅拌，并喷淋以乙醇稀释的钛酸酯偶联剂进行表面改性； 

(3)按照上述重量份称取其它物料，先将苯乙烯类热塑性弹性体加入捏炼机，然后投入500重量份的上述钨粉与钨纤维的混合物，捏炼适当时间后将剩余钨粉与钨纤维的混合物及防老剂加入，捏炼均匀制得喂料，上述捏炼温度为140℃。 

(4)成形：将喂料造粒后加入挤出机中210℃挤出，冷却制得管状制品。 

(5)后处理：将所得制品进行剪裁。 

实施例8 

高密度钨-聚合物射线屏蔽复合材料配方为： 

上述钨-高分子聚合物复合材料的制备方法，其步骤为： 

(1)按上述重量份称取钨粉，将钨粉进行气流粉碎，进料压力1.0MPa，粉碎压力1.0MPa。 

(2)将经气流粉碎的钨粉在掺杂锅中不断搅拌，并喷淋以乙醇稀释的硅烷偶联剂及钛酸酯偶联剂进行表面改性； 

(3)按照上述重量份称取其它物料，先将苯乙烯类热塑性弹性体及聚丙烯加入捏炼机，然后投入500重量份的上述钨粉，捏炼适当时间后将剩余钨粉及防老剂加入，捏炼均匀制得喂料，上述捏炼温度为180℃。 

(4)成形：将喂料造粒后加入挤出机中210℃挤出，冷却制得带状制品。 

(5)后处理：将所得制品进行剪裁、去角。 

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。 

Claims (10)

1.一种钨-高分子聚合物复合材料，其特征在于：包括以下重量份的组分：

2.如权利要求1所述的一种钨-高分子聚合物复合材料，其特征在于：所述钨纤维的直径为10～30μm，长径比为50～150。

3.如权利要求2所述的一种钨-高分子聚合物复合材料，其特征在于：所述钨粉为费氏粒度0.4μm～60μm的一种钨粉或几种钨粉的混合物。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的一种钨-高分子聚合物复合材料，其特征在于：所述高分子聚合物为塑料、橡胶或热塑性弹性体中的一种或几种。

5.如权利要求4所述的一种钨-高分子聚合物复合材料，其特征在于：所述塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物中的一种或几种。

6.如权利要求4所述的一种钨-高分子聚合物复合材料，其特征在于：所述橡胶包括天然橡胶、氟橡胶、硅橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶中的一种或几种。

7.如权利要求4所述的一种钨-高分子聚合物复合材料，其特征在于：所述热塑性弹性体包括苯乙烯类热塑性弹性体、烯烃类热塑性弹性体、双烯类热塑性弹性体、氯乙烯类热塑性弹性体、聚氨酯类弹性体、聚酯类弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体、含氟类热塑性弹性体、有机硅类热塑性弹性体中的一种或几种。

8.如权利要求1至3中任一权利要求所述的一种钨-高分子聚合物复合材料，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或稀土偶联剂中的一种或几种。

9.如权利要求1至3中任一权利要求所述的一种钨-高分子聚合物复合材料，其特征在于：所述其他助剂为增塑剂、防老剂、阻燃剂、抗紫外线剂、助交联剂、硫化剂、硫化促进剂中的一种或几种。

10.一种制备权利要求1至3中任一权利要求所述的一种钨-高分子聚合物复合材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将钨粉进行气流粉碎；

(2)将经气流粉碎的钨粉或该钨粉及钨纤维在掺杂锅中不断搅拌，并喷淋以乙醇稀释的偶联剂进行表面改性；

(3)将高分子聚合物、经表面改性的钨粉或该钨粉与钨纤维的混合物及其它助剂按照上述重量份混合、捏炼均匀制得喂料；

(4)成形：将喂料通过挤出机挤出成形，或通过注射机注射成形，或通过压力成形机模压成形；

(5)后处理：将所得制品进行剪裁、去角。