CN104292609A - 一种耐热复合屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐热复合屏蔽材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐热复合屏蔽材料，它由13.5%~17.7%重量份数的聚丙烯、1%~2%重量份数的碳化硼粉、0.3%~0.5%重量份数的硅烷偶联剂以及81%~84%重量份数的铅粉或氧化铅粉组成。本发明还公开了一种耐热复合屏蔽材料的制备方法。本发明的优点在于，采用了熔点高，耐热性能好的聚丙烯，使本发明具备更好的耐热性能；优化了碳化硼，铅的含量，使屏蔽材料具有更好的中子与γ射线综合屏蔽性能。

Description

一种耐热复合屏蔽材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及核工业领域，具体涉及一种中子、γ射线屏蔽材料，尤其涉及一种耐高温的中子、γ射线屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
目前，常用的中子、γ射线屏蔽材料有重混凝土，硼聚乙烯，硼钢几种。重混凝土对γ射线屏蔽能力较好，价格便宜，耐热性能好，但其中子屏蔽性能较差。硼钢的热中子与γ射线屏蔽性能好，力学性能好，耐高温，但其对高能中子屏蔽性能较差。硼聚乙烯主要用于中子辐射防护，对γ射线的屏蔽效果不好。
《核动力工程》1994，Vol.15 No.4(371-374)公布了一种铅硼聚乙烯屏蔽材料，通过加入铅实现了对γ射线的屏蔽，通过碳化硼实现了对慢中子的屏蔽，克服了上述屏蔽材料屏蔽性能单一的不足。发明人在实际运用中发现，将这种铅硼聚乙烯屏蔽材料运用在含有热源的复合屏蔽场中时，虽然短时间内能够正常工作，但是在经过较长的服役时间后，屏蔽材料块体会发生变形，拼接缝宽度增加，从而使中子与γ射线大量泄露。
另外，申请号“92114783.X”发明专利公开的屏蔽材料采用石墨、氧化镝等实现对快中子的屏蔽，这两种材料对快中子屏蔽作用并不是最佳的，而且该发明专利公开的材料中，屏蔽γ射线用材料组分低于40%，会导致其γ射线屏蔽性能差。
发明内容
本发明的目的即在于克服现有的铅硼聚乙烯屏蔽材料在有热源的环境下长时间服役后容易发生变形，对γ射线屏蔽性能差，且采用了对快中子屏蔽作用并不好的材料进行快中子屏蔽的不足，提供一种耐热复合屏蔽材料。
本发明还提供了一种耐热复合屏蔽材料的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种耐热复合屏蔽材料，由13.5%~17.7%重量份数的聚丙烯、1%~2%重量份数的碳化硼粉、0.3%~0.5%重量份数的硅烷偶联剂以及81%~84%重量份数的铅粉或氧化铅粉组成。
发明人在实际工作中发现，《核动力工程》1994，Vol.15 No.4(371-374)公布了一种铅硼聚乙烯屏蔽材料，其在有热源的复合屏蔽场中工作较长时间后，会出现屏蔽材料块体发生变形的情况，拼接缝宽度增加，导致中子与γ射线大量泄露。
发明人为了解决这一问题，对传统的铅硼聚乙烯屏蔽材料进行了研究，最终发现传统的铅硼聚乙烯屏蔽材料的热变形温度在80℃~85℃之间，当其工作在环境温度低于60℃的复合屏蔽场中时，环境温度并不会对其造成影响，其长时间的正常工作能够得到保障。但是，将传统的铅硼聚乙烯屏蔽材料运用在境温度高于60℃的复合屏蔽场中时，较高的环境温度会导致其产生难以察觉的变形，这种变形在服役初期是难以察觉的，随着服役时间的增加，变形逐渐积累，最终导致拼接缝宽度增加，致使中子与γ射线大量泄露。
发明人在发现屏蔽材料的热变形温度过低是导致拼接缝宽度增加的原因后，对现有的屏蔽材料进行了改进，采用变形温度较高的聚丙烯替代变形温度较低的聚乙烯，使本发明的热变形温度提高至115℃以上。本发明在环境温度较高的复合屏蔽场中服役时，环境温度并不会对其造成影响，杜绝了微量变形的发生，从而解决了长时间服役后屏蔽材料块体发生变形，拼接缝宽度增加导致中子与γ射线大量泄露的问题。
在申请号“92114783.X”的发明专利中，聚乙烯作为模塑物质使用，而采用大量石墨、氧化镝等材料对快中子进行屏蔽。石墨、氧化镝等材料对快中子的屏蔽效果并不好，大量模石墨、氧化镝等材料的使用也导致铅等γ射线屏蔽物质的用量受到限制，最终使得该发明公开的屏蔽材料对γ射线的屏蔽性能较低。究其原因，是由于该发明人没有意识到，聚乙烯、聚丙烯中含有大量的氢原子，聚乙烯、聚丙烯中含有的氢原子即可对快中子实现很好的屏蔽，根本没有必要再利用石墨、氧化镝等材料对快中子进行屏蔽。在该发明中，快中子屏蔽效果是通过聚乙烯带来的，而快中子屏蔽效果较差的石墨、氧化镝等材料对提高快中子屏蔽性能没有任何帮助。
发明人经过研究，在发现了上述问题的基础上，在本发明中，取消了石墨、氧化镝等快中子屏蔽物，从而增加了铅粉或氧化铅粉的含量，使其重量组分达到81%~84%，从而在对快中子有效屏蔽的基础上，加强了γ射线的屏蔽性能。
进一步的，所述碳化硼粉、铅粉和氧化铅粉的粒径为50-150微米。目前，铅硼聚乙烯生产用铅粉与碳化硼粉粒径小于45微米，在制造过程中铅粉与碳化硼粉粒容易四处飞扬，对环境造成影响，不利于工作人员的身体健康。将碳化硼粉、铅粉和氧化铅粉的粒径增大，可以减少碳化硼粉、铅粉和氧化铅粉的飞扬，同时，还可以增加粉料混合时的流动性。
将碳化硼粉、铅粉和氧化铅粉的粒径限定为50-150微米，能够不影响碳化硼粉、铅粉和氧化铅粉在混合时的均匀性。
进一步的，聚丙烯的重量份数优选为17.5%，碳化硼的重量份数优选为1%，硅烷偶联剂的重量份数优选为0.5%，铅粉的重量份数优选为81%。
一种耐热复合屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：
A．混料，将铅粉或氧化铅粉，碳化硼粉，硅烷偶联剂加入到混料机中混匀，得到混合料；
B．混炼，将混合料与聚丙烯加入到高速混炼器中进行混炼，得到混炼料；
C．造粒，将混炼料粉碎后，送入造粒机中挤出造粒，得到粒料；
D．成型，将粒料经塑化后挤入成型模具中，然后压制成型，自然冷却至室温后，脱模得到耐热复合屏蔽材料块。
进一步的，铅粉或氧化铅粉的重量份数为81%~84%，碳化硼粉的重量份数为1%~2%，硅烷偶联剂的重量份数为0.3%~0.5%，聚丙烯的重量份数为13.5%~17.7%。
进一步的，聚丙烯的重量份数优选为17.5%，碳化硼的重量份数优选为1%，硅烷偶联剂的重量份数优选为0.5%，铅粉的重量份数优选为81%。
进一步的，所述步骤B中，混炼温度为160℃~170℃。
进一步的，所述步骤C中，在200℃~210℃条件下进行挤出造粒。
进一步的，所述步骤D中，在180℃~190℃、5Mpa~10MPa条件下进行压制成型。
综上所述，本发明的优点和有益效果在于：
1．采用了熔点高，耐热性能好的聚丙烯，使本发明具备更好的耐热性能；
2．取消了石墨、氧化镝等快中子屏蔽物，从而增加了铅粉或氧化铅粉的含量，使其重量组分达到81%~84%，从而在对快中子有效屏蔽的基础上，加强了γ射线的屏蔽性能；
3．将碳化硼粉、铅粉和氧化铅粉的粒径限定为50-150微米，能够在不影响碳化硼粉、铅粉和氧化铅粉在混合时的均匀性的基础上，减少碳化硼粉、铅粉和氧化铅粉在加工过程中的飞扬情况，从而对环境更加友好。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。
实施例1：
一种耐热复合屏蔽材料，由81%重量份数的铅粉，1%重量份数的碳化硼粉，0.3%重量份数的硅烷偶联剂和17.7%重量份数的聚丙烯组成。铅粉和碳化硼粉的粒径为50微米。
其制备方法如下：
A．混料，将8100g铅粉，100g碳化硼粉，30g硅烷偶联剂加入到混料机中混匀，得到混合料；
B．混炼，将混合料与1770g聚丙烯加入到高速混炼器中，在160℃温度下进行混炼，得到混炼料；
C．造粒，将混炼料粉碎后，送入造粒机中在200℃温度下挤出造粒，得到粒料；
D．成型，将粒料经塑化后挤入成型模具中，然后在180℃、5Mpa条件下压制成型，自然冷却至室温后，脱模得到耐热复合屏蔽材料块。
实施例2：
一种耐热复合屏蔽材料，由84%重量份数的铅粉，2%重量份数的碳化硼粉，0.5%重量份数的硅烷偶联剂和13.5%重量份数的聚丙烯组成。铅粉和碳化硼粉的粒径为100微米。
其制备方法如下：
A．混料，将8400g铅粉，200g碳化硼粉，50g硅烷偶联剂加入到混料机中混匀，得到混合料；
B．混炼，将混合料与1350g聚丙烯加入到高速混炼器中，在165℃温度下进行混炼，得到混炼料；
C．造粒，将混炼料粉碎后，送入造粒机中在205℃温度下挤出造粒，得到粒料；
D．成型，将粒料经塑化后挤入成型模具中，然后在190℃、7Mpa条件下压制成型，自然冷却至室温后，脱模得到耐热复合屏蔽材料块。
实施例3：
一种耐热复合屏蔽材料，由81%重量份数的氧化铅粉，1%重量份数的碳化硼粉，0.5%重量份数的硅烷偶联剂和17.5%重量份数的聚丙烯组成。铅粉和碳化硼粉的粒径为150微米。
其制备方法如下：
A．混料，将8100g铅粉，100g碳化硼粉，50g硅烷偶联剂加入到混料机中混匀，得到混合料；
B．混炼，将混合料与1750g聚丙烯加入到高速混炼器中，在170℃温度下进行混炼，得到混炼料；
C．造粒，将混炼料粉碎后，送入造粒机中在210℃温度下挤出造粒，得到粒料；
D．成型，将粒料经塑化后挤入成型模具中，然后在190℃、10Mpa条件下压制成型，自然冷却至室温后，脱模得到耐热复合屏蔽材料块。
实施例4：
一种耐热复合屏蔽材料，由82%重量份数的铅粉，2%重量份数的碳化硼粉，0.4%重量份数的硅烷偶联剂和15.6%重量份数的聚丙烯组成。铅粉和碳化硼粉的粒径为150微米。
其制备方法如下：
A．混料，将8200g铅粉，200g碳化硼粉，40g硅烷偶联剂加入到混料机中混匀，得到混合料；
B．混炼，将混合料与1560g聚丙烯加入到高速混炼器中，在170℃温度下进行混炼，得到混炼料；
C．造粒，将混炼料粉碎后，送入造粒机中在210℃温度下挤出造粒，得到粒料；
D．成型，将粒料经塑化后挤入成型模具中，然后在190℃、10Mpa条件下压制成型，自然冷却至室温后，脱模得到耐热复合屏蔽材料块。
实施例5：
将实施例1~4中得到的耐热复合屏蔽材料块加工成1厘米厚的板材。
将铅硼聚乙烯PB202(含碳化硼1%，含铅80%，聚乙烯19%，密度3.6g/cm3)加工成1厘米厚的板材，作为对比例。
对上述板材进行中子屏蔽性能测试，方法如下：
将241Am-Be源放入带有石蜡准直器的石蜡罐中，使中子束直接照射到中子剂量仪上，然后在源与剂量仪的中间放上板材，记录剂量仪前后的记数，用有屏蔽材料时的记数除以没有屏蔽材料时的记数得到透过比，屏蔽材料对241Am-Be源中子束的屏蔽率为：1-透过比。
对上述板材进行γ射线屏蔽性能测试，方法如下：
带有铅罐与准直器的137Cs源安放到实验用支架上，使γ射线束直接射到PTW通用剂量仪上，然后在源与剂量仪的中间放上屏蔽材料以阻隔γ射线，记录剂量仪前后的记数，用有屏蔽材料时的记数除以没有屏蔽材料时的记数得到透过比，再通过公式转换成屏蔽材料对137Csγ射线的衰减系数：
 
H：使用屏蔽材料后的剂量
H0：使用屏蔽材料前的剂量
T：屏蔽材料厚度cm
μ:屏蔽材料的线衰减系数cm-1。
对上述材料进行耐高温性能测试。按GB/T1634.2-2004塑料负荷变形温度的测定材料标准来测定上述材料的热变形温度。
实验结果如表1所示。
表1
  实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例
中子屏蔽率 23.3% 22.9% 23.3% 23.2% 23%
γ射线衰减系数 0.394cm-1 0.451cm-1 0.381cm-1 0.419cm-1 0.37cm-1
热变形温度 115℃ 117℃ 120℃ 115℃ 82℃
从表1可以看出，本发明公开的耐热复合屏蔽材料，其中子屏蔽率与传统的铅硼聚乙烯基本一致，而γ射线衰减系数大幅提高，热变形温度大幅上升。
同时，还可以发现，实施例3采用中的配比得到的耐热复合屏蔽材料，具有最高的热变形温度，是为了得到最好的耐高温性能的一种优选方案。
另外，本领域技术人员可以很明显看出的是，如果将实施例3中的氧化铅粉替换成铅粉，能够得到更好的γ射线屏蔽性能。
本领域技术人员能够意识到的是，可进一步有选择的应用上文多个示例性实施例描述的许多变化和构造来形成本发明的其它可能的实施例。考虑到本领域技术人员的能力，本文未详细提供或描述所有可能重复的内容，但以其它方式所包含的所有组合和可能实施例为本申请的一部分。

Claims (9)

1.一种耐热复合屏蔽材料，其特征在于：由13.5%~17.7%重量份数的聚丙烯、1%~2%重量份数的碳化硼粉、0.3%~0.5%重量份数的硅烷偶联剂以及81%~84%重量份数的铅粉或氧化铅粉组成。
2.根据权利要求1所述的，一种耐热复合屏蔽材料，其特征在于：所述碳化硼粉、铅粉和氧化铅粉的粒径为50-150微米。
3.根据权利要求1所述的一种耐热复合屏蔽材料，其特征在于：聚丙烯的重量份数为17.5%，碳化硼的重量份数为1%，硅烷偶联剂的重量份数为0.5%，铅粉的重量份数为81%。
4.一种耐热复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A．混料，将铅粉或氧化铅粉，碳化硼粉，硅烷偶联剂加入到混料机中混匀，得到混合料；
B．混炼，将混合料与聚丙烯加入到高速混炼器中进行混炼，得到混炼料；
C．造粒，将混炼料粉碎后，送入造粒机中挤出造粒，得到粒料；
D．成型，将粒料经塑化后挤入成型模具中，然后压制成型，自然冷却至室温后，脱模得到耐热复合屏蔽材料块。
5.根据权利要求4所述的一种耐热复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于：铅粉或氧化铅粉的重量份数为81%~84%，碳化硼粉的重量份数为1%~2%，硅烷偶联剂的重量份数为0.3%~0.5%，聚丙烯的重量份数为13.5%~17.7%。
6.根据权利要求5所述的一种耐热复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于：聚丙烯的重量份数为17.5%，碳化硼的重量份数为1%，硅烷偶联剂的重量份数为0.5%，铅粉的重量份数为81%。
7.根据权利要求4~6中任意一项所述的一种耐热复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于：所述步骤B中，混炼温度为160℃~170℃。
8.根据权利要求4~6中任意一项所述的一种耐热复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于：所述步骤C中，在200℃~210℃条件下进行挤出造粒。
9.根据权利要求4~6中任意一项所述的一种耐热复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于：所述步骤D中，在180℃~190℃、5Mpa~10MPa条件下进行压制成型。
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