CN108335771B - 中子屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中子屏蔽材料及其制备方法，以重量份计，包括环氧树脂80‑120份，固化剂1‑90份，阻燃剂130‑180份，密度增加剂5‑20份，中子吸收剂1‑5份，阻燃剂的中位粒径为0.5μm‑30μm，密度增加剂的中位粒径为1μm‑10μm。通过改变阻燃剂和密度增加剂的中位粒径，避免在浇注的过程中卷入气体，控制固化温度和固化时间，加快该混合体系的凝固速度，提高凝固效果，保证中子屏蔽材料具有良好的阻燃性、导热性、力学性能和内部的气孔少等优良性能，解决了现有的中子屏蔽材料导热和阻燃性能较差，成型性能差，粘度不佳，不适宜浇注等问题，提高对中子辐射的屏蔽效果。

Description

中子屏蔽材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及对核电站产生的乏燃料进行屏蔽的材料，尤其涉及一种中子屏蔽材料及其制备方法。

背景技术

中子是构成原子核的基本粒子之一，本身不带电，但由于其具有较高的速度能使物质发生电离，产生放射性辐射，被广泛应用于国防、科研、放射治疗及探测等领域。中子在利用核裂变发展核电中不可或缺，为人类提供了大量的清洁能源。然而，中子电离产生的大量次级粒子与组织细胞相互作用，对人体健康造成巨大危害，同时，中子辐照能使材料内部产生点缺陷和位错，使材料性能发生退化。日本福岛核事故发生后，核能的安全性问题受到社会的广泛关注，轻便、高效、综合性能优异的屏蔽材料对核电设备的安全运行具有重要意义。随着我国越来越多的核电机组投入运行，产生了大量乏燃料组件，乏燃料组件须通过贮存、运输转移进行乏燃料后处理。在贮存及运输的过程，对中子及γ射线等放射性物质的包容十分重要。乏燃料具有一定的放射性，同时不断产生衰变热。乏燃料贮运容器在使用过程中为保证容器自身的安全，需要及时将热量排出，这要求辐射防护材料应具备良好的导热能力，同时为防止火灾事故对放射性包容的破坏，要求辐射防护材料本身具有良好的阻燃性能。但现有的屏蔽材料存在导热和阻燃性能较差，成型性能差，粘度不佳，不适宜浇注等情况。

因此，需要对屏蔽材料的配方进行改进以制得性能优良的中子屏蔽材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中子屏蔽材料及其制备方法以克服导热和阻燃性能较差，成型性能差，粘度不佳，不适宜浇注等问题。

为实现上述目的，本发明之一提供了一种中子屏蔽材料，以重量份计，包括环氧树脂80-120份，固化剂1-90份，阻燃剂130-180份，密度增加剂5-20份，中子吸收剂1-5份，阻燃剂中位粒径为0.5μm-30μm，密度增加剂中位粒径为1μm-10μm。

本发明还提供上述中子屏蔽材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将环氧树脂和部分阻燃剂进行真空混炼；

(2)在(1)中加入另一部分阻燃剂、密度增加剂、中子吸收剂，并进行真空混炼和脱泡处理；

(3)在(2)中加入固化剂进行真空混炼并制得混合物；

(4)将(3)中混合物进行浇注；

(5)在(4)后进行固化处理。

与现有技术相比，本发明提供的中子屏蔽材料包括环氧树脂80-120份，固化剂1-90份，阻燃剂130-180份，密度增加剂5-20份，中子吸收剂1-5份，其中阻燃剂的中位粒径为0.5μm-30μm，密度增加剂的中位粒径为1μm-10μm，对于中子屏蔽材料来说，阻燃剂的中位粒径在一定范围内，阻燃剂中位粒径越大，添加量也会越多，添加的体积分数也会越大，中子屏蔽材料的导热系数也会越高，阻燃剂的中位粒径越小，体系的阻燃性能越好，在中子屏蔽材料中阻燃剂130-180份，中位粒径为0.5μm-30μm时，能达到最佳的阻燃性能和导热系数；在保证密度符合要求的前提下，密度增加剂能通过改变含量和中位粒径能调节该混合体系的均匀性、粘度和固化过程，使该体系的粘度保持在恰当的范围避免在浇注的过程中卷入气体，并能控制固化温度和固化时间，加快该混合体系的凝固速度，提高凝固效果，保证中子屏蔽材料具有良好的阻燃性、导热性、力学性能和内部的气孔少等优良性能。

本发明的制备方法中，阻燃剂的两次加入有利于降低团聚现象，增加混合物的均匀性，提高中子屏蔽材料的导热系数和阻燃性能。

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术内容、构造特征，以下结合实施方式作进一步说明。

一种中子屏蔽材料，以重量份计，包括环氧树脂80-120份，固化剂1-90份，阻燃剂130-180份，密度增加剂5-20份，中子吸收剂1-5份，阻燃剂中位粒径为0.5μm-30μm，密度增加剂中位粒径为1μm-10μm，其中阻燃剂中位粒径可以是0.5μm、5μm、9μm、12μm、15μm、20μm、25μm、30μm，密度增加剂中位粒径可以是1μm、3μm、5μm、7μm、9μm、10μm。

较佳地，固化剂选自胺类固化剂和酸酐类固化剂中的一种或两种，其中胺类固化剂优选改性指环胺，二乙烯三胺、三乙烯四胺，酸酐类固化剂优选甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐和甲基纳迪克酸酐。

较佳地，固化剂还包括咪唑类固化促进剂，咪唑类固化促进剂选自2-甲基咪唑、1-苄基-2-乙基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑和1-氨基乙基-2-甲基咪唑中的一种或多种，咪唑类固化促进剂选自2-甲基咪唑、1-苄基-2-乙基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、1-氨基乙基-2-甲基咪唑，加入咪唑类物质，促进环氧树脂-固化剂体系的固化，适当缩短混合物凝胶固化时间，减少固态混合料在液态下的沉降，改善中子屏蔽材料的组分均匀性，咪唑类物质还能通过与环氧树脂进行反应而形成交联结构的分子提高中子屏蔽材料的耐热久性能。

较佳地，环氧树脂选自双酚A环氧树脂、氢化双酚A环氧树脂、脂环族环氧树脂、酚醛环氧树脂和三缩水甘油对氨基苯酚中的一种或多种。

较佳地，环氧树脂中氢含量为7％-11％，固化剂中氢含量为6.5％-13％，提高对中子的减速效果。

较佳地，阻燃剂选自含氮膨胀型阻燃剂、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化铝、硼酸锌和氢氧化镍中的一种或多种。

较佳地，中子吸收剂选自氧化钆、钛酸镝、碳化硼、二硼化锆和二硼化钛中的一种或多种，中子吸收剂中位粒径可以是1μm、3μm、5μm、7μm、9μm、10μm。

较佳地，密度增加剂选自钨粉、铅粉、铜粉、铁粉、氧化钨、氧化铅、氧化铁、锌锆、锌粉、氧化锆粉和氧化锌粉中的一种或多种。

一种制备上述中子屏蔽材料的制备方法包括如下步骤：

(1)将环氧树脂和部分阻燃剂进行真空混炼，真空混炼时间视具体情况从10-30min中选一具体值；

(2)在(1)中加入另一部分阻燃剂、密度增加剂、中子吸收剂，并进行所述真空混炼和脱泡处理，脱泡处理时间、混炼温度分别从2-5h，30-50℃中视具体情况选一具体值；

(3)在(2)中加入固化剂进行真空混炼并制得混合物；

(4)将(3)中混合物进行浇注到真空模具；

(5)在(4)后，将真空模具放入烘箱中进行固化处理，固化温度，固化时间分别从30-50℃、24-28h中视具体情况选一具体值。

以下对于本发明的中子屏蔽材料利用实施例进行详细的说明。

制备中子屏蔽材料的组分及重量份数、中位粒径如下表所示，本实施例所有原料皆为市售产品。

按表1中子屏蔽材料的实施例1-5和对比例1-3的环氧树脂、固化剂、阻燃剂、中子吸收剂和密度增加剂的重量份数和中位粒径称取原料，按如下步骤制备中子屏蔽材料：

(1)将环氧树脂和部分阻燃剂(为一半的阻燃剂)，进行真空混炼，真空混炼10min；

(2)在(1)中加入另一部分阻燃剂、密度增加剂、中子吸收剂，并进行所述真空混炼和脱泡处理，脱泡处理时间、混炼温度分别为5h、50℃；

(3)在(2)中加入固化剂进行真空混炼并制得混合物；

(4)将(3)中混合物进行浇注到真空模具；

(5)在(4)后，将真空模具放入烘箱中进行固化处理，固化温度、固化时间分别为50℃、28h。

表1.中子屏蔽材料的组分及重量份数、中位粒径

将实施例1-5与对比例1-3制备的中子屏蔽材料进行导热系数和阻燃性能测试，测试方法如下：

导热系数测试方法

λ＝ρ·c·α，其中：λ为导热系数，单位为W/(m·K)；ρ为体积密度，单位为kg·m^-3；c为比热容，单位为J/(kg·K)；α为热扩散系数，单位为m²/s。

通过检测试样的体积密度、热扩散系数和比热容，并进行计算得到导热系数λ。

(体积密度采用阿基米德排水法进行测试，比热容采用DSC蓝宝石方法进行测试，热扩散系数采用激光闪射法进行测试。)

阻燃性能测试方法

材料的阻燃特性用氧指数表示，氧指数是指一定尺寸的材料(试片)装入试验装置中，在规定条件下，通入氧气和氮气的混合气体，将试片用点火器点燃，测定保持如蜡状持续燃烧所必须的最低氧浓度(以百分数来表示)。氧指数高于21％表示材料不容易燃烧，氧指数低于21％表示材料容易燃烧。

中子屏蔽材料进行导热系数和阻燃性能测试结束后，检验结果如表2：

表2.实施例1-5和对比例1-3的导热性能和阻燃性能

从上表2实施例1-5与对比例1-3的导热系数和阻燃性能比较可得出，实施例1-5比对比例1-2的导热性能和阻燃性能更好，这是因为对于中子屏蔽材料来说，阻燃剂的中位粒径在一定范围内，阻燃剂中位粒径越大，添加量也会越多，添加的体积分数也会越大，中子屏蔽材料的导热系数也会越高，阻燃剂的中位粒径越小，体系的阻燃性能越好，在中子屏蔽材料中阻燃剂130-180份，中位粒径为0.5μm-30μm时，能达到最佳的阻燃性能和导热系数；在保证密度符合要求的前提下，密度增加剂能通过改变含量和中位粒径能调节该混合体系的均匀性、粘度和固化过程，使该体系的粘度保持在恰当的范围避免在浇注的过程中卷入气体，并能控制固化温度和固化时间，加快该混合体系的凝固速度，提高凝固效果，保证制备的中子屏蔽材料具有良好的阻燃性、导热性、力学性能和内部的气孔少等优良性能。

以上所揭露的仅为本申请的较佳实例而已，不能以此来限定本申请之权利范围，因此依本申请权利要求所作的等同变化，均属于本申请所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种中子屏蔽材料的中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将80-120份环氧树脂和部分阻燃剂进行真空混炼；

(2)在(1)中加入另一部分所述阻燃剂、5-20份中位粒径1μm-10μm的密度增加剂、1-5份中子吸收剂，并进行所述真空混炼和脱泡处理，其中部分所述阻燃剂和另一部分所述阻燃剂的总份数为130-180份，所述阻燃剂的中位粒径为0.5μm；

(3)在(2)中加入1-90份固化剂进行所述真空混炼并制得混合物；

(4)将(3)中所述混合物进行浇注；

(5)在(4)后进行固化处理；

所述阻燃剂选自含氮膨胀型阻燃剂、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化铝、硼酸锌和氢氧化镍中的一种或多种，所述环氧树脂选自双酚A环氧树脂、氢化双酚A环氧树脂、脂环族环氧树脂、酚醛环氧树脂和三缩水甘油对氨基苯酚中的一种或多种，所述环氧树脂中氢含量为7％-11％；

以上各物质的含量皆以重量份数计。

2.根据权利要求1所述的中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述固化剂选自胺类固化剂和酸酐类固化剂中的一种或两种。

3.根据权利要求2所述的中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述固化剂还包括咪唑类固化促进剂，所述咪唑类固化促进剂选自2-甲基咪唑、1-苄基-2-乙基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑和1-氨基乙基-2-甲基咪唑中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述固化剂中氢含量为6.5％-13％。

5.根据权利要求1所述的中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述中子吸收剂选自氧化钆、钛酸镝、碳化硼、二硼化锆和二硼化钛中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述中子吸收剂中位粒径为1μm-10μm。

7.根据权利要求1所述的中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述密度增加剂选自钨粉、铅粉、铜粉、铁粉、氧化钨、氧化铅、氧化铁、锌锆、锌粉、氧化锆粉和氧化锌粉中的一种或多种。