KR20120119158A - Multi layer radiation shielding body and preparation method for the same - Google Patents
Multi layer radiation shielding body and preparation method for the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR20120119158A KR20120119158A KR1020110036944A KR20110036944A KR20120119158A KR 20120119158 A KR20120119158 A KR 20120119158A KR 1020110036944 A KR1020110036944 A KR 1020110036944A KR 20110036944 A KR20110036944 A KR 20110036944A KR 20120119158 A KR20120119158 A KR 20120119158A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- radiation
- shielding material
- radiation shielding
- shield
- polymer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
- G21F1/12—Laminated shielding materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
- B32B37/14—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the properties of the layers
- B32B37/16—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the properties of the layers with all layers existing as coherent layers before laminating
- B32B37/20—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the properties of the layers with all layers existing as coherent layers before laminating involving the assembly of continuous webs only
- B32B37/203—One or more of the layers being plastic
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
- G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
- G21F1/10—Organic substances; Dispersions in organic carriers
- G21F1/103—Dispersions in organic carriers
- G21F1/106—Dispersions in organic carriers metallic dispersions
Abstract
Description
본 발명은 다층구조의 방사선 차폐체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 방사선 차폐물질이 고분자 기재에 분산되어 이루어진 나노복합재를 포함하여 이루어지는 다층구조의 방사선 차폐체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-layered radiation shield and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a multi-layered radiation shield and a method for producing the radiation shielding material comprising a nanocomposite is dispersed in a polymer substrate.
방사선은 의료, 산업 및 연구의 다양한 분야에 많은 유익을 주면서도 잘못 사용되면 직접적으로 인체에 피해를 줄 수 있다. 따라서 현대사회에서 방사선은 절대적으로 필요하지만 동시에 불필요한 방사선은 반드시 차폐를 해주어야 한다. 이러한 관점에서 효율성과 신뢰성이 있는 방사선 차폐재 및 이를 이용한 차폐체는 방사선의 안전에 있어서 매우 중요하다.Radiation has many benefits for various fields of medicine, industry and research, but it can directly harm the human body if misused. Therefore, radiation is absolutely necessary in modern society, but at the same time unnecessary radiation must be shielded. From this point of view, efficiency and reliability of the radiation shielding material and the shielding using the same are very important for the safety of radiation.
한편 방사선은 크게 전리방사선과 비전리 방사선으로 나뉠 수 있는데, 일반적으로 방사선은 전리방사선을 의미한다. 전리방사선에는 알파선, 베타선, 양성자, 중성자, 감마선, X-선 등이 있어 직간접으로 물질을 이온화시킬 수 있으며, 비전리 방사선은 일반적으로 에너지가 작아 물질을 통과할 때 이온을 만들지 못하거나 이온을 만들 확률이 매우 작은 방사선을 가리키며, 적외선, 가시광선 및 자외선 등이 있다.Radiation can be divided into ionizing radiation and non-ionizing radiation. In general, radiation means ionizing radiation. Ionizing radiation includes alpha rays, beta rays, protons, neutrons, gamma rays, and X-rays, which can ionize a substance directly or indirectly. Non-ionizing radiation generally has low energy that does not produce ions or create ions when passing through the substance. It refers to radiation with a very low probability and includes infrared rays, visible rays and ultraviolet rays.
상기 알파선은 물질의 투과력이 매우 낮아 공기 중에서도 흡수되어 특별히 차폐가 필요 없으며, 베타선은 알파선보다는 투과력이 큰 것으로 알려져 있지만 일반적으로는 얇은 알루미늄 호일이나 플라스틱판 정도로도 막을 수 있다. The alpha ray is absorbed in the air because of the very low permeability of the material is not particularly shielding, beta ray is known to have a greater permeability than the alpha ray, but generally can be blocked even thin aluminum foil or plastic sheet.
반면, 감마선은 핵의 붕괴나 변환으로부터 발생되며, 일반적으로 X-선보다 높은 에너지를 갖고 있는 전자기파로서, 투과력이 매우 강한 특징이 있다. 또한 X-선의 경우에는 원자를 구성하고 있는 전자의 궤도이탈에 의해 발생하는 전자기파이나 일반적으로 감마선 보다는 에너지가 작은 것이 특징이며, 이러한 감마선이나 X-선은 콘크리트 또는 텅스텐, 철, 납과 같은 밀도가 높은 금속물질을 통해서 차단할 수 있으나, 금속물질을 사용하는 경우, 이들의 고밀도로 인하여 차폐체의 중량이나 부피가 커지는 문제가 있다.On the other hand, gamma rays are generated from the collapse or transformation of a nucleus, and are generally electromagnetic waves having higher energy than X-rays, and are characterized by very strong transmission. In addition, X-rays are characterized by electromagnetic waves generated by orbital deviation of electrons constituting atoms, and generally have less energy than gamma rays. Such gamma rays and X-rays have high density such as concrete, tungsten, iron, and lead. It can be blocked through a high metal material, but when using a metal material, there is a problem that the weight or volume of the shield is large due to their high density.
중성자는 핵이 붕괴하거나 분열할 때 발생하며, 전기적으로 중성이다. 또한, 고속중성자의 경우는 1MeV 이상의 큰 에너지를 갖기 때문에, 고속중성자를 감속시키기 위해서는 중성자와 질량이 비슷한 수소가 많이 함유된 물질을 차폐재로 사용하며, 감속된 에너지가 작은 열중성자(~0.025eV)를 흡수하기 위한 중성자 흡수물질이 혼합된 차폐체가 요구된다.Neutrons occur when a nucleus collapses or divides and is electrically neutral. In addition, in the case of the fast neutron, since it has a large energy of 1 MeV or more, in order to decelerate the fast neutron, a material containing a lot of hydrogen similar in mass to the neutron is used as the shielding material. There is a need for a shield in which a neutron absorbing material is mixed to absorb the water.
특히 감마선(X-선을 포함하는 의미임, 이하 동일) 또는 중성자는 원자나 분자에 직접 작용하여 DNA나 단백질의 주요 구조를 변경시킬 수 있고, 생물의 생식세포에 작용하는 경우 돌연변이를 유도하여 기형을 유발할 확률을 증가시킬 수 있으며, 성체에 작용하는 경우 암 등의 질환을 발생시킬 수 있으며, 더욱이 열중성자는 주위의 물질을 방사화시켜 주위 환경을 방사능으로 오염시키는 문제가 있다. 따라서, 방사선이 활용되는 분야에서는 인체와 환경에 유해한 감마선 또는 중성자를 차폐할 수 있는 방사선 차폐체가 필수적으로 설치되어야 한다.In particular, gamma rays (which means X-rays, the same below) or neutrons can act directly on atoms or molecules, altering the major structure of DNA or proteins, and when they act on germ cells in organisms, they induce mutations It can increase the probability of causing, and when acting on the adult can cause diseases such as cancer, and moreover, the thermal neutron has a problem of radioactively polluting the surrounding environment by radiation of the surrounding material. Therefore, in the field where radiation is utilized, a radiation shielding body capable of shielding gamma rays or neutrons harmful to humans and the environment should be installed.
종래의 감마선 차폐체는 철, 납, 텅스텐 및 시멘트 등을 포함하는 물질을 이용하여 감마선 차폐효과를 얻을 수 있음이 공지되어 있다. 한편, 중성자 차폐체에서는 일반적으로 열중성자 흡수능이 우수한 보론, 리튬, 가돌리늄 등의 열중성자 미세흡수단면적(thermal neutron absorption cross-section)이 큰 물질을 포함하는 화합물을 고분자 또는 금속기재에 혼합하여 사용하는 것이 공지되어 있다.It is known that the conventional gamma ray shield can obtain a gamma ray shielding effect by using materials including iron, lead, tungsten and cement. On the other hand, in the neutron shielding body, it is generally used to mix a compound containing a material having a large thermal neutron absorption cross-section such as boron, lithium, and gadolinium having excellent thermal neutron absorption capability into a polymer or metal substrate. Known.
본 발명의 목적은 마이크로 이상의 크기를 갖는 방사선 차폐물질로 구성되는 일반적인 단층 차폐체에 비하여 방사선이 차폐물질과 충돌하는 확률을 증가시키고, 그 결과 차폐체 내에서 방사선의 평균자유경로를 감소시키고, 나아가 방사선 이동 경로를 예측하여 차폐체를 다층구조로 조성함으로써 종래의 방사선 차폐체보다 우수한 방사선 차폐효과를 나타낼 뿐만 아니라, 차폐체 내의 기공 발생을 최소화함으로써 기공의 존재로 인한 차폐효과의 저하 및 차폐체의 물성 저하를 방지하고, 동일한 중량비로도 우수한 차폐효과를 나타낼 수 있어 차폐체의 경량화를 달성할 수 있는 다층구조의 방사선 차폐체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The object of the present invention is to increase the probability that radiation collides with the shielding material, compared to a general monolayer shield consisting of a radiation shielding material having a micro- or larger size, and as a result, to reduce the average free path of the radiation within the shielding, furthermore the radiation movement By predicting the path and forming the shield in a multi-layered structure, it not only shows a better radiation shielding effect than the conventional radiation shield, but also minimizes the generation of pores in the shield, thereby preventing the lowering of the shielding effect due to the presence of pores and the lowering of physical properties of the shield, It is possible to provide an excellent shielding effect even in the same weight ratio to provide a radiation shield of a multi-layer structure and a method for manufacturing the same that can achieve a lighter weight of the shield.
본 발명의 다층구조의 방사선 차폐체는 나노입자 크기의 방사선 차폐물질이 고분자 기재에 분산되어 이루어진 나노복합재를 포함하는 것을 특징으로 한다.The radiation shield of the multi-layered structure of the present invention is characterized in that it comprises a nanocomposite formed by dispersing the radiation shielding material of the nanoparticle size on the polymer substrate.
바람직한 구체예에서, 본 발명의 방사선 차폐체는 1층 이상의 나노복합재층과 1층 이상의 순수 고분자층을 포함하여 이루어진다.In a preferred embodiment, the radiation shield of the present invention comprises at least one nanocomposite layer and at least one pure polymer layer.
본 발명에서 사용되는 방사선 차폐물질의 입자 크기는 입사되는 방사선과 차폐물질 간의 충돌확률을 증가시켜 차폐효율을 높이는 중요한 요인으로, 10~900nm인 것이 바람직한데, 방사선 차폐물질의 입자크기가 10nm 미만인 경우에는 나노 입자를 제조하는데 어려움이 있어 바람직하지 않고, 900nm를 초과하는 경우에는 충돌확률이 그만큼 감소하여 나노입자의 효과적인 방사선 차폐효율을 얻을 수 없어서 바람직하지 않다. 다만 나노입자를 제조하는 경우, 공정의 효율성 및 경제성을 높이기 위한 방편으로 입자의 크기 분포가 상기 입자크기 범위 내에서 매우 넓게 제조된 경우에도 유사한 차폐효과를 가질 수 있다. The particle size of the radiation shielding material used in the present invention is an important factor to increase the shielding efficiency by increasing the collision probability between the incident radiation and the shielding material, preferably 10 ~ 900nm, when the particle size of the radiation shielding material is less than 10nm It is not preferable because it is difficult to manufacture nanoparticles, and when it exceeds 900 nm, the probability of collision decreases by that amount, so that an effective radiation shielding efficiency of the nanoparticles cannot be obtained. However, when manufacturing the nanoparticles, as a way to increase the efficiency and economic efficiency of the process may have a similar shielding effect even if the particle size distribution is manufactured very wide within the particle size range.
또한, 본 발명에 따른 다층구조의 방사선 차폐체에 포함되는 방사선 차폐물질의 함량은 1~20중량%인 것이 바람직한데, 상기 차폐물질의 함량이 1중량% 미만인 경우에는 방사선 차폐효과가 감소하는 문제가 생겨 바람직하지 않고, 20중량%를 초과하는 경우에는 차폐효율은 증가할 수 있으나 고분자 기재에 나노크기의 미세한 차폐물질을 균일하게 분산시키기 어려우며, 차폐체의 무게가 현저히 증가하는 문제가 있어 바람직하지 않다.In addition, the content of the radiation shielding material contained in the radiation shield of the multi-layered structure according to the present invention is preferably 1 to 20% by weight, when the content of the shielding material is less than 1% by weight the problem of reducing the radiation shielding effect It is not desirable to occur, and if it exceeds 20% by weight, the shielding efficiency may be increased, but it is difficult to uniformly disperse the nano-sized fine shielding material in the polymer substrate, and the weight of the shield is not preferable, which is not preferable.
본 발명의 다층구조의 방사선 차폐체에 의해 차폐되는 방사선은 1차적으로는 중성자이며, 2차적으로는 차폐재를 구성하고 있는 물질(탄소, 수소 및 보론 등)과의 반응에 의해 발생하는 감마선으로서, 상기 중성자와 감마선은 본 발명의 다층구조의 방사선 차폐체에 의해 동시에 차폐될 수 있다.The radiation shielded by the radiation shield of the multi-layered structure of the present invention is primarily a neutron, and secondly, a gamma ray generated by reaction with a material (carbon, hydrogen, boron, etc.) constituting the shielding material. The neutrons and gamma rays can be simultaneously shielded by the radiation shield of the multilayer structure of the present invention.
상기 방사선 차폐물질로는 차폐목적에 따라 중성자 차폐물질 또는 감마선 차폐물질을 사용하는 것이 바람직하다.As the radiation shielding material, it is preferable to use a neutron shielding material or a gamma ray shielding material according to the shielding purpose.
본 발명의 다층구조의 방사선 차폐체에 의해 차폐되는 방사선이 중성자인 경우, 상기 방사선 차폐물질은 열중성자 흡수단면적이 큰 보론, 리튬, 가돌리늄, 사마륨, 유로퓸, 카드뮴 및 디스프로슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이를 포함하는 화합물, 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다. 이러한 중성자 차폐물질은 용도에 따라, 기재의 종류에 따라 선택할 수 있으나, 이들 중에서 보론 또는 보론 화합물이 경제성 및 물성 측면에서 더욱 바람직하다. 바람직한 보론 화합물의 예로는 B2O3, B4C, Na2B4O7, B(OH)3 및 BN 등을 들 수 있다.When the radiation shielded by the radiation shield of the multilayer structure of the present invention is a neutron, the radiation shielding material is any one selected from the group consisting of boron, lithium, gadolinium, samarium, europium, cadmium, and dysprosium having a large thermal neutron absorption area. Or a compound comprising the same, or a mixture thereof. The neutron shielding material may be selected according to the use and the type of substrate, but among these, boron or a boron compound is more preferable in terms of economics and physical properties. Examples of preferred boron compounds include B 2 O 3 , B 4 C, Na 2 B 4 O 7 , B (OH) 3 , BN, and the like.
또한, 본 발명의 다층구조의 방사선 차폐체에 의해 차폐되는 방사선이 감마선인 경우, 상기 차폐물질은 고밀도인 납, 철 및 텅스텐으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이를 포함하는 화합물, 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.In addition, when the radiation shielded by the radiation shield of the multilayer structure of the present invention is gamma rays, the shielding material is any one selected from the group consisting of high density lead, iron and tungsten or a compound containing the same, or a mixture thereof It is preferable.
본 발명에서 사용되는 고분자 기재는 다층구조의 방사선 차폐체로의 성형이 용이하며, 나노입자 크기의 방사선 차폐물질과 혼합시 기공의 생성을 최소화할 수 있으며, 부수적으로 방사선 차폐 효과를 갖는 것이면 바람직한데, 상기 고분자 기재의 예로는 수소밀도가 높아 고속중성자를 감속시키기에 효과적인 고분자로서, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌(PP), 에틸렌프로필렌 공중합체(EPM), 아크릴, 에폭시, 폴리우레탄 및 고무 등으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물이 바람직하며, 상기 고무로는 합성 고무, 천연고무, 실리콘계 고무, 불소계 고무 등이 바람직하다. 이들 중에서 폴리에틸렌 및 고무 계열이 수소원자 함유량으로 볼 때 더욱 바람직하나, 고분자 기재의 물성을 향상시키기 위한 방법으로, 상기 고분자들의 친화성을 고려하여 2종 이상을 혼련하여 사용하는 것이 더욱 바람직하다.The polymer substrate used in the present invention can be easily formed into a radiation shield of a multi-layer structure, can minimize the generation of pores when mixed with a radiation shielding material of the nanoparticle size, it is preferable that it has a radiation shielding effect, Examples of the polymer substrate include a polymer having high hydrogen density and effective for slowing down a high speed neutron, such as polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene (PE), high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), One or a mixture thereof selected from ethylene propylene copolymer (EPM), acrylic, epoxy, polyurethane, rubber, and the like is preferable, and the rubber is preferably synthetic rubber, natural rubber, silicone rubber, fluorine rubber, or the like. Among them, polyethylene and rubber series are more preferable in terms of hydrogen atom content, but as a method for improving physical properties of the polymer base, it is more preferable to knead two or more kinds in consideration of the affinity of the polymers.
본 발명의 다층구조의 방사선 차폐체의 제조방법은 다음의 (1)~(4)의 단계들을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The method of manufacturing a radiation shield of a multilayer structure of the present invention is characterized by comprising the following steps (1) to (4).
(1) 방사선 차폐물질을 나노입자 크기로 분쇄하고, 계면활성제로 표면처리하는 단계(단계 1); (1) milling the radiation shielding material to nanoparticle size and surface treating with a surfactant (step 1);
(2) 상기 단계 1에서 분쇄된 방사선 차폐물질을 고분자 기재에 균일하게 분산시키는 단계(단계 2); (2) uniformly dispersing the radiation shielding material ground in step 1 onto the polymer substrate (step 2);
(3) 상기 방사선 차폐물질이 분산된 고분자 기재를 판넬 또는 시트 형태로 성형하는 단계(단계 3); 및 (3) molding the polymer substrate having the radiation shielding material dispersed therein into a panel or sheet form (step 3); And
(4) 상기 단계 3에서 제조된 판넬 또는 시트를 복수개 적층하여 다층구조로 제조하는 단계(단계 4).(4) manufacturing a multilayer structure by laminating a plurality of panels or sheets prepared in step 3 (step 4).
이하, 본 발명에 따른 다층구조의 방사선 차폐체의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a radiation shield of a multilayer structure according to the present invention will be described in detail step by step.
본 발명의 다층구조의 방사선 차폐체의 제조방법에 있어서, 단계 1은 방사선 차폐물질을 나노크기로 분쇄하고, 표면을 계면활성제로 표면처리하여, 표면처리된 나노입자로 제조하는 단계이다. In the method of manufacturing a radiation shield of a multi-layered structure of the present invention, step 1 is to prepare a surface-treated nanoparticles by grinding the radiation shielding material into nano-sized, surface-treated with a surfactant.
단계 1에 있어서의 분쇄는 볼 밀링에 의해 표면처리와 동시에 분쇄가 이루어지도록 수행되는 것이 바람직하며, 볼 밀링을 통해 중성자 차폐 나노입자 제조시 볼과 용기의 구성 물질로부터 생성된 철, 텅스텐 등 고밀도 금속 나노입자는 감마선을 감쇠하는 역할을 하기 때문에, 일반적인 나노기술에 사용되는 고가의 정제과정이 필요하지 않아 경제적인 장점이 있다. 또한 최적의 차폐효과를 나타낼 수 있는 입자의 크기의 범위가 넓어 볼밀 공정의 단점인 나노입자 입도의 불규칙성이 문제가 되지 않아 경제성 확보에 유리한 효과가 있다.Grinding in step 1 is preferably carried out so that the grinding is performed at the same time as the surface treatment by ball milling, high density metal such as iron, tungsten, etc. produced from the material of the ball and the container when the neutron shielding nanoparticles are manufactured by ball milling Since nanoparticles act to attenuate gamma rays, they do not require expensive purification processes used in general nanotechnology, which is economically advantageous. In addition, since the particle size range that can exhibit the optimal shielding effect is wide, the irregularity of the particle size of nanoparticles, which is a disadvantage of the ball mill process, is not a problem, and thus it is advantageous in securing economic efficiency.
상기와 같이, 볼 밀링을 통해 계면활성제를 이용한 방사선 차폐물질의 나노입자의 표면처리와 분쇄를 동시에 처리하는 일단계(one-step) 공정은, 계면활성제:방사선 차폐물질의 나노입자를 1:5~1:20의 중량비로 혼합한 후 볼 밀링하여 수행되며, 계면활성제와 방사선 차폐물질의 나노입자의 중량비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 나노입자의 제조에 문제가 있음과 동시에 표면처리하는 것이 어려운 단점이 있다. 이러한 일단계 공정의 경우 일반적으로 다단계 입자표면처리 공정을 거치는 다른 나노기술이 보유하고 있지 못하는 경제성 확보에도 유리한 장점이 있다.As described above, the one-step process of simultaneously treating the surface treatment and grinding of the nanoparticles of the radiation shielding material using the surfactant through ball milling is performed by using 1: 5 nanoparticles of the surfactant: the radiation shielding material. Ball milling is performed after mixing at a weight ratio of ˜1: 20, and when the weight ratio of the nanoparticles of the surfactant and the radiation shielding material is out of the above range, there is a problem in manufacturing the nanoparticles and at the same time, the surface treatment is difficult. There is this. In the case of such a one-step process, there is also an advantage in securing economic feasibility that other nanotechnologies generally undergo a multi-step particle surface treatment process.
이때, 만약 차폐물질이 일단계(one-step) 볼밀공정을 이용하지 못하는 질화붕소(BN)와 같은 물질인 경우, 질화붕소를 독립적으로 분쇄 후 개별적으로 표면처리하는 이단계(two-step) 공정을 거쳐 상기 단계 1을 수행하게 된다.In this case, if the shielding material is a material such as boron nitride (BN) that does not use a one-step ball mill process, the two-step process of independently grinding the boron nitride and surface treatment separately. Step 1 is performed through.
또한, 만약 차폐물질이 텅스텐인 경우에도 전기선 폭발법을 이용하여 나노입자 제조 후, 개별적으로 표면처리하는 이단계(two-step) 공정을 거쳐 상기 단계 1을 수행하게 된다.In addition, even if the shielding material is tungsten, the step 1 is performed through a two-step process of separately surface-treating the nanoparticles using the electric wire explosion method.
상기 개별적인 표면처리 공정은 계면활성제를 용제에 용해하여 얻어진 용액에 나노크기의 방사선 차폐물질 입자를 투입 후, 이를 교반 및 용제를 증발시킴으로써 수행된다.The individual surface treatment process is performed by injecting nano-sized radiation shielding material particles into a solution obtained by dissolving a surfactant in a solvent, then stirring and evaporating the solvent.
이때, 상기 용제에 용해되는 계면활성제의 중량비는, 바람직하게는 용제:계면활성제=5:1~20:1이며, 상기 용제의 온도는 80~130℃인 것이 바람직하다. 만약 용제에 대한 계면활성제의 함량이 지나치게 적은 경우에는 표면처리가 완전히 수행되지 않아 바람직하지 않고, 용제에 대한 계면활성제의 함량이 지나치게 많은 경우에는 나노입자의 응집으로 인해 표면처리가 어려운 문제점이 있다. 용제의 온도가 80℃ 미만인 경우에는 표면처리제가 충분히 녹지 않아 바람직하지 않으며, 용제의 온도가 130℃를 초과하는 경우에는 용제가 빨리 증발하여 표면처리의 시간이 짧아지는 단점이 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 용제는 톨루엔 또는 싸이클로헥산을 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 제한되지는 않는다.At this time, the weight ratio of the surfactant dissolved in the solvent is preferably solvent: surfactant = 5: 1 to 20: 1, and the temperature of the solvent is preferably 80 to 130 ° C. If the amount of the surfactant to the solvent is too small, the surface treatment is not performed completely is not preferable, if the amount of the surfactant to the solvent is too large, the surface treatment is difficult due to the aggregation of the nanoparticles. If the temperature of the solvent is less than 80 ℃ is not preferable because the surface treatment agent is not sufficiently melted, if the temperature of the solvent exceeds 130 ℃ it is not preferable because the solvent evaporates quickly to shorten the time of the surface treatment. In addition, the solvent is preferably toluene or cyclohexane, but is not limited thereto.
상기 단계 1에서 사용되는 계면활성제는 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌, 에폭시, 아크릴, 폴리프로필렌 및 고무로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물이 바람직하다. 상기 물질들은 고분자 기재와 동일한 물질 또는 친화성이 있는 물질들로서, 고분자 기재와 동일한 물질을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 단계 1이 이단계(two-step) 공정인 경우에는, 일단계(one-step) 공정과 동일한 계면활성제를 이용하거나 실란 계열의 화합물을 이용하여 표면처리하는 것이 바람직하다.The surfactant used in the step 1 is preferably one or a mixture thereof selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyethylene, epoxy, acrylic, polypropylene and rubber. The materials are the same material or affinity as the polymer substrate, it is more preferable to use the same material as the polymer substrate. When the step 1 is a two-step process, it is preferable to use the same surfactant as the one-step process or to surface-treat using a silane-based compound.
상기 계면활성제를 통한 나노입자 표면처리는, 나노입자를 고분자 기재에 분산시 응집 등을 통해 뭉치게 되는 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 상기 표면처리를 통해 고분자 기재에 나노입자를 균일하게 분산시킬 수 있는 효과가 있다.The surface treatment of the nanoparticles using the surfactant is to overcome the problem that the nanoparticles are agglomerated through aggregation or the like when the nanoparticles are dispersed in the polymer substrate, and the nanoparticles can be uniformly dispersed in the polymer substrate through the surface treatment. It works.
본 발명의 다층구조의 방사선 차폐체의 제조방법에 있어서, 단계 2는 분쇄된 방사선 차폐물질을 고분자 기재상에 균일하게 분산시키는 단계이다. 상기 단계 2의 분산은 분말혼합법, 용융혼합법 또는 액상 교반에 의해 고분자 기재에 분산시킬 수 있다. 이때, 상기 방사선 차폐물질이 고분자 기재에 균일하게 분산되는 것이 중요하다. 이는 차폐체의 방사선 차폐효과가 차폐체 전체를 통해 균일하게 얻어지는 것과 직접적으로 연관되기 때문이며, 또한 기본 고분자의 물성을 유지 및 향상시키기 위해 매우 중요하다.In the method for producing a multilayered radiation shield of the present invention,
본 발명의 다층구조의 방사선 차폐체의 제조방법에 있어서, 단계 3은 방사선 차폐물질이 분산된 고분자 기재를 판넬 또는 시트 형태로 성형하는 단계이다. 이때 성형되는 판넬 또는 시트는 다양한 두께의 연속 또는 불연속적인 시트 또는 판넬 형태로 성형될 수 있다.In the method of manufacturing a multilayered radiation shield of the present invention, step 3 is a step of molding a polymer substrate in which a radiation shielding material is dispersed into a panel or sheet form. In this case, the panel or sheet to be molded may be molded into a continuous or discontinuous sheet or panel form of various thicknesses.
이때, 나노입자의 고분자 내 균일분산과, 시트 및 판넬로의 성형이 동시에 가능한 이축압출기를 이용하여 상기 단계 2와 단계 3의 과정을 동시에 수행하는 것도 가능하다.At this time, it is also possible to perform the
또한, 상기 이축압출기를 사용하지 않는 경우, 상기 단계 3의 성형은 가열압축 및 압연 공정을 통해 수행될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.In addition, when the biaxial extruder is not used, the molding of step 3 may be performed through a heat compression and rolling process, but is not limited thereto.
본 발명의 다층구조의 방사선 차폐체의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 제조된 나노복합재 판넬 또는 시트를 복수개 적층하거나, 또는 1개 이상의 상기 나노복합재 판넬 또는 시트를 방사선 차폐물질이 포함되지 않은 순수한 고분자 기재로 된 1개 이상의 고분자 판넬 또는 시트와 함께 적층하여 다층구조로 제조하는 단계이다.In the method of manufacturing a radiation shield of a multi-layered structure of the present invention,
이 때 제조되는 다층구조의 방사선 차폐체는 방사선 환경에 따라 최적의 차폐효과를 줄 수 있는 다층구조로 압축 및 압연 성형하여 제조되며, 이때 각 층의 중성자/감마선 차폐입자의 배합, 각층의 두께, 적층되는 판넬 또는 시트의 종류와 갯수 및 적층 순서는 노출되는 방사선 환경에 따라 다를 수 있다.In this case, the radiation shielding body of the multilayer structure is manufactured by compression and rolling molding into a multilayer structure that can give an optimal shielding effect according to the radiation environment, wherein the neutron / gamma shielding particles of each layer, the thickness of each layer, lamination The type and number of panels or sheets to be stacked and the stacking order may vary depending on the radiation environment to which they are exposed.
다층구조의 방사선 차폐체의 각 층은 목적과 용도에 따라 대면적의 시트 또는 판넬을 적층하거나 좁은 시트 또는 판넬을 교대로 연결하여 적층할 수 있으며, 또한 각 층의 결합은 기본적으로 동일한 기재를 사용하는 경우에는 특별한 처리없이 압축 및 압연을 통해 결합 또는 접착할 수 있다.Each layer of the multi-layered radiation shield can be laminated by stacking a large area sheet or panel, or by alternately connecting narrow sheets or panels, and combining the layers using basically the same substrate. In this case they can be joined or glued through compression and rolling without special treatment.
이 때, 단계 4에서 적층되는 복수개의 판넬 또는 시트형태의 고분자 기재들이 상이한 경우에는, 판넬 또는 시트의 표면을 전자빔, 이온빔 또는 라디칼 에칭을 이용하여 표면처리 후 일반적인 고분자 접착제를 이용하여 각 층을 접착 및 적층하여 다층구조의 방사선 차폐체를 제조하는 것이 바람직하다.In this case, when the plurality of panel or sheet-like polymer substrates stacked in
본 발명에 의해 제조되는 방사선 차폐 물질의 나노입자가 분산된 다층구조의 방사선 차폐체는 단층 구조의 차폐체와 비교하여 차폐효과가 우수하며, 마이크로 이상의 크기를 갖는 방사선 차폐물질로 구성되는 차폐체에 비하여 방사선이 차폐물질과 충돌하는 확률을 증가시키고, 그 결과로 차폐체 내에서 방사선의 평균자유경로를 감소시켜 종래의 방사선 차폐체보다 우수한 방사선 차폐효과를 나타낼 수 있다. 또한 방사선 이동 경로를 예측하여 차폐체를 다층구조로 조성함으로써 동일한 밀도인 경우, 본 발명에 따른 차폐체는 두께 및 부피를 감소시킬 수 있기 때문에 차폐체의 경량화를 달성할 수 있으며, 나아가 차폐체 내의 기공 발생을 최소화함으로써 기공의 존재로 인한 차폐효과의 저하 및 차폐체의 물성 저하를 방지하여, 다양한 분야의 방사선 발생시설 및 장치에서 발생하는 유해한 방사선의 차폐에 활용이 가능하다. The radiation shield having a multilayer structure in which nanoparticles of the radiation shielding material is prepared according to the present invention has a superior shielding effect compared to a shield having a single layer structure, and has a higher radiation rate than a shield composed of a radiation shielding material having a micro size or more. The probability of colliding with the shielding material is increased, and as a result, the average free path of radiation in the shield can be reduced, thereby exhibiting a better radiation shielding effect than the conventional radiation shield. In addition, when the shielding body according to the present invention has the same density by forming the shielding body in a multi-layer structure by predicting the path of radiation migration, the shielding body according to the present invention can reduce the thickness and volume, thereby minimizing the generation of pores in the shielding body. By preventing the degradation of the shielding effect and the physical properties of the shielding body due to the presence of pores, it can be utilized for the shielding of harmful radiation generated in radiation generating facilities and devices of various fields.
도 1은 본 발명의 일예의 다층구조 방사선 차폐체의 개략도이고;
도 2는 본 발명의 일예의 나노복합재의 인장강도 그래프이고;
도 3은 본 발명의 일예의 나노복합재의 굴곡강도 그래프이고;
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 5를 통해 제조되는 다층구조 방사선 차폐체와 단층 구조의 방사선 차폐체를 비교한 중성자 차폐 MCNP 모사 그래프이고;
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 5를 통해 제조되는 다층구조 방사선 차폐체와 단층 구조의 방사선 차폐체를 비교한 2차 감마선 차폐 MCNP 모사 그래프이다.1 is a schematic diagram of an example multilayer radiation shield of the invention;
2 is a graph of tensile strength of nanocomposites of one embodiment of the present invention;
3 is a graph of flexural strength of nanocomposites of one embodiment of the present invention;
4 is a neutron shielding MCNP simulation graph comparing the radiation shield of the multilayer structure and the monolayer structure manufactured by Examples 1 to 5 of the present invention;
FIG. 5 is a second gamma ray shielding MCNP simulation graph comparing the multilayer radiation shielding body prepared in Examples 1 to 5 and the radiation shielding body having a single layer structure.
이하, 본 발명을 하기 실시예 및 비교예에 의하여 보다 구체적으로 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 실시하기 위한 예에 지나지 않으며, 본 발명의 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Examples and Comparative Examples. The following examples are merely examples for carrying out the present invention, and are not intended to limit the protection scope of the present invention.
<실시예 1> 나노복합재를 이용한 다층구조의 방사선 차폐체 제조 1<Example 1> Preparation of a radiation shield of a multilayer structure using a nanocomposite 1
단계 1: 상용화된 마이크론 크기(~150μm)의 보론카바이드(B4C)를 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 10:1 중량비로 혼합하고, 이를 볼 밀링하여 표면처리가 수행된 나노입자(50~200nm)를 제조하였다.Step 1: The commercialized micron size (˜150 μm) of boron carbide (B 4 C) was mixed with low density polyethylene (LDPE) in a 10: 1 weight ratio, which was ball milled and subjected to surface treatment of nanoparticles (50 to 200 nm) Was prepared.
단계 2: 상용화된 HDPE와 EPM을 3:7의 중량비로 이축압출기를 이용하여 혼련하여 두께가 0.3cm, 폭이 10cm인 순수한 고분자 시트를 제조하였다. Step 2: A commercially available HDPE and EPM were kneaded using a twin screw extruder at a weight ratio of 3: 7 to prepare a pure polymer sheet having a thickness of 0.3 cm and a width of 10 cm.
단계 3: 상기 단계 1에서 제조된 표면처리된 보론카바이드(B4C) 나노입자를 5중량%의 비율로 HDPE와 EPM이 3:7의 중량비로 혼합된 고분자와 함께 이축압출기를 이용한 압출공정을 수행하여, 보론카바이드 나노입자가 균일하게 분산된 두께 0.3cm, 폭 10cm의 고분자 나노복합재 시트를 제조하였다.Step 3: Extrusion process using a twin-screw extruder with a polymer in which the surface-treated boron carbide (B 4 C) nanoparticles prepared in Step 1 mixed HDPE and EPM in a weight ratio of 3: 7 at a ratio of 5% by weight The polymer nanocomposite sheet having a thickness of 0.3 cm and a width of 10 cm in which boron carbide nanoparticles were uniformly dispersed was prepared.
단계 4: 단계 2와 3에서 각각 제조된 0.3cm 두께의 시트들을 단계 2의 순수한 고분자 시트 5장과 단계 3의 보론카바이드(B4C) 나노복합재 시트 1장을 순서대로 적층한 후 가열 압축하여 다층구조의 방사선 차폐체를 제조하였다.Step 4: The 0.3 cm thick sheets prepared in
<실시예 2> 나노복합재를 이용한 다층구조의 방사선 차폐체 제조 2<Example 2> Preparation of a radiation shield of a multilayer structure using a
단계 1: 상용화된 마이크로(~10μm) 단위의 질화붕소(BN)를 계면활성제 없이 볼 밀링을 통해 나노입자(50~100nm)를 제조하였다. 상기에서 분쇄된 질화붕소를 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이 용해된 싸이클로헥산(싸이클로헥산:LDPE=10:1)에 투입하여 110℃에서 교반 및 증발시켜, 저밀도 폴리에틸렌으로 나노크기의 BN입자 표면을 코팅처리하였다. Step 1: Nanoparticles (50-100 nm) were prepared by ball milling of commercially available micro (˜10 μm) boron nitride (BN) without surfactant. The pulverized boron nitride was added to cyclohexane (cyclohexane: LDPE = 10: 1) in which low density polyethylene (LDPE) was dissolved, stirred and evaporated at 110 ° C., and the surface of nano-sized BN particles was coated with low density polyethylene. It was.
단계 2: 상용화된 HDPE와 EPM을 3:7의 중량비로 이축압출기를 이용하여 혼련하여 두께가 0.3cm, 폭이 10cm인 순수한 고분자 시트를 제조하였다. Step 2: A commercially available HDPE and EPM were kneaded using a twin screw extruder at a weight ratio of 3: 7 to prepare a pure polymer sheet having a thickness of 0.3 cm and a width of 10 cm.
단계 3: 상기 단계 1에서 제조된 표면처리된 질화붕소(BN) 나노입자를 5중량%의 비율로 HDPE와 EPM이 3:7의 중량비로 혼합된 고분자와 함께 이축압출기를 이용한 압출공정을 수행하여, 질화붕소 나노입자가 균일하게 분산된 두께 0.3cm, 폭 10cm의 고분자 나노복합재 시트를 제조하였다.Step 3: The surface-treated boron nitride (BN) nanoparticles prepared in Step 1 by performing a extrusion process using a twin screw extruder with a polymer mixed with HDPE and EPM in a weight ratio of 3: 7 in a ratio of 5% by weight To prepare a polymer nanocomposite sheet having a thickness of 0.3cm and a width of 10cm, the boron nitride nanoparticles are uniformly dispersed.
단계 4: 단계 2와 3에서 각각 제조된 0.3cm 두께의 시트들은, 단계 2의 순수한 고분자 시트 5장과 단계 3의 질화붕소(BN) 나노복합재 시트 1장을 순서대로 적층한 후 가열 압축하여 다층구조의 방사선 차폐체를 제조하였다.Step 4: The 0.3 cm thick sheets prepared in
<실시예 3> 나노복합재를 이용한 다층구조의 방사선 차폐체 제조 3Example 3 Preparation of Radiation Shielding Body of Multi-layer Structure Using Nanocomposite 3
단계 1: 0.6mm 텅스텐 선으로부터 전기선 폭발법을 이용하여 100nm 미만의 텅스텐 나노입자를 제조하였다. 상기에서 제조된 텅스텐 나노입자를 LDPE가 녹아있는 싸이클로헥산(싸이클로헥산:LDPE=10:1)에 투입하여 110℃에서 교반 및 증발시켜, LDPE로 나노크기의 텅스텐 입자 표면을 코팅처리하였다.Step 1: Tungsten nanoparticles of less than 100 nm were prepared from the 0.6 mm tungsten wire using the electric wire explosion method. The tungsten nanoparticles prepared above were added to cyclohexane (cyclohexane: LDPE = 10: 1) in which LDPE was dissolved, stirred and evaporated at 110 ° C., and the nano-sized tungsten particle surface was coated with LDPE.
단계 2: 상용화된 HDPE와 EPM을 3:7의 중량비로 이축압출기를 이용하여 혼련하여 두께가 0.3cm, 폭이 10cm인 순수한 고분자 시트를 제조하였다. Step 2: A commercially available HDPE and EPM were kneaded using a twin screw extruder at a weight ratio of 3: 7 to prepare a pure polymer sheet having a thickness of 0.3 cm and a width of 10 cm.
단계 3: 상기 단계 1에서 제조된 표면처리된 텅스텐 나노입자를 5중량%의 비율로 HDPE와 EPM이 3:7의 중량비로 혼합된 고분자와 함께 이축압출기를 이용한 압출공정을 수행하여, 텅스텐 나노입자가 균일하게 분산된 두께 0.3cm, 폭 10cm의 고분자 나노복합재 시트를 제조하였다.Step 3: the surface-treated tungsten nanoparticles prepared in step 1 is carried out an extrusion process using a twin screw extruder with a polymer mixed with HDPE and EPM in a weight ratio of 3: 7 at a ratio of 5% by weight, tungsten nanoparticles To prepare a uniformly dispersed polymer nanocomposite sheet of thickness 0.3cm, width 10cm.
단계 4: 상기 단계 2에서 제조된 0.3cm 두께의 순수한 고분자 시트 3장, 상기 실시예 1의 단계 3에서 제조된 보론카바이드(B4C) 나노복합재 시트 2장, 상기 단계 3에서 제조된 텅스텐 나노복합재 시트 1장을 순서대로 적층한 후 가열 압축하여 다층구조의 방사선 차폐체를 제조하였다.Step 4: three 0.3 cm thick pure polymer sheet prepared in
<비교예 1> 일반 복합재를 이용한 다층구조의 방사선 차폐체 제조 1<Comparative Example 1> Preparation of a radiation shield of a multilayer structure using a general composite material 1
실시예 1의 단계 1에서 사용된 표면처리된 보론카바이드 나노입자(50~200nm) 대신에 마이크론 크기(~150μm)의 보론카바이드를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 차폐체를 제조하였다.A shield was prepared in the same manner as in Example 1, except that micron size (˜150 μm) of boron carbide was used instead of the surface treated boron carbide nanoparticles (50 to 200 nm) used in Step 1 of Example 1. It was.
<비교예 2> 일반 복합재를 이용한 다층구조의 방사선 차폐체 제조 2<Comparative Example 2> Preparation of a radiation shield of a multilayer structure using a general
실시예 2의 단계 1에서 사용된 질화붕소 나노입자(50~100nm) 대신에 마이크론 크기(~10μm)의 질화붕소를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 차폐체를 제조하였다.A shield was prepared in the same manner as in Example 2 except that boron nitride having a micron size (˜10 μm) was used instead of the boron nitride nanoparticles (50-100 nm) used in Step 1 of Example 2.
<비교예 3> 일반 복합재를 이용한 다층구조의 방사선 차폐체 제조 3 <Comparative Example 3> Preparation of a radiation shield of a multilayer structure using a general composite material 3
실시예 3의 단계 1에서 사용된 텅스텐 나노입자(100nm 미만) 대신에 마이크론 크기(~45μm)의 텅스텐을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일하게 수행하여 차폐체를 제조하였다.A shield was prepared in the same manner as in Example 3, except that tungsten having a micron size (˜45 μm) was used instead of the tungsten nanoparticles (less than 100 nm) used in Step 1 of Example 3.
<실험예 1> 다층구조 차폐체의 고속중성자 차폐효과 분석Experimental Example 1 Analysis of High-Speed Neutron Shielding Effect of Multi-layered Shield
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2를 통하여 제조된 다층구조의 방사선 차폐체의 고속중성자 차폐효과를 실험하였고, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다. 고속중성자원으로는 한국원자력연구원 교정선원실에서 보유하고 있는 평균 4MeV(최대 ~11MeV)의 에너지를 방출하는 AmBe 소스를 이용하여 공인된 절차에 따라 각 30분 이상 조사 시험하였다. The high-speed neutron shielding effect of the radiation shield of the multilayer structure prepared through Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were tested, and the results are shown in Table 1 below. The high-speed neutral resources were irradiated and tested for more than 30 minutes using the AmBe source, which emits an average of 4 MeV (up to 11 MeV) of energy from the Korea Atomic Energy Research Institute.
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2를 통하여 제조된 나노복합 차폐체가, 비교예 1 및 2를 통하여 제조된 일반적인 복합 차폐체보다 더 뛰어난 고속 중성자 차폐효과를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 고속중성자가 먼저 1.5cm 두께의 순수한 고분자 층을 통과하며 감속되고, 감속된 저에너지 중성자(열중성자)는 0.3cm 두께의 보론카바이드 또는 질화붕소 입자가 분산된 고분자 층을 통과하며 흡수되는 과정을 거쳐 결과적으로 중성자를 차폐할 수 있기 때문이다.As shown in Table 1, it was confirmed that the nanocomposite shield produced through Examples 1 and 2 of the present invention has a superior high-speed neutron shielding effect than the general composite shield produced through Comparative Examples 1 and 2. This is because the high-speed neutron is first decelerated through a 1.5cm thick polymer layer, and the decelerated low-energy neutron (thermal neutron) is absorbed through the polymer layer in which 0.3cm-thick boron carbide or boron nitride particles are dispersed. As a result, neutrons can be shielded.
이때, 실시예 1을 통하여 제조된 보론카바이드 나노입자가 분산된 나노복합재의 경우, 비교예 1을 통해 제조된 마이크로 크기의 보론카바이드가 분산된 일반적인 복합재와 비교하여 CPS(count per second)의 경우 12%(거시적 중성자 흡수단면적 Σth를 비교하면 40배) 이상 차폐효과가 향상됨을 알 수 있다.At this time, in the case of the nanocomposite in which the boron carbide nanoparticles prepared in Example 1 is dispersed, compared to the general composite in which the micro-sized boron carbide is prepared in Comparative Example 1, in the case of CPS (count per second) 12 It can be seen that the shielding effect is improved by more than% (compared to the macroscopic neutron absorption cross-sectional area Σth).
또한 실시예 2를 통해 제조된 질화붕소 나노입자가 분산된 나노복합재의 경우, 비교예 2를 통해 제조된 마이크로 크기의 질화붕소가 분산된 일반적인 복합재와 비교하여 CPS의 경우 8%(거시적 중성자 흡수단면적 Σth를 비교하면 3.2배) 이상 차폐효과가 향상됨을 알 수 있다. 이는 먼저 순수 고분자층을 두어 중성자의 에너지를 저감하고, 저에너지 중성자를 흡수할 수 있는 보론 함유 복합재층을 두어 효과적인 중성자속을 저감시킬 수 있으며, 따라서 다층구조 효과와 동시에 기재에 분산된 방사선 차폐물질의 크기가 나노크기인 경우 더욱 뛰어난 방사선 차폐효과가 있음을 확인할 수 있었다.Also, in the case of the nanocomposite in which the boron nitride nanoparticles prepared in Example 2 were dispersed, 8% of the CPS (macro neutron absorption cross-sectional area) compared to the general composite in which micro-sized boron nitride was dispersed in Comparative Example 2 was used. Comparing Σth, the shielding effect is improved by 3.2 times or more. It is possible to reduce the energy of neutrons first by placing a pure polymer layer, and to reduce the effective neutron flux by placing a boron-containing composite layer capable of absorbing low energy neutrons. If the size is nano-size it was confirmed that there is an excellent radiation shielding effect.
<실험예 2> 텅스텐 차폐체의 감마선 차폐효과 분석Experimental Example 2 Analysis of Gamma-ray Shielding Effect of Tungsten Shields
본 발명의 실시예 3 및 비교예 3을 통하여 제조된 차폐체의 감마선 차폐효과를 실험하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다. 감마선원으로는 한국원자력연구원 방사선연구소 방사선 조사실에서 보유하고 있는 0.66MeV 에너지 감마선 방출 Cs-137 소스를 이용하여 공인된 절차에 따라 조사 시험하였다. The gamma ray shielding effect of the shields prepared through Example 3 and Comparative Example 3 of the present invention was tested, and the results are shown in Table 2 below. The gamma source was tested by the official procedure using the 0.66MeV energy gamma emission Cs-137 source from the Radiation Laboratory of the Korea Atomic Energy Research Institute.
표 2에 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예 3을 통하여 제조된 텅스텐 나노입자가 분산된 나노복합 차폐체가 비교예 3을 통하여 제조된 마이크로 크기의 텅스텐 입자가 분산된 일반적인 복합 차폐체보다 더 뛰어난 감마선 차폐효과를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 감마선 차폐의 경우 보론카바이드는 입자의 크기와 상관없이 영향이 적음을 알 수 있었다.As shown in Table 2, the nanocomposite shield obtained by dispersing tungsten nanoparticles prepared in Example 3 of the present invention was superior to the general composite shield in which microsized tungsten particles dispersed in Comparative Example 3 were prepared. It could be confirmed that having. In the case of gamma ray shielding, boron carbide was found to have little effect regardless of particle size.
이때, 실시예 3을 통하여 제조된 텅스텐 나노입자가 분산된 나노복합 차폐체의 경우, 비교예 3을 통해 제조된 마이크로 크기의 텅스텐 입자가 분산된 일반적인 고분자복합 차폐체와 비교하여 감마선 선형감쇠계수(linear attenuation coefficient) μ가 2배 증가하여 감마선 차폐효과가 향상됨을 알 수 있다. 이는 고분자 기재에 분산된 감마선 차폐물질의 크기가 나노크기인 경우 확률적으로 감마선 입자와 텅스텐 입자의 충돌빈도수를 증가시켜 차폐효과를 향상시킬 수 있음을 증명하는 결과이며, 동시에 다층구조를 이용하여 고속중성자를 차폐할 때 2차적으로 생성되는 감마선의 차폐에 효과적임을 보여주는 결과라 할 수 있다. In this case, in the case of the nanocomposite shield in which the tungsten nanoparticles prepared in Example 3 are dispersed, the gamma ray linear attenuation is compared with the general polymer composite shield in which the micro-sized tungsten particles prepared in Comparative Example 3 are dispersed. It can be seen that the gamma ray shielding effect is improved by increasing the coefficient μ twice. This proves that if the size of the gamma-ray shielding material dispersed in the polymer substrate is nano-size, it is possible to increase the collision frequency of the gamma-ray and tungsten particles to improve the shielding effect, and at the same time, the multi-layer structure The result shows that the shielding of neutrons is effective for shielding the secondary gamma rays.
<실험예 3> 나노복합재의 인장강도 분석Experimental Example 3 Tensile Strength Analysis of Nanocomposites
상기 실시예 1의 단계 1에서와 같이 표면처리된 보론카바이드(B4C) 나노입자를 5중량%의 비율로 HDPE와 함께 단계 3과 같이 이축압출기를 통해 압출하여 제조된 보론카바이드 나노입자가 분산된 고분자 나노복합재(샘플 1) 및 보론카바이드 나노입자 대신 보론카바이드 마이크로입자를 사용하여 동일하게 제조된 보론카바이드 마이크로 입자가 분산된 고분자 복합재(샘플 2)의 인장강도(ASTM D638)를 측정하였고, 그 결과는 도 2에 나타내었다. Boron carbide nanoparticles prepared by extruding the treated boron carbide (B 4 C) nanoparticles as in step 1 of Example 1 with HDPE at a ratio of 5% by weight through a twin screw extruder as in step 3 is dispersed The tensile strength (ASTM D638) of the polymer composite (sample 2) in which boron carbide microparticles were prepared in the same manner was measured using boron carbide microparticles instead of the polymer nanocomposite (sample 1) and boron carbide nanoparticles. The results are shown in FIG.
도 2에 나타낸 바와 같이, 보론카바이드 마이크로 입자를 이용하여 제조된 고분자 복합재(샘플 2)의 인장강도는 보론카바이드의 함량이 증가할수록 저하되는 경향을 보여주고 있지만, 본 발명에 따라 제조된 고분자 나노복합재(샘플 1)의 인장강도는 보론카바이드의 함량이 증가되어도 저하되지 않으며 오히려 향상되는 것을 확인하였다. 이를 통하여 나노크기의 방사선 차폐물질을 사용함으로써 고분자 복합재에 불순물로 작용하는 차폐입자가 오히려 물성 강화제로 작용하여 인장강도가 약해지는 문제점을 극복하였을 뿐 아니라 오히려 향상함을 확인하였다.As shown in FIG. 2, although the tensile strength of the polymer composite prepared using boron carbide microparticles (sample 2) shows a tendency to decrease as the boron carbide content increases, the polymer nanocomposite prepared according to the present invention. Tensile strength of (Sample 1) was confirmed that it does not decrease even if the content of boron carbide increases, but rather improves. Through the use of nano-sized radiation shielding material, it was confirmed that the shielding particles acting as impurities in the polymer composite, rather than overcome the problem of weakening the tensile strength by acting as a physical property enhancer rather improved.
<실험예 4> 나노복합재의 굴곡강도 분석Experimental Example 4 Analysis of Flexural Strength of Nanocomposites
상기 실시예 1의 단계 1에서와 같이 표면처리된 보론카바이드(B4C) 나노입자를 5중량%의 비율로 HDPE와 함께 단계 3과 같이 이축압출기를 통해 압출하여 제조된 보론카바이드 나노입자가 분산된 고분자 나노복합재(샘플 1) 및 보론카바이드 나노입자 대신 보론카바이드 마이크로입자를 사용하여 동일하게 제조된 보론카바이드 마이크로 입자가 분산된 고분자 복합재(샘플 2)의 굴곡강도를 ASTM D790 규격 및 방법에 따라 측정하였고, 그 결과는 도 3에 나타내었다.Boron carbide nanoparticles prepared by extruding the treated boron carbide (B 4 C) nanoparticles as in step 1 of Example 1 with HDPE at a ratio of 5% by weight through a twin screw extruder as in step 3 is dispersed Flexural strength of polymer composites (sample 2) in which boron carbide microparticles were prepared in the same manner using boron carbide microparticles instead of boron carbide nanoparticles (sample 1) and boron carbide nanoparticles according to ASTM D790 standard and method The results are shown in FIG. 3.
도 3에 나타낸 바와 같이, 보론카바이드 마이크로 입자를 이용하여 제조된 고분자 복합재(샘플 2)의 굴곡강도는 보론카바이드의 함량이 증가할수록 저하되는 경향을 보여주고 있지만, 본 발명에 따라 제조된 고분자 나노복합재(샘플 1)의 굴곡강도는 보론카바이드의 함량이 증가되어도 저하되지 않으며 오히려 향상되는 것을 확인하였다. 이를 통하여 나노크기의 방사선 차폐물질을 사용함으로써 고분자 복합재에 불순물로 작용하는 차폐입자가 오히려 물성 강화제로 작용하여 굴곡강도가 약해지는 문제점을 극복하였을 뿐 아니라 오히려 향상함을 확인하였다.As shown in FIG. 3, the flexural strength of the polymer composite prepared using boron carbide microparticles (sample 2) shows a tendency to decrease as the boron carbide content increases, but the polymer nanocomposite prepared according to the present invention. The flexural strength of (Sample 1) did not decrease even if the boron carbide content was confirmed to improve rather. Through this, it was confirmed that the use of nano-sized radiation shielding material not only overcomes the problem that the shielding particle acting as an impurity in the polymer composite acts as a physical property enhancer but also weakens the bending strength and improves.
<실험예 5> Monte Carlo N-Particle(MCNP) 코드를 이용한 다층구조 방사선 차폐체의 중성자 차폐효과 모사Experimental Example 5 Simulation of Neutron Shielding Effect of Multi-layered Radiation Shield Using Monte Carlo N-Particle (MCNP) Code
본 발명의 실시예를 통해 제조되는 다층구조 방사선 차폐체와 단층 구조 방사선 차폐체의 중성자 차폐효과를 MCNP를 이용하여 모사하였고, 그 결과는 도 4에 나타내었다. 모사한 차폐체의 총 두께는 30mm이며, 유형 1에서 유형 5까지 총 다섯 종류의 차폐체를 모사하였다. 차폐체 내 차폐물질의 밀도는 모든 차폐체가 동일하며, 각 유형의 차폐체 특성은 표 3에 나타내었다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 유형 1은 단층 구조이고, 유형 2~유형 5의 방사선 차폐체는 모두 6층의 다층구조이고, 각 층의 두께는 5mm이며, 고분자 각 층에 있어서 기재로는 HDPE:EPM=3:7의 중량비로 혼합된 고분자 기재를 사용하였고, 고분자 기재에 분산되는 방사선 차폐물질로는 보론카바이드 나노입자(평균 입자크기 200nm)와 텅스텐 나노입자(평균 입자크기 150nm)를 사용하였고, 방사선원으로는 핵분열시 발생하는 와트중성자스펙트럼(Watt fission spectrum)을 사용하였으며, 평행하게 차폐체로 입사한다고 가정하였다. The neutron shielding effect of the multi-layered radiation shielding body and the single-layered radiation shielding body prepared through the embodiment of the present invention was simulated using MCNP, and the results are shown in FIG. 4. The total thickness of the simulated shield was 30 mm, and a total of five shields were simulated from Type 1 to Type 5. The density of the shielding material in the shield is the same for all shields, and the characteristics of the shields of each type are shown in Table 3. As shown in Table 3, type 1 is a single layer structure, and the
도 4에 나타낸 바와 같이, 중성자 플럭스(neutron flux)의 경우 단층 구조인 유형 1의 차폐체를 기준으로 유형 2와 유형 4가 더욱 우수한 차폐효과를 나타내었으며, 중성자 선량(neutron dose)의 경우 유형 3과 유형 4가 더욱 우수한 차폐효과를 나타내었다. 일반적으로 차폐효과는 인체에 해를 주는 방사선량을 기준으로 판단하기 때문에 본 계산결과에 의하면 유형 3 차폐체가 가장 우수하며, 유형 5 차폐체도 단층구조 차폐체보다 우수함을 알 수 있다. 상기 플럭스와 선량 계산 결과는 각 차폐유형을 비교하기 위한 상대적 차폐효과이다. 중성자플럭스와 중성자선량이 반대의 결과를 보여주는 것은, 높은 에너지의 중성자가 선량에 크게 기여하기 때문에 낮은 에너지의 중성자플럭스가 높은 경우에는 선량에 기여하는 부분이 작기 때문에 이러한 결과를 얻을 수 있는 것이다.As shown in FIG. 4,
<실험예 6> Monte Carlo N-Particle(MCNP) 코드를 이용한 다층구조 방사선 차폐체의 2차 감마선 차폐효과 모사Experimental Example 6 Simulation of Secondary Gamma Ray Shielding Effect of a Multi-layered Radiation Shield Using Monte Carlo N-Particle (MCNP) Code
본 발명의 실시예를 통해 제조되는 다층구조 방사선 차폐체와 단층 구조 방사선 차폐체의 2차 감마선 차폐효과를 MCNP를 이용하여 모사하였고, 그 결과는 도 5에 나타내었다. 계산에 사용된 차폐체 유형과 조건은 상기 실험예 5와 동일하며, 플럭스와 선량 계산 결과는 각 차폐유형을 비교하기 위한 상대적 차폐효과이다.Secondary gamma ray shielding effects of the multilayered radiation shielding body and the monolayered radiation shielding body prepared by the embodiment of the present invention were simulated using MCNP, and the results are shown in FIG. 5. The shield type and conditions used in the calculation are the same as in Experimental Example 5, the flux and dose calculation results are the relative shielding effect for comparing each shield type.
도 5에 나타낸 바와 같이, 중성자가 물질과 반응하여 생성되는 2차 감마선에 대한 차폐효과의 경우, 감마선 플럭스(gamma flux)와 감마선량(gamma dose)이 중성자의 경우와는 다르게 동일한 패턴을 보여주고 있는데, 이는 방출되는 감마선의 에너지가 중성자와 다르게 일정하여 플럭스와 비례하기 때문이다. 반면에, 중성자의 경우에는 에너지 분포가 넓기 때문에 플럭스와 반드시 일치하지는 않는 결과를 얻을 수 있다. As shown in FIG. 5, in the case of the shielding effect on the secondary gamma rays generated by the neutron reacting with the material, the gamma flux and the gamma dose show the same pattern differently from the neutrons. This is because the energy of the emitted gamma rays is different from the neutron and is proportional to the flux. On the other hand, in the case of neutrons, since the energy distribution is wide, a result that does not necessarily correspond to the flux may be obtained.
결과적으로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 중성자의 경우와 동일하게 유형 3 및 유형 5의 차폐체가 유형 1의 단층구조 차폐체와 비교하여 더욱 우수한 차폐효과를 보이는 것으로 나타났으며, 특히 유형 3의 다층구조의 방사선 차폐체의 경우 가장 우수한 2차 감마선 차폐효과를 보여주고 있음을 알 수 있었다.
As a result, as shown in Fig. 5, the type 3 and type 5 shields showed a better shielding effect than the type 1 monolayer shields as in the case of neutrons. The radiation shield of showed the best secondary gamma ray shielding effect.
Claims (13)
방사선 차폐물질을 나노입자 크기로 분쇄하고, 계면활성제로 표면처리하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 분쇄된 방사선 차폐물질을 고분자 기재에 균일하게 분산시키는 단계(단계 2);
상기 방사선 차폐물질이 분산된 고분자 기재를 판넬 또는 시트 형태로 성형하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 제조된 판넬 또는 시트를 복수개 적층하거나, 방사선 차폐물질이 포함되지 않은 고분자 기재로 된 고분자 판넬 또는 시트와 함께 적층하여 다층구조로 제조하는 단계(단계 4).Method for manufacturing a radiation shield of a multi-layer structure comprising the following steps:
Milling the radiation shielding material to nanoparticle size and surface treating with a surfactant (step 1);
Uniformly dispersing the radiation shielding material pulverized in step 1 on the polymer substrate (step 2);
Molding the polymer substrate having the radiation shielding material dispersed therein into a panel or sheet form (step 3); And
Laminating a plurality of panels or sheets prepared in step 3, or laminated with a polymer panel or sheet made of a polymer substrate that does not contain a radiation shielding material (step 4).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110036944A KR20120119158A (en) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | Multi layer radiation shielding body and preparation method for the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110036944A KR20120119158A (en) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | Multi layer radiation shielding body and preparation method for the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20120119158A true KR20120119158A (en) | 2012-10-30 |
Family
ID=47286460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110036944A KR20120119158A (en) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | Multi layer radiation shielding body and preparation method for the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20120119158A (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101452790B1 (en) * | 2012-12-11 | 2014-10-22 | 한국수력원자력(주) | Californium neutron source container with optimum lead shielding |
| KR20160010729A (en) * | 2014-07-17 | 2016-01-28 | 서울대학교산학협력단 | Multilayered radiation shielding thin-film composite materials made by uniform or multi-sized non-leaded tungsten particles on which polymers were synthesized for uniform dispersion of the particles in the same polymer or compatible polymer |
| KR20170093315A (en) * | 2016-02-04 | 2017-08-16 | 서강대학교산학협력단 | Composition for Manufacturing Radiation Shielding material |
| WO2017183828A1 (en) * | 2016-04-18 | 2017-10-26 | 주식회사 더굳인터내셔널 | Primary radiation shield using contrast medium |
| KR20180012507A (en) * | 2016-07-27 | 2018-02-06 | 주식회사 알에스엠테크 | Moisture-permeable and waterproof fabric with natural radiation shielding, and manufacturing method thereof |
| KR20180081209A (en) * | 2017-01-06 | 2018-07-16 | 내일테크놀로지 주식회사 | Manufacturing method for 3-D printable radiation shielding body, manufacturing apparatus for radiation shielding body and radiation shielding body |
| KR102148894B1 (en) * | 2019-03-25 | 2020-08-31 | 주식회사 오리온이엔씨 | Transport and storage tank for low- and intermediate-level Radioactive Liquid Waste |
| WO2021095988A1 (en) * | 2019-11-11 | 2021-05-20 | 한국재료연구원 | Multilayer-structured neutron-absorbing aluminum composite material and preparation method therefor |
| WO2021107509A1 (en) * | 2019-11-27 | 2021-06-03 | 정재필 | Machine learning-based system for predicting distribution and movement path of source in 3-dimensional space, and method therefor |
| CN115926216A (en) * | 2022-08-24 | 2023-04-07 | 西安工程大学 | Preparation method of flexible neutron composite shielding body based on metal hydride |
-
2011
- 2011-04-20 KR KR1020110036944A patent/KR20120119158A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101452790B1 (en) * | 2012-12-11 | 2014-10-22 | 한국수력원자력(주) | Californium neutron source container with optimum lead shielding |
| KR20160010729A (en) * | 2014-07-17 | 2016-01-28 | 서울대학교산학협력단 | Multilayered radiation shielding thin-film composite materials made by uniform or multi-sized non-leaded tungsten particles on which polymers were synthesized for uniform dispersion of the particles in the same polymer or compatible polymer |
| KR20170093315A (en) * | 2016-02-04 | 2017-08-16 | 서강대학교산학협력단 | Composition for Manufacturing Radiation Shielding material |
| WO2017183828A1 (en) * | 2016-04-18 | 2017-10-26 | 주식회사 더굳인터내셔널 | Primary radiation shield using contrast medium |
| KR20180012507A (en) * | 2016-07-27 | 2018-02-06 | 주식회사 알에스엠테크 | Moisture-permeable and waterproof fabric with natural radiation shielding, and manufacturing method thereof |
| KR20180081209A (en) * | 2017-01-06 | 2018-07-16 | 내일테크놀로지 주식회사 | Manufacturing method for 3-D printable radiation shielding body, manufacturing apparatus for radiation shielding body and radiation shielding body |
| KR102148894B1 (en) * | 2019-03-25 | 2020-08-31 | 주식회사 오리온이엔씨 | Transport and storage tank for low- and intermediate-level Radioactive Liquid Waste |
| WO2021095988A1 (en) * | 2019-11-11 | 2021-05-20 | 한국재료연구원 | Multilayer-structured neutron-absorbing aluminum composite material and preparation method therefor |
| WO2021107509A1 (en) * | 2019-11-27 | 2021-06-03 | 정재필 | Machine learning-based system for predicting distribution and movement path of source in 3-dimensional space, and method therefor |
| KR20210065595A (en) * | 2019-11-27 | 2021-06-04 | 정재필 | System and method for predicting distribution and moving path of sources in 3d space based on machine learning |
| CN115926216A (en) * | 2022-08-24 | 2023-04-07 | 西安工程大学 | Preparation method of flexible neutron composite shielding body based on metal hydride |
| CN115926216B (en) * | 2022-08-24 | 2024-04-02 | 西安工程大学 | Preparation method of flexible neutron composite shielding body based on metal hydride |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20120119158A (en) | Multi layer radiation shielding body and preparation method for the same | |
| Mahmoud et al. | Fabrication, characterization and gamma rays shielding properties of nano and micro lead oxide-dispersed-high density polyethylene composites | |
| KR20100047510A (en) | Radiation shielding members including nano-particles as a radiation shielding materials and preparation method thereof | |
| Adeli et al. | Neutron irradiation tests on B4C/epoxy composite for neutron shielding application and the parameters assay | |
| Nambiar et al. | Polymer-composite materials for radiation protection | |
| Harish et al. | Lead oxides filled isophthalic resin polymer composites for gamma radiation shielding applications | |
| Kim et al. | Enhanced X-ray shielding ability of polymer–nonleaded metal composites by multilayer structuring | |
| KR101527796B1 (en) | Method for preparing textile composite for sheilding radiation | |
| Huang et al. | Preparation and characterization of γ-ray radiation shielding PbWO 4/EPDM composite | |
| JP5784222B2 (en) | Neutron shielding epoxy resin composition and method for producing the same | |
| Kiani et al. | Preparation and characteristics of epoxy/clay/B4C nanocomposite at high concentration of boron carbide for neutron shielding application | |
| Bijanu et al. | Metal-polymer composites for radiation protection: a review | |
| Kazemi et al. | A Monte Carlo study on the shielding properties of a novel polyvinyl alcohol (PVA)/WO3 composite, against gamma rays, using the MCNPX code | |
| Baykara et al. | Polyimide nanocomposites in ternary structure:“A novel simultaneous neutron and gamma‐ray shielding material” | |
| Lokhande et al. | Gamma radiation shielding characteristics of various spinel ferrite nanocrystals: a combined experimental and theoretical investigation | |
| KR20160142634A (en) | Radiation sheilding composition and method for preparing the same | |
| CN110867265B (en) | Flexible neutron radiation protection material and preparation method of protection article | |
| KR101589692B1 (en) | Radiation shielding meterial including tungsten or boron nano-particles and preparation method thereof | |
| Galehdari et al. | Effect of neutron radiation on the mechanical and thermophysical properties of nanoengineered polymer composites | |
| Jing et al. | Research progress of rare earth composite shielding materials | |
| Ghaseminejad et al. | Investigation of x-ray attenuation property of modification PbO with graphene in epoxy polymer | |
| Abdolahzadeh et al. | Preparation and characterization of nano WO3/Bi2O3/GO and BaSO4/GO dispersed HDPE composites for X-ray shielding application | |
| Kassem et al. | Novel flexible and lead-free gamma radiation shielding nanocomposites based on LDPE/SBR blend and BaWO4/B2O3 heterostructures | |
| Mesbahi et al. | Investigation of fast neutron shielding properties of new polyurethane-based composites loaded with BC, BeO, WO, ZnO, and GdO micro-and nanoparticles | |
| Zali et al. | Preparation and evaluation of gamma shielding properties of silicon-based composites doped with WO3 micro-and nanoparticles |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |