RU2632934C1 - Composite material on polymer basis for combined protection of gamma, neutron and electromagnetic radiation, filled with nanopowder of tungsten, nitride of boron and black carbon - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: composite material consists of ultra-high molecular weight polyethylene 40-62 wt %, tungsten powder 18-20 wt %, boron nitride 15-20 wt %, and black carbon UM-76 5-20 wt %.

EFFECT: invention allows to combine the absorption properties of gamma, neutron, and electromagnetic radiation.

1 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к композиционным материалам, обладающим комбинированными свойствами по защите от гамма, нейтронного и электромагнитного излучения, в частности к материалам на основе полимерного связующего, в качестве которого используется сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), наполненный радио- и радиационно-защитными неорганическими компонентами. Изобретение может быть использовано для изготовления изделий, применяемых в средствах индивидуальной защиты медицинских и аварийно-спасательных служб, а также в атомной, авиакосмической, атомной отраслях промышленности и в медицине. Особенностью данного материала является способность поглощения быстрых нейтронов полимерной матрицей, которые впоследствии затормаживаются до тепловых нейтронов, которые поглощает нитрид бора, тяжелый металл нанопорошок вольфрама ослабляет поток гамма-квантов, а технический углерод, образуя пространственную токопроводящую сеть ,поглощает электромагнитное излучение.The invention relates to composite materials having combined properties for protection against gamma, neutron and electromagnetic radiation, in particular to materials based on a polymeric binder, which uses ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) filled with radio and radiation protective inorganic components. The invention can be used for the manufacture of products used in personal protective equipment for medical and emergency services, as well as in the nuclear, aerospace, nuclear industries and in medicine. A feature of this material is the ability to absorb fast neutrons with a polymer matrix, which is subsequently inhibited to thermal neutrons that absorb boron nitride, a heavy metal tungsten nanopowder weakens the gamma ray flux, and carbon black, which forms a spatial conducting network, absorbs electromagnetic radiation.

Известен способ изготовления композиционного материала для защиты от электромагнитного излучения поглощением (RU 2242487 C1, опубл. 20.12.2004), включающий смешение электропроводящего наполнителя, содержащего модифицированный графит, и полимерного связующего с последующим термоударом при 250-310°C, с последующим формованием. Композиционный материал характеризуется в диапазоне длин волн от 0,8 до 25 см. В качестве полимерного связующего выбирают из группы, включающей полиолефин, полистирол, фторопласт, ПВХ-пластизоль и кремнийорганический каучук СКТВ, а в качестве модифицированного графита используют продукт модифицирования графита концентрированными серной и азотной кислотами.A known method of manufacturing a composite material for protection against electromagnetic radiation by absorption (RU 2242487 C1, publ. 20.12.2004), comprising mixing an electrically conductive filler containing modified graphite and a polymer binder followed by thermal shock at 250-310 ° C, followed by molding. The composite material is characterized in the wavelength range from 0.8 to 25 cm. As a polymer binder, one is selected from the group consisting of polyolefin, polystyrene, fluoroplast, PVC plastisol and silicone rubber SKTV, and the product of graphite modification using concentrated sulfuric and nitric acids.

Такой материал имеет следующие недостатки:Such material has the following disadvantages:

- предварительная обработка кислотами поглощающего электромагнитное излучение материала;- pretreatment with acids absorbing electromagnetic radiation material;

- виды смешения не позволяют равномерно распределить наполнитель в полимерной матрице;- types of mixing do not allow uniform distribution of the filler in the polymer matrix;

- не поглощает нейтронное и гамма-излучение.- does not absorb neutron and gamma radiation.

Известен композит для защиты от космической радиации (RU 2515493 C1, опубл. 10.05.2014), включающий кремнийорганическую жидкость, порошок оксида тяжелого металла, отличающийся тем, что в качестве составляющих компонентов содержит политетрафторэтилен (матрица), а используемую кремнийорганическую жидкость «Пента-808» применяют в качестве модификатора поверхности оксида висмута Bi2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%: политетрафторэтилен 37-45, модифицированный оксид висмута Bi₂O₃ 55-63, кремнийорганическая жидкость «Пента-808», взятая по отношению к массе чистого Bi₂O₃ 0,8-1,0.A known composite for protection against cosmic radiation (RU 2515493 C1, publ. 05/10/2014), comprising an organosilicon liquid, a heavy metal oxide powder, characterized in that it contains polytetrafluoroethylene (matrix) as constituent components, and Penta-808 used organosilicon liquid. "is used as a modifier of bismuth oxide Bi2O3 surface at the following component ratio, wt.%: 37-45 polytetrafluoroethylene modified bismuth oxide Bi ₂ O ₃ 55-63, silicone fluid" Penta-808 ", made against by weight pure Bi ₂ O ₃ 0.8-1.0.

Недостатками данного материала являются:The disadvantages of this material are:

- сложность процесса изготовления прекурсоров конечного продукта;- the complexity of the manufacturing process of precursors of the final product;

- не поглощает нейтронное излучение.- does not absorb neutron radiation.

Прототипом является (RU 2491667 C1, опубл. 27.08.2013), в котором композиционный материал для защиты от радиоктивного излучения содержит компоненты полиуретана, частицы металлов, огнезащитные компоненты и вспомогательные вещества. При этом он дополнительно содержит борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%: полиуретан 10,0-80,0; частицы металлов 10,0-60,0; борная кислота 3,0-20,0; огнезащитные компоненты 2,0-8,0; вспомогательные вещества 0,1-3,0. Указанный материал может дополнительно содержать маркирующие компоненты 0.2-1.0 мас.%. Изобретение позволяет создать композиционный материал для защиты от радиоактивного излучения, имеющий огнестойкость более 1000°C и поглощающий излучение нейтронов наряду с поглощением композиционный материал для защиты от радиоактивного излучения.The prototype is (RU 2491667 C1, publ. 08.27.2013), in which the composite material for protection against radiation contains polyurethane components, metal particles, flame retardant components and auxiliary substances. Moreover, it additionally contains boric acid in the following ratio of components, wt.%: Polyurethane 10.0-80.0; metal particles 10.0-60.0; boric acid 3.0-20.0; fire retardant components 2.0-8.0; excipients 0.1-3.0. The specified material may additionally contain marking components 0.2-1.0 wt.%. The invention allows to create a composite material for protection against radioactive radiation, having a fire resistance of more than 1000 ° C and absorbing neutron radiation along with absorption of a composite material for protection against radioactive radiation.

Отличием является полимерная матрица и нейтронно-поглощающие наполнители, а также способность материала поглощать СВЧ- диапазон.The difference is the polymer matrix and neutron-absorbing fillers, as well as the ability of the material to absorb the microwave range.

Технический результат изобретения заключается в комбинации свойств, таких как поглощение гамма, нейтронного и электромагнитного излучения за счет введения в полимерную матрицу (поглотитель быстрых нейтронов) вольфрамсодержащего порошка (поглотитель гамма-квантов), борсодержащего порошка (поглотитель тепловых нейтронов) и углеродного компонента (поглотитель электромагнитного излучения).The technical result of the invention is a combination of properties, such as absorption of gamma, neutron and electromagnetic radiation due to the introduction of a tungsten-containing powder (gamma-ray absorber), boron-containing powder (thermal neutron absorber) and a carbon component (electromagnetic absorber) into the polymer matrix (fast neutron absorber) radiation).

Технический результат достигается следующим образом.The technical result is achieved as follows.

Радио-, радиационно-защитный материал на полимерной основе содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с наночастицами вольфрама, нитрида бора и технического углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%:A radio-based, radiation-protective polymer-based material contains ultra-high molecular weight polyethylene with nanoparticles of tungsten, boron nitride and carbon black in the following ratio, wt.%:

Сверхвысокомолекулярный полиэтиленUltra High Molecular Polyethylene 40-62 40-62 ВольфрамTungsten 18-20 18-20 Нитрид бораBoron nitride 15-20 15-20 Технический углерод марки УМ-76Carbon black of the UM-76 brand 5-20 5-20

Изображением (см. чертеж) поясняется хорошее распределение и адгезионное взаимодействие между наполнителем и полимерной матрицей.The image (see drawing) illustrates the good distribution and adhesive interaction between the filler and the polymer matrix.

В предлагаемом материале комбинирование свойств по поглощению гамма, нейтронного и электромагнитного излучения достигается за счет введенного в композит нанопорошка вольфрама дисперсностью 50-100 нм, нитрида бора с размером частиц 1-10 мкм и технического углерода дисперсностью 5-10 нм. Введение нанопорошка вольфрама в количестве 18-20 мас.% обеспечивает коэффициент ослабления гамма-излучения с энергией от 200 кэВ до 1,4 МэВ лежит в пределах 1,387-1,024. Введение частиц нитрида бора в композит в количестве 15-20 мас.% обеспечивает высокий уровень защитных свойств от нейтронного излучения, вплоть до полного поглощения. Введение технического углерода в количестве 5-20 мас.% способствует высокому уровню поглощающих свойств электромагнитного излучения. Эффективное распределение наполнителей в объеме полимерной матрицы обеспечивается за счет ступенчатого введения наполнителей в ходе механического синтеза в высокоэнергетических планетарных мельницах с металлическими мелящими телами. Получение готового продукта необходимой формы из композиции осуществляется методом термопрессования при температуре 170-190°C. Композиционный материал податлив механической обработке, поэтому конечный продукт может изготавливаться практически любой сложной формы.In the proposed material, the combination of gamma, neutron and electromagnetic radiation absorption properties is achieved due to the addition of tungsten nanopowder with a dispersion of 50-100 nm, boron nitride with a particle size of 1-10 microns and carbon black with a dispersion of 5-10 nm. The introduction of tungsten nanopowder in the amount of 18-20 wt.% Provides the attenuation coefficient of gamma radiation with an energy of 200 keV to 1.4 MeV is in the range of 1.387-1.024. The introduction of particles of boron nitride in the composite in an amount of 15-20 wt.% Provides a high level of protective properties against neutron radiation, up to complete absorption. The introduction of carbon black in an amount of 5-20 wt.% Contributes to a high level of absorbing properties of electromagnetic radiation. An effective distribution of fillers in the volume of the polymer matrix is ensured by the stepwise introduction of fillers during mechanical synthesis in high-energy planetary mills with metal grinding bodies. Obtaining the finished product of the required form from the composition is carried out by thermal pressing at a temperature of 170-190 ° C. Composite material is malleable, so the final product can be manufactured in almost any complex shape.

Возможность промышленной применимости предлагаемого материала и его использования в качестве радио-, радиационнозащитного материала подтверждается следующим примером реализации.The possibility of industrial applicability of the proposed material and its use as a radio, radiation protective material is confirmed by the following implementation example.

Пример.Example.

В качестве исходных материалов использовались сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) марки GUR 4120, нанопорошок вольфрма дисперсностью 50-100 нм, полученный методом восстановления в токе водорода специально подготовленного прекурсора на основе вольфрамовой кислоты, и гексогональный нитрид бора и порошок технического углерода марки УМ-76, полученный термоокислительным разложением высокоароматизированного сырья и размером частиц 5-10 нм.GUR 4120 brand ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE), tungsten nanopowder with a dispersion of 50-100 nm, obtained by reducing a specially prepared tungsten acid-based precursor in hydrogen stream, and hexagonal boron nitride and carbon black powder grade UM-76, obtained were used as starting materials thermal oxidative decomposition of highly aromatized raw materials and a particle size of 5-10 nm.

Порошки СВМПЭ, вольфрама, нитрида бора и технического углерода проходят предварительную сушку при температуре 110°C. Затем в металлические барабаны планетарной мельницы FRITSCH Pulverisette 5 с металлическими мелящими телами засыпают СВМПЭ с техническим углеродом для создания пространственной токопроводящей сетки, проводят смешивание в течение 30 минут в режиме 5 минут помола 10 минут «отдых». Затем к полученной смеси добавляется нитрид бора и вольфрам с теми же режимами смешения. Были получены следующие композиции: 18% мас. вольфрама, 10% мас. нитрид бора, технический углерод УМ-76 5% мас., СВМПЭ - остальное; 18% мас. вольфрама, 15% мас. нитрид бора, технический углерод УМ-76 5% мас., CBMПЭ - остальное; 18% мас. вольфрама, 20% мас., нитрид бора, технический углерод УМ-76 10% мас., СВМПЭ - остальное; 18% мас. вольфрама, 20% мас. нитрид бора, технический углерод УМ-76 20% мас., СВМПЭ - остальное; 20% мас. вольфрама, 20% мас. нитрид бора, технический углерод УМ-76 20% мас., СВМПЭ - остальное. Полученные композиции подвергались термопрессованию при температуре 170-190°C и давлении 20-40 МПа.UHMWPE, tungsten, boron nitride and carbon black powders are pre-dried at 110 ° C. Then, UHMWPE with carbon black are poured into the metal drums of the planetary mill FRITSCH Pulverisette 5 with metal grinding bodies to create a spatial conductive grid, mixing is carried out for 30 minutes in the mode of 5 minutes of grinding, 10 minutes of rest. Then, boron nitride and tungsten with the same mixing modes are added to the resulting mixture. The following compositions were obtained: 18% wt. tungsten, 10% wt. boron nitride, carbon black UM-76 5% wt., UHMWPE - the rest; 18% wt. tungsten, 15% wt. boron nitride, carbon black UM-76 5% wt., CBMPE - the rest; 18% wt. tungsten, 20% wt., boron nitride, carbon black UM-76 10% wt., UHMWPE - the rest; 18% wt. tungsten, 20% wt. boron nitride, carbon black UM-76 20% wt., UHMWPE - the rest; 20% wt. tungsten, 20% wt. boron nitride, carbon black UM-76 20% wt., UHMWPE - the rest. The resulting compositions were thermally pressed at a temperature of 170-190 ° C and a pressure of 20-40 MPa.

На чертеже представлен пример структуры композита, снятой на сканирующем электронном микроскопе, путем получения хрупкого излома композита при замораживании его в жидком азоте.The drawing shows an example of the structure of the composite, taken on a scanning electron microscope, by obtaining a brittle fracture of the composite when it is frozen in liquid nitrogen.

Механические, радио- и радиационнозащитные свойства композитов приведены в таблицах 1, 2, 3.The mechanical, radio and radiation protective properties of the composites are given in tables 1, 2, 3.

Claims (2)

Композиционный материал для комбинированной радио- и радиационной защиты на полимерной основе, состоящий из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и наполненного наночастицами вольфрама, нитрида бора и технического углерода УМ-76 в мас.% соотношении:Composite material for combined radiation and radiation protection on a polymer basis, consisting of ultra-high molecular weight polyethylene and nanoparticles filled with tungsten, boron nitride and carbon black UM-76 in wt.% Ratio: Сверхвысокомолекулярный полиэтиленUltra High Molecular Polyethylene 40-62 40-62 ВольфрамTungsten 18-20 18-20 Нитрид бораBoron nitride 15-20 15-20 Технический углерод марки УМ-76Carbon black of the UM-76 brand 5-20 5-20

Images