高填料、超厚防辐射屏蔽材料的研制

贺 鹏,郭振涛,张 龙＊,李铁军,康兴川,郑金美,李淑凤

(1.中国人民解放军驻北京地区舰船设备军事代表室,北京100176;2.北京富迪创业科技有限公司,北京100012)

高填料、超厚防辐射屏蔽材料的研制

贺 鹏1,郭振涛2,张 龙2＊,李铁军2,康兴川2,郑金美2,李淑凤2

(1.中国人民解放军驻北京地区舰船设备军事代表室,北京100176;2.北京富迪创业科技有限公司,北京100012)

以富氢聚乙烯为基材,通过加入高填充量的中子吸收剂——硼化合物来制备高填料、超厚防辐射屏蔽材料。研究了聚乙烯熔体流动速率、碳化硼及氧化钆含量对防辐射屏蔽材料力学性能和屏蔽性能的影响,并探讨了不同成型工艺对材料表观性能的影响。结果表明,选用高熔体流动速率的高压低密度聚乙烯粉料及同等粒径的硼化合物作为填料,通过工艺条件设置和模具改进,能够制备出力学性能优异、内外观质量俱佳的高填料、超厚防辐射屏蔽材料,其中子屏蔽(削弱)系数大于6,伽玛屏蔽(削弱)系数大于8。

填料;厚度;防辐射;屏蔽材料;富氢聚乙烯

0 前言

我国制定了核电中长期发展规划,核电事业将在短时间内实现快速发展。针对核反应堆、核电站、同位素辐射源、石油探井装备、加速器等各种中子辐射源的防护要求,需要研制性能优良的高填充、高效屏蔽材料,在有限的空间范围内,有效提高对人体安全的防护效果。

含硼聚乙烯作为一种优良的高效屏蔽材料逐渐得到广泛的应用,特别是大厚度整体材料的屏蔽效果要优于多层叠加材料,如厚度超过250 mm的含硼聚乙烯制品的屏蔽性能优于多层叠加至250 mm厚的含硼聚乙烯制品。富氢聚乙烯中氢元素对中子具有良好的慢化作用,但对慢化后形成的热中子,氢元素的吸收能力较差,热中子扩散相当距离后才被吸收,降低了屏蔽效果。这样就需要在聚乙烯体系中添加高比例的热中子吸收剂和防γ辐射添加剂,中子吸收剂一般要求具有较高的中子俘获截面,如硼元素具有很高的中子系数截面。而高密度的重金属元素对γ射线具有良好的屏蔽效果。为保证屏蔽效果,辐射吸收助剂添加比例可超过60%。

超厚度、高填料聚乙烯屏蔽材料的加工难度很大,如超厚制品需要解决材料相容性、密实度问题,以保证材料内部不能有气孔,而且密度要达标,才能保证屏蔽效果。高填料屏蔽材料还须保证材料的均匀性和成材性能,需要材料具有一定的力学强度,这些特殊要求对超厚度、高填料聚乙烯屏蔽材料的配方设计和加工工艺提出了更高的要求。

本文在实际产品开发应用的基础上,重点研究了高填料、超厚度聚乙烯屏蔽材料的原材料选择、组分配比和加工工艺对材料性能的影响。制成的高填料、超厚度聚乙烯屏蔽材料对于热中子和γ射线具有优异的屏蔽性能,对于人体辐射防护具有良好的保护作用。

1 实验部分

1.1 主要原料

超高相对分子质量聚乙烯,MⅡ,粉料,粒径为83μm,熔体流动速率几乎为0,北京东方石油化工有限公司助剂二厂;

富氢高压低密度聚乙烯,5000s,粒料,熔体流动速率为0.9 g/10 min,北京燕山石化有限公司;

高熔体流动速率高压低密度聚乙烯,粉料,粒径为74μm,熔体流动速率为5 g/10 min,江阴粮丰助剂厂;

铁粉,粒径为74μm,北京金科复合材料有限公司;

氧化钆,粒径为83μm,包头华亚稀土材料有限公司;

碳化硼,粒径为83μm,牡丹江市晨曦碳化硼有限公司。

1.2 主要设备及仪器

橡胶(塑料)加压式捏炼机1,X(S)N-10/32,大连华韩橡塑机械有限公司;

橡胶(塑料)加压式捏炼机2,X(S)N-55/30,大连华韩橡塑机械有限公司;

高速混合机,SHR-200A,张家港市恒中机械有限公司;

四柱液压压力成型机,YA32-315A,天津锻压机厂;

5MN压力成型机,FYH-500DM,上海西玛伟力橡塑机械有限公司;

双螺杆挤出机,ZSK25,德国Coperion公司;

塑料挤出机,SJ-150,北京英特塑料机械总厂;

电子式拉力机,T2000E,北京友深电子仪器厂;

钴Co-60γ源,俄罗斯科学院远东科学中心化学研究所;

锎-252中子源,俄罗斯科学院远东科学中心化学研究所;

中子剂量当量仪,BH3105,北京核仪器厂;

微型多道谱仪,XT/PC,北京核仪器厂;

γ计量仪,RAM GAM1,北京核仪器厂;

中子发生器及控制装置,直流,北京核仪器厂;

中子多球谱仪,定制。

1.3 试样制备

准确称取聚乙烯、防辐射添加剂及其他助剂并在高速混合机中充分混合,于塑料加压式捏炼机中熔融混合后,经双螺杆挤出机挤出、造粒、干燥。将粒料用挤出机塑化,然后注入模腔,加压成型。

1.4 性能测试与结构表征

检查样品的外观缺陷:如缩坑、裂痕等;对样品进行剖割后,检查其内部缺陷:如孔洞、材料塑化是否完全等;

按 GB/T 1040—1992进行拉伸性能的测试,试样为哑铃形,厚度为2 mm;

采用扫描电镜观察材料断面的微观形貌;

2 结果与讨论

2.1 基体种类对屏蔽材料力学性能的影响

测试屏蔽材料的力学性能,并将其与基材相比,结果如表1所示。从表1可以看出,基体的熔体流动速率较高,利于流动分散,并且能构成连续相,因而能更好地保持材料的力学性能。当基体熔体流动速率相当时,其粒径与高填充物粒径越接近,越有利于它们之间的分散,从而也有效地保证了屏蔽材料的力学性能。

表1 基体种类对屏蔽材料力学性能的影响Tab.1 Effect of different kinds of polymers on mechanical properties of radiation protection materials

2.2 基体种类对屏蔽材料屏蔽性能的影响

从表2可以看出,基体与高填充量热中子吸收剂碳化硼、氧化钆和防γ辐射添加剂铁粉相容性越好,越有利于填充物分散均匀,在保证富氢聚乙烯材料对中子发挥良好慢化作用的同时,又能使中子吸收剂及时俘获热中子,使高密度的金属元素屏蔽γ射线,有效地提高了材料的屏蔽性能。

表2 基体种类对屏蔽材料屏蔽性能的影响Tab.2 Effect of different kinds of polymers on shielding properties of radiation protection materials

2.3 材料配比对屏蔽材料力学性能的影响

以高熔体流动速率高压低密度聚乙烯为基体,在保持其他添加剂含量不变的情况下,碳化硼含量和氧化钆含量对屏蔽材料力学性能的影响分别如图1和图2所示。从图1和图2可以看出,在有机高分子材料中添加无机化工材料,尽管对其进行了表面处理,鉴于极性的差别,相容性不好,无机化工材料的加入会大大降低了基体的力学性能和成材性能,特别对高填充、超厚屏蔽材料,解决材料之间的相容性问题是关键。

图1 碳化硼含量对屏蔽材料力学性能的影响Fig.1 Effect of B4C content on mechanical properties of radiation protection materials

图2 氧化钆含量对屏蔽材料力学性能的影响Fig.2 Effect of GdO content on mechanical properties of radiation protection materials

2.4 材料配比对屏蔽材料屏蔽性能的影响

从图3和图4可以看出,随着碳化硼和氧化钆含量的增加,材料的屏蔽性能明显提高,当碳化硼含量大于60%、氧化钆含量大于3%时,Kn接近7,Kγ大于9。

图3 碳化硼含量对屏蔽材料屏蔽性能的影响Fig.3 Effect of B4C content on shielding properties of radiation protection materials

图4 氧化钆含量对屏蔽材料屏蔽性能的影响Fig.4 Effect of GdO content on shielding properties of radiation protection materials

综上所述,对于高填料、超厚防辐射屏蔽材料,为保证产品的成材性能、力学性能和屏蔽性能,控制碳化硼含量为60%～70%、氧化钆含量为2%～3%为宜。

2.5 加工工艺对屏蔽材料表观性能的影响

通常模压成型的塑料制品基本上都是一次成型的。对于高填料、超厚防辐射屏蔽材料,采用模压成型工艺严重影响了产品的均匀性、成材性和密实度。本文在实际产品开发应用中,不断进行工艺探索,通过改进制备方法,以满足实际产品的需求。在成型工艺中,引进两步连续成型步骤,以解决材料流动性问题、气孔问题、均匀性问题,实验结果见表3。从表3可以看出,通过改进产品制备工艺,引入两步连续成型法,很好地改善了高填料、超厚防辐射屏蔽材料的表观性能,保证了材料的成型性、均匀性和密实度。

表3 加工工艺对屏蔽材料表观性能的影响Tab.3 Effect of processing conditions on quality of apperance of radiation protection materials

3 结论

(1)制备高填料、超厚防辐射屏蔽材料,其基体需选用高熔体流动速率的聚乙烯,并且基体与添加剂的粒径应相当,极性相近,以增加其相容性和均匀性;

(2)对于高填料、超厚防辐射屏蔽材料,为保证产品的成材性能、力学性能和屏蔽性能,控制碳化硼含量在60%～70%、氧化钆含量在2%～3%为宜;

(3)两步连续成型法对于高填料、超厚防辐射屏蔽材料制备而言,更有利于解决材料的成型性、均匀性和密实度问题。

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Study on Highly-filled and Over-thickness Radiation Protection Materials

HE Peng1,GUO Zhentao2,ZHAN G Long2＊,LI Tiejun2,KAN G Xingchuan2,ZHEN GJinmei2,LI Shufeng2
(1.PLA Military Representative Office of Naval Equipment in Beijing,Beijing 100176,China;2.Beijing FUDI Science&Technology Co,Ltd,Beijing 100012,China)

Based on rich hydrogen polyethylene with highly-filled neutron absorberboron compound,highly-filled and over-thickness radiation protection materials were prepared.The effects of melt flow rate of polyethylene and content of B4C and GdO on mechanical properties and shielding properties were studied.The effects of different molding process on the material characteristics were discussed.It showed that using powder of low density polyethylene with high melt flow rate and boron compound with a proper particle size,through proper processing condition and improved moulds,highly-filled and over-thickness radiation protection materials were produced with excellent mechanical properties and good quality of appearance.The neutron shielding factor was more than 6,and gamma shielding factor was more than 8.

filler;thickness;radiation protection;shielding material;hydrogen rich polyethylene

TQ324.8

B

1001-9278(2011)04-0065-04

2010-11-22

＊联系人,zhanglong_fang@hotmail.com