Композиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для комбинированной радио и радиационной защиты, наполненный пентаборидом дивольфрама и техническим углеродом
COMPOSITE MATERIAL BASED ON ULTRAHIGH MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE FOR COMBINED RADIO AND RADIATION PROTECTION FILLED WITH DIVOLFRAM PENTABORIDE AND BLACK CARBON

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, в свою очередь пентаборид дивольфрама обладает способностью поглощения тепловых нейтронов и гамма-квантов, а технический углерод, образуя пространственную токопроводящую сеть, поглощает электромагнитное излучение.
Известен многослойный композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения (RU 2529494 C1, опубл. 27.09.2014), состоящий из полимерной основы с распределенными в ней частицами сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B. Данный материал отличается тем, что он представляет собой многослойную конструкцию, каждый слой которой выполнен из указанного состава, а содержание частиц сплава в каждом слое составляет 70-90 масс. % и ограничено определенным диапазоном размеров частиц из непрерывного ряда 1-200 мкм с увеличением размерности частиц в каждом последующем слое. Совмещение однослойных композитов в многослойную структуру осуществляется с помощью специальных колландров, обеспечивающих требуемую механическую прочность композиции.
Недостатками данного материала являются:
- сложность конструкции, так как многослойные материалы теряют свои механические свойства по сравнению с монолитными образцами;
- материал не защищает от нейтронного и гамма-излучения.
Известна рентгенозащитная композиция (RU 2415485 C1, опубл. 27.03.2011), содержащая эпоксидное связующее, отвердитель, в качестве которого используется полиаминоамидная смола с аминным числом 280-310 мг КОН/г, и экранирующий порошкообразный наполнитель в виде смеси оксидов кадмия, церия, гадолиния, иттербия и висмута при следующем соотношении компонентов, масс. %: эпоксидное связующее 14,0-17,0; полиаминоамидная смола 10,0-12,0; кадмия оксид 31,0-32,0; церия оксид 31,5-33,0; гадолиния оксид 5,0-6,0; иттербия оксид 0,5-1,0; висмута оксид 3,0-4,0.
Недостатками данного материала являются:
- неспособность защищать на более высоких энергиях;
- не защищает от электромагнитного излучения.
Прототипом является полимерная композиция для радиационной защиты электронных приборов (RU 2530002 C2, опубл 10.10.2014), содержащая полимерное связующее, литий и бор в качестве экранирующих наполнителей (агентов), которая может быть использована для изготовления защитных материалов для биологической защиты, в качестве теневой защиты ядерных энергетических установок, аппаратуры ядерно-опасных объектов. Заявленная композиция содержит в качестве связующего полипропилен и/или полиэтилен, а литий и бор в составе соединения тетрагидридобората лития (ТГБЛ), капсулированного при следующем соотношении ингредиентов, % масс: порошкообразный экранирующий наполнитель - тетрагидридоборат лития не более 5, полиэтилен и/или полипропилен остальное.
Отличием является полимерная матрица и невозможность поглощения электромагнитного излучения.
Технический результат изобретения заключается в комбинации свойств, таких как поглощение гамма-, нейтронного и электромагнитного излучения за счет введения в полимерную матрицу (поглотитель быстрых нейтронов) порошка, состоящего из соединения бора и вольфрама (поглотитель гамма-квантов и тепловых нейтронов) и углеродного компонента (поглотитель электромагнитного излучения). При этом достигается низкий коэффициент потерь на отражение и увеличение коэффициента потерь на поглощение электромагнитного излучения, что является необходимым параметром.
Технический результат достигается следующим образом.
Радио-, радиационно-защитный материал на полимерной основе содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен в качестве матрицы, наполненный порошком пентаборида дивольфрама и технического углерода при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
50-75
Пентаборид дивольфрама
20-30
Технический углерод марки УМ-76
5-20
Изображением поясняется равномерное распределение и хорошее адгезионное взаимодействие наполнителей с полимерной матрицей.
γ
n
В предлагаемом материале комбинирование свойств по поглощению гамма-, нейтронного и электромагнитного излучения достигается за счет введенного в композит порошка пентаборида дивольфрама с размером частиц 10-20 мкм и технического углерода дисперсностью 5-10 нм. Введение порошка пентаборида дивольфрама в количестве 20-30 масс. % обеспечивает высокий коэффициент поглощения гамма- (200 кэВ - 1,4 МэВ) и нейтронного излучения (К=1,488-1,028 и K=4,8-6,13). Введение технического углерода в количестве 5-20 масс. % 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.
Возможность промышленной применимости предлагаемого материала и его использования в качестве радио-, радиационно-защитного материала подтверждается следующим примером реализации.
Пример.
2
5
В качестве исходных материалов использовались сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) марки GUR 4120, пентаборид дивольфрама (WB) с размером частиц 20-30 мкм и порошок технического углерода марки УМ-76, полученный термоокислительным разложением высокоароматизированного сырья и с размером частиц 5-10 нм.
Порошки СВМПЭ, пентаборида дивольфрама 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 порошок пентаборида дивольфрама с теми же режимами смешения. Были получены следующие композиции: пентаборид дивольфрама в количестве 30 масс. %, технический углерод УМ-76 в количестве 5 масс. %, СВМПЭ - остальное; 20 масс. %, технический углерод УМ-76 в количестве 10 масс. %, СВМПЭ - остальное; 30 масс. %, технический углерод УМ-76 в количестве 10 масс. %, СВМПЭ - остальное; 30 масс. %, технический углерод УМ-76 в количестве 20 масс. %, СВМПЭ - остальное. Полученные композиции подвергались термопрессованию при температуре 170-190°C и давлении 20-40 МПа.
На чертеже представлен пример поверхности разрыва композиционного материала, прошедшего механические испытания.
Механические, радио- и радиационно-защитные свойства композитов приведены в таблицах 1, 2, 3.