Композиционный материал на полимерной основе для комбинированной защиты гамма, нейтронного и электромагнитного излучения, наполненный нанопорошком вольфрама, нитрида бора и технического углерода
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

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.
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.
Такой материал имеет следующие недостатки:
- предварительная обработка кислотами поглощающего электромагнитное излучение материала;
- виды смешения не позволяют равномерно распределить наполнитель в полимерной матрице;
- не поглощает нейтронное и гамма-излучение.
2
3
2
3
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 BiO 55-63, кремнийорганическая жидкость «Пента-808», взятая по отношению к массе чистого BiO 0,8-1,0.
Недостатками данного материала являются:
- сложность процесса изготовления прекурсоров конечного продукта;
- не поглощает нейтронное излучение.
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.
Отличием является полимерная матрица и нейтронно-поглощающие наполнители, а также способность материала поглощать СВЧ- диапазон.
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).
Технический результат достигается следующим образом.
Радио-, радиационно-защитный материал на полимерной основе содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с наночастицами вольфрама, нитрида бора и технического углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
40-62
Вольфрам
18-20
Нитрид бора
15-20
Технический углерод марки УМ-76
5-20
Изображением (см. чертеж) поясняется хорошее распределение и адгезионное взаимодействие между наполнителем и полимерной матрицей.
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.
Возможность промышленной применимости предлагаемого материала и его использования в качестве радио-, радиационнозащитного материала подтверждается следующим примером реализации.
Пример.
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.
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.
На чертеже представлен пример структуры композита, снятой на сканирующем электронном микроскопе, путем получения хрупкого излома композита при замораживании его в жидком азоте.
Механические, радио- и радиационнозащитные свойства композитов приведены в таблицах 1, 2, 3.