Композиционный материал для защиты от радиации
COMPOSITE MATERIAL FOR RADIATION PROTECTION

Изобретение относится к материалам для защиты от ионизирующего излучения с использованием природного минерала слюда, который может быть использован в радиационной защите в атомной промышленности.
Специалистам, работающим с природным минералом слюда, известно, что слюда обладает достаточно высокой радиационной стойкостью. Однако в таких отраслях, как атомная промышленность, необходимы материалы с максимально высокой радиационной стойкостью против любого вида ионизирующего излучения (альфа, бета, гамма и нейтронного) и желательно с небольшими толщинами. При этом из всех видов ионизирующего излучения гамма-излучение обладает самой высокой проникающей способностью, и теоретически никакая преграда не способна защитить от него полностью. Но первое место в рейтинге опасности занимает нейтронное излучение (быстрые нейтроны). Поскольку нейтроны подобно гамма-квантам легко проникают внутрь организма, но в отличие от гамма-квантов полностью поглощаются внутри него, вызывая большие разрушения внутри организма. В связи с этим защита именно от этих видов ионизирующего излучения является наиважнейшей.
В настоящее время применяются исключительно такие материалы, как тяжелые элементы (свинец и другие металлы с большим номером в таблице Менделеева). Но они дорогие, защита достаточно тяжелая и имеет большие размеры.
Задачей настоящего изобретения является разработка нового применения слюды, расширение области ее использования, а именно создание материала из слюды, готового к использованию в качестве материала с высокой радиационной стойкостью, и что очень важно, полученный пластинчатый материал имеет при этом незначительную толщину. Этот материал можно использовать в атомной промышленности, а также в других промышленностях, где необходима высокая степень радиационной защиты. Его можно использовать в строительстве домов в зонах с повышенной опасностью (нахождение около атомных электростанций) для облицовки стен, потолков.
Известно использование слюды в качестве наполнителя в композиции для защитного покрытия, обладающего помимо антиобледенительных свойств химической и радиационной стойкостью (см. патент РФ №2213114 с датой приоритета от 13.03.2002).
Здесь слюда является лишь наполнителем, основную защитную функцию выполняют оксиды переходных металлов, а они очень дорогие.
Известен материал, являющийся дополнительным наружным слоем тканевого материала, закрепленного снаружи тканевого тента палатки и пропитанного консистенцией на клеевой основе с добавлением в него смеси, состоящей в равных долях из измельченных стеклянной крошки, слюды, цементной сухой смеси и свинцовой крошки или стружки (см. патент РФ №2251185 на изобретение «Палатка подготовки населения в области гражданской защиты» с датой приоритета от 26.12.2013, публ. 20.05.2015, бюл. №14. Патентообладатель - ФГБУ ВНИИ ГОСЧ (ФЦ).
Данный материал, являющийся дополнительным к тканевому тенту палатки, обеспечивает защиту граждан, находящихся в палатке, от ионизирующего излучения. Однако материал является многокомпонентным, что не только усложняет технологию его изготовления, но и значительно удорожает его, особенно в части наличия свинцового компонента.
Известен материал, являющийся дополнительным наружным слоем тканевого материала, закрепленного снаружи тканевого тента палатки и пропитанного консистенцией на основе жидкого полиуретана с добавлением в него смеси, состоящей в равных долях из измельченных стеклянной крошки, слюды и свинцовой крошки или стружки (см. патент РФ №2558353 на изобретение «Палатка для обучения населения в условиях чрезвычайных ситуаций» с датой приоритета от 26.12.2013, публ. 10.07.2015, бюл. №22. Патентообладатель - ФГБУ ВНИИ ГОСЧ (ФЦ).
Данный материал, являющийся дополнительным к тканевому тенту палатки, также обеспечивает защиту граждан, находящихся в палатке, от ионизирующего излучения. Однако материал, как и предыдущий аналог, является многокомпонентным, что не только усложняет технологию его изготовления, но и значительно удорожает его, особенно в части наличия свинцового компонента.
Анализ отобранной в процессе поиска информации позволил выявить наиболее близкий аналог композиционного материала для защиты от радиации, содержащего полимер, представленный органическим видом в виде полиэтилена или неорганическим видом в виде стекла, добавку, представляющую собой слоистый силикат пластинчатой формы в виде слюды, талька или каолина, синтетическую слюду, стеклянные пластинки, керамические пластинки и пластинки двуокиси кремния, стабилизаторы и вещества, необходимые для улучшения технологических свойств полимера, и полимерное клеящее связующее с адгезией к слюде для соединения с пластиной (см. патент WO 9405727 A2 на изобретение «Композиционный материал для защиты от радиации с датой публикации 17.03.1994.).
Известный композиционный материал также является многокомпонентным, что не только усложняет технологию его изготовления, но и значительно удорожает его, особенно в части наличия металлического компонента (металлические оксиды). Значительно удорожает и усложняет технологию получения композиционного материала его основной компонент - полимер. Кроме того, слюда как материал, обладающий хорошей радиационной стойкостью, является здесь лишь добавкой.
Таким образом, известные заявителю композиционные материалы с использованием природного алюмосиликатного минерала слюда, обеспечивают определенную защиту от ионизирующего излучения, но характеризуются многокомпонентностью, соответственно технологической сложностью изготовления и достаточной дороговизной.
Заявляемое в качестве изобретения техническое решение позволяет достичь  технический результат - получение композиционного материала для защиты от радиации, характеризующегося малокомпонентным составом, а соответственно простотой изготовления.
Следующая совокупность существенных признаков характеризует сущность предлагаемого в качестве изобретения технического решения и способствует достижению указанного технического результата.
Композиционный материал для защиты от радиации, включающий полимерный компонент, слоистый силикат пластинчатой формы в виде слюды, отличающийся тем, что в качестве полимерного компонента использовано полимерное клеящее связующее, обладающее радиационной стойкостью и адгезией к пластинам слюды, в качестве слюды выбраны пластины щипаного мусковита, подвергнутые физико-химической модификации путем выдержки его в нагретом растворе кислоты с добавлением трав, и пластины природного щипаного флогопита, которые соединены с помощью полимерного клеящего связующего в монолитный защитный материал.
Для достижения результата в качестве полимерного связующего использованы эпоксидные, либо глифталевые, либо полиэфирные, либо кремнийорганические лаки, смолы.
Итак, анализ выявленной информации о существующем уровне техники в области композиционных материалов с использованием слюды для защиты от радиации и сущность предложенного изобретения показали, что предлагаемое в качестве изобретения техническое решение отвечает критерию патентоспособности «новизна».
Для повышения радиационной стойкости заявитель использовал пластины природного щипаного мусковита, подвергнутого физико-химической модификации, то есть выдержки пластин в нагретом растворе кислоты за счет введения в пластины различных веществ - антиоксидантов, а именно добавление трав.
Слюда обладает достаточно высокой радиационной стойкостью (антиоксидант), является прекрасным адсорбентом ввиду ее совершенной микропористой структуры. Это свойство слюды заявитель использовал для ее физико-химической модификации (дополнительное насыщение антиоксидантами) с целью получения нового пластинчатого материала, обладающего повышенной радиационной стойкостью. Заявитель использовал тонко расщепленные пластины слюды, поскольку они легче насыщаются компонентами, которые используют для обработки слюды. Кроме того, это готовый к использованию после обработки пластинчатый материал.
Согласно указанным выше операциям получения материала автором был получен новый пластинчатый материал, обладающий многократно увеличенной радиационной стойкостью по сравнению с природной необработанной слюдой, особенно в отношении нейтронного излучения. При этом обработанный мусковит характеризуется средней радиационной стойкостью по отношению к гамма-излучению (γ-квантами).
При этом природный минерал слюда - флогопит, характеризуется высокой радиационной стойкостью по отношению к гамма-излучению и достаточно радиационно стоек по отношению к нейтронному излучению.
С целью получения нового материала для защиты от радиации, обладающего более высокой радиационной стойкостью к указанным видам радиационного излучения, автор предложил склеить пластины химически модифицированного мусковита и пластины необработанного природного флогопита с помощью полимерного клеящего связующего в монолитный защитный материал.
Для получения высококачественного материала, обладающего высокой радиационной стойкостью, в качестве полимерного клеящего связующего использованы связующие, обладающие высокой радиационной стойкостью и отличной адгезией к пластинам слюды, в качестве которых использованы эпоксидные, либо глифталевые, либо полиэфирные, либо кремнийорганические лаки, смолы.
Полученный композиционный материал из модифицированного мусковита и природного флогопита обладает высокой радиационной стойкостью, поскольку все компоненты обладают ею. При этом эффект радиационной стойкости повышается многократно по сравнению с отдельно взятыми пластинами слюды.
Полученный композиционный материал отличается простотой состава, простотой технологии изготовления и невысокой стоимостью материала.
Таким образом, совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
В ходе проведенного заявителем поиска информации в указанной области обнаружены отдельные отличительные признаки заявленного изобретения (склеивание обычных пластин щипаной слюды с помощью полимерных связующих с образованием миканитов).
При этом совокупность существенных отличительных признаков предлагаемого изобретения, способствующая достижению указанного технического результата, и ее влияние на последний из существующего уровня техники не обнаружена.
Именно совокупность существенных отличительных признаков позволяет получить технический результат - получение композиционного материала для защиты от радиации, характеризующегося малокомпонентным составом, а соответственно простотой изготовления и невысокой стоимостью.
Следовательно, предлагаемое изобретение обладает таким критерием патентоспособ- ности как «изобретательский уровень».
Сущность технического решения, предлагаемого в качестве изобретения, поясняется с помощью ниже приведенного примера.
Для изготовления композиционного материала используют следующее сырье:
- расщепленные пластины модифицированного мусковита, согласно технологии пластины природного щипаного мусковита подвергнуты физико-химической модификации, то есть выдержке пластин в нагретом растворе кислоты за счет введения в пластины различных веществ - антиоксидантов, а именно добавления трав,
- в качестве полимерного клеящего связующего использованы эпоксидные, либо глифталевые, либо полиэфирные, либо кремнийорганические лаки, смолы,
- пластины щипаного природного флогопита, согласно ГОСТ 3028-78.
Пластины мусковита и флогопита должны быть одного размера, их соединяют с помощью клеящего связующего до необходимых толщин, обеспечивающих радиационную стойкость к нейтронному и гамма-излучению. Толщина образцов композиционного материала, состоящего из пластин слюды, в ходе экспериментальных исследований менялась с целью определения оптимальных толщин композиционного материала для максимальной защиты от нейтронного и гамма-излучений. Оптимальные толщины образцов композиционного материала являются ноу-хау автора.
В качестве клеевого связующего автором было взято эпоксидное клеевое связующее, в частности, эпоксидный клей - компаунд марки ЦМК-5, который обладает высокой радиационной стойкостью (данные исследований ОАО «НПО «Композит», г. Королев Московской области).
При этом глифталевые, полиэфирные, кремнийорганические лаки, смолы также характеризуются отличной адгезией к указанным компонентам и хорошей радиационной стойкостью.
Клеевое связующее равномерно наносят на пластины слюды, склеивают по известной технологии изготовления миканитов из слюды.
Полученные образцы композиционного материала из склеенных пластин слюды представляют собой сплошной монолит без расслоений, отверстий и посторонних включений, с чистой поверхностью.
Испытания полученных образцов композиционного материала из пластин слюды проводили специалисты в лабораторных условиях в одном из известных в РФ НИИ на линейных ускорителях быстрыми нейтронами и γ-квантами. Радиационные исследования образцов композиционного материала, а также флогопита (модифицированный мусковит был испытан при этих же условиях ранее, см. заявку №2015108509/03) были проведены в полях нейтронного и гамма-излучений со следующими параметрами:
4
6
2
- нейтронное излучение с энергией от 50 кэВ до 8 МэВ, плотность потока от 10 до 10 нейтр./см⋅с;
4
6
2
- гамма-излучение с энергией от 60 кэВ до 1,5 МэВ, интенсивность от 10 до 10 фотон/см⋅с.
Сравнение проводили как с необработанными пластинами слюды, природным флогопитом, так и с модифицированным мусковитом при одинаковых толщинах сравниваемых образцов и одинаковых параметрах излучений. Результаты испытаний показали, что радиационная стойкость полученного композиционного материала, состоящего из пластин слюды, необработанного природного флогопита и модифицированного мусковита, многократно повысилась в сравнении с отдельно взятыми необработанными пластинами флогопита и модифицированного мусковита.
Для пояснения полученного эффекта радиационная стойкость необработанной природной слюды (расщепленные необработанные пластины флогопита) и модифицированного мусковита автором условно принята за 1.
Сравнение с природным флогопитом
Радиационная стойкость композиционного материала (быстрые нейтроны) при всех равных условиях испытаний (параметры излучений, толщины образцов) составляет 10-15 условных единиц (при оптимально выявленных толщинах испытуемых образцов). Радиационная стойкость композиционного материала (гамма-кванты) при всех равных условиях испытаний (параметры излучений, толщины образцов) составляет 6-9 условных единиц (при оптимально выявленных толщинах испытуемых образцов).
Сравнение с модифицированным мусковитом
Радиационная стойкость композиционного материала (быстрые нейтроны) при всех равных условиях испытаний (параметры излучений, толщины образцов) составляет 8-10 условных единиц (при оптимально выявленных толщинах испытуемых образцов). Радиационная стойкость композиционного материала (гамма-кванты) при всех равных условиях испытаний (параметры излучений, толщины образцов) составляет 4-6 условных единиц (при оптимально выявленных толщинах испытуемых образцов).
Оптимальные толщины композиционного материала, при которых материал проявил максимальный эффект радиационной защиты, являются ноу-хау автора.
Таким образом, в результате применения заявляемого изобретения достигается новый технический результат - получение композиционного материала для защиты от радиации, характеризующегося малокомпонентным составом, а соответственно простотой изготовления и невысокой стоимостью.
Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Предлагаемое изобретение позволяет использовать слюдяное минеральное сырье, обеспечивая его новое применение, расширение области его использования, а именно в атомной промышленности для радиационной защиты атомных реакторов. Кроме того, получают радиационную защиту сравнительно недорогую в сравнении с тяжелыми металлами таблицы Менделеева, отличающуюся также простотой ее изготовления. Новый композиционный материал можно использовать и в строительстве домов в зонах повышенной радиационной опасности, в частности для облицовки стен, потолков, пола. Такой материал, обеспечивающий как высокую радиационную защиту, так и механическую прочность, может найти самое широкое применение во многих других отраслях промышленности.