МАТЕРИАЛ НА ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ РАДИО- И РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ
POLYMER-BASED MATERIAL FOR COMBINED RADIO- AND RADIATION PROTECTION

Изобретение относится к композиционным радио- и радиационно-защитным материалам, 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 авиакосмической, атомной отраслях промышленности и в медицине. Композит обеспечивает защиту от электромагнитного излучения сверхвысоких (СВЧ), крайне высоких (КВЧ) частот, электронов, протонов, нейтронов, рентгеновского и γ-излучений.
Известен способ изготовления композита полимер/углеродные нанотрубки на подложке (RU 2400462 C1, опубл. 27.09.2010), включающий растворение полимера в первом растворителе при температуре 90°С, обработку ультразвуком находящихся во втором растворителе УНТ, смешивание растворенного полимера с раствором УНТ и обработку ультразвуком полученного раствора в присутствии переменного магнитного поля в течение времени, достаточного для распределения УНТ по всей матрице полимера, а затем нанесение композита на подложку и термообработку, которые происходят в присутствии постоянного магнитного поля. Применялся полимер полиимид и многостенные углеродные нанотрубки. Технический результат - повышенная устойчивость к радиационному облучению, увеличенная механическая прочность, электропроводимость.
Недостатками способа являются сложность технологического процесса получения композита, дорогостоящий наполнитель. Материал обеспечивает защиту от высокочастотных электромагнитных полей, но при высокой устойчивости к радиационному излучению от радиации не защищает.
2
3
2
3
2
3
Известен способ получения композита для зашиты от космической радиации (RU 2515493 C1, опубл. 10.05.2014), включающего 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 BiO 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.
Известен способ получения материала для защиты от космической радиации (RU 2275704 С2, опубл. 27.04.2006), содержащего подслой в виде раствора полибутилтитаната или раствора элементоорганических соединений и слой покрытия из материала, содержащего в качестве матрицы кремнийорганический полимер. В качестве неорганического наполнителя слой покрытия из материала содержит порошки тяжелых металлов, их оксиды и карбиды, структурирующий агент на основе смеси эфира ортокремниевой кислоты и продуктов его гидролиза. Кроме того, он содержит технологический структурирующий агент в виде пирогенетического аморфного диоксида кремния, вулканизирующий агент в виде диэтилдикаприлата олова или катализатор в виде раствора аминосилана в эфирах ортокремниевой кислоты. Слой покрытия из материала имеет следующее соотношение компонентов, мас. %: кремнийорганический полимер 8,2-37,1; порошки тяжелых металлов, их оксиды и карбиды 60,7-92,0; структурирующий агент 0,2-0,5; технологический структурирующий агент 0,2-0,5; вулканизирующий агент или катализатор 0,9-1,2.
Оба материала обеспечивают защиту только от γ-излучения, но не защищают от высокочастотных электромагнитных полей, потоков быстрых и медленных нейтронов, что существенно ограничивает их применение в космосе.
Известен способ, в котором полимерная композиция для радиационной зашиты электронных приборов (RU 2530002 С2, опубл. 10.10.2014), содержащая полимерное связующее, литий и бор в качестве экранирующих наполнителей (агентов), может быть использована для изготовления защитных материалов для биологической защиты, в качестве теневой защиты ядерных энергетических установок, аппаратуры ядерно-опасных объектов. Композиция содержит в качестве связующего полипропилен и/или полиэтилен, а литий и бор в составе соединения тетрагидридобората лития (ТГБЛ), капсулированного при следующем соотношении ингредиентов, порошкообразный экранирующий наполнитель - тетрагидридоборат лития - не более 5 мас. %, полиэтилен и/или полипропилен - остальное.
Композиция обеспечивает защиту только от нейтронов.
Известен способ получения композиционного материала для поглощения электромагнитного излучения и способ его получения (RU 2242487 C1, опубл. 20.12.2004), включающий смешение электропроводящего наполнителя, содержащего модифицированный графит, и полимерного связующего при массовом соотношении, равном 2-30:70-98, соответственно. После совмещения смеси дополнительно осуществляют терморасширение смеси в режиме термоудара при температуре 250-310°С, с последующим ее формованием. Причем полимерное связующее 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. Полученный композиционный материал характеризуется в диапазоне длин волн от 0,8 до 25 см при толщине образца от 4 до 8 мм уменьшением коэффициента отражения от -2 до -16 дБ.
Материал защищает только от СВЧ-излучения, причем активное поглощение электромагнитного излучения (ЭМИ) начинает превалировать над отражением от поверхности образца при частоте ЭМИ более 15 ГГц.
Прототипом является (RU 2030803 C1, опубл. 10.03.1995), в котором описана матрица на полимерной основе для защитного материала и эластичный материал для защиты от рентгеновского и гамма-излучений. Матрица включает бутадиеновый или бутадиен-нитрильный и дивинилстирольный каучуки, фторопласт-4 и агидол при соотношении бутадиенового или бутадиен-нитрильного и дивинилстирольного каучуков 1:/2,3-3,6/ при следующем соотношении компонентов, мас. %: бутадиеновый или бутадиен-нитрильный и дивинилстирольный каучуки 86,8-88,3; фторопласт-4 9,5-10,5; агидол 2,2-2,8; эластичный материал для защиты от рентгеновского и гамма-излучений, содержащий матрицу, включающую каучуки, вид и соотношение которых указан в матрице, и наполнитель, в качестве которого использован вольфрам или оксиды тяжелых металлов при следующем соотношении компонентов, мас. %: бутадиеновый или бутадиен-нитрильный и дивинилстирольный каучуки - 4,4-17,5, фторопласт-4 0,5-2,0 агидол 0,1-0,5, вольфрам или оксиды тяжелых металлов 80,0-95,0.
Отличием является полимерная матрица и способ получения готового продукта.
Технический результат изобретения заключается в комбинации свойств, таких как поглощение ионизирующего излучения (нейтронного и рентгеновского) за счет введения борсодержащих и вольфрамсодержащих соединений и поглощение электромагнитного излучения за счет введения углеродного компонента.
Технический результат достигается следующим образом:
Радио-, радиационно-защитный материал на полимерной основе содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с наночастицами вольфрама, карбида бора и технического углерода при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
40-60
Вольфрам
18-20
Карбид бора
15-20
Технический углерод марки УМ-76
5-20
В предлагаемом материале повышенный уровень радиационно-защитных свойств достигается за счет введенного в композит нанопорошка вольфрама и карбида бора дисперсностью 50-100 нм. Введение нанопорошка вольфрама в количестве 18-20 масс. % обеспечивает коэффициент поглощения гамма-излучения с энергией от 200 КэВ до 1,4 МэВ в пределах 1,468-1,032. Введение наночастиц карбида бора в композит в количестве 15-20 масс. % обеспечивает высокий уровень защитных свойств от нейтронного излучения, вплоть до полного поглощения. Введение наночастиц углерода в количестве 5-20 масс. % способствует высокому уровню поглощающих свойств электромагнитного излучения. Эффективное распределение наноразмерных наполнителей по полимерной матрице обеспечивается за счет применения метода совестного механического синтеза в высокоэнергетичных планетарных мельницах с металлическими мелящими телами. Получение изделия необходимой формы из композита осуществляется методами термопрессования и экструзии при температуре 180-200°С. Благодаря хорошей перерабатываемости материала изделие радиационной защиты из данного материала может быть изготовлено практически любой сложной формы.
Возможность промышленной применимости предлагаемого материала и его использования в качестве радио-, радиационно-защитного материала подтверждается следующим примером реализации.
Пример
В качестве исходных материалов использовались сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) марки GUR 4120, нанопорошок вольфрама дисперсностью 50-100 нм, полученный методом водородного восстановления специально приготовленного прекурсора на основе вольфрамовой кислоты, и карбид бора, полученный механическим измельчением в шаровом механоактиваторе промышленного порошка карбида бора, и нанопорошок технического углерода, полученный термоокислительным разложением высокоароматизированного сырья и с размером частиц 2-10 нм.
Порошки - СВМПЭ, вольфрама, карбида бора проходят предварительную сушку при температуре 110°С, затем смешиваются и подвергаются механическому перемешиванию с помощью планетарной мельницы FRITSCH Pulverisette 5 с металлическими мелящими телами в следующих композициях: 18% масс. вольфрама, 10% масс. карбида бора, технический углерод УМ-76 5% масс., СВМПЭ - остальное; 18% масс. вольфрама, 15% масс. карбида бора, технический углерод УМ-76 5% масс., СВМПЭ - остальное; 18% масс вольфрама, 20% масс. карбида бора, технический углерод УМ-76 10% масс., СВМПЭ - остальное; 18% масс. вольфрама, 20% масс. карбида бора, технический углерод УМ-76 20% масс., СВМПЭ - остальное; 20% масс. вольфрама, 20% масс. карбида бора, технический углерод УМ-76 20% масс., СВМПЭ - остальное. Полученные после перемешивания в мельнице композиционные смеси подвергались термопрессованию при температуре 180-200°С и давлении 20-40 МПа.
На чертеже показан пример структуры композита, полученной на сканирующем электронном микроскопе, путем получения хрупкого излома композита при замораживании его в жидком азоте.
Механические, радиозащитные и радиационно-защитные свойства композитов приведены в таблицах 1, 2, 3.