КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ НЕЙТРОННОЙ ЗАЩИТЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИДИМЕТИЛСИЛОКСАНА
POLYDIMETHYLSILOXANE BASED NEUTRON SHIELD COMPOSITION

Изобретение относится к области разработки материалов, обладающих нейтронопоглощающими свойствами, и может быть использовано, например, в качестве защитного слоя при изготовлении транспортно-упаковочных конструкций (ТУК) для транспортировки или хранения отработанного ядерного топлива, а также для биологической защиты от других случаев нейтронных излучений.
6
7
Известна композиция, используемая для изготовления нейтронопоглощающих изделий, состоящая из полимерной основы - полиэтилена с молекулярной массой по данным вискозиметрических измерений 2,5·10÷1,0·10 г/моль, и бора или
борсодержащих соединений (борной кислоты, нитрида бора, карбида бора или их смеси). Наиболее предпочтительно использовать тонкодисперсный карбид бора, что препятствует расслоению компонентов в процессе отработки. Содержание карбида бора в смеси с полиэтиленом составляет 5-50% масс, наиболее предпочтительно 20-30% масс. Используемый полиэтилен не должен содержать примесей. Для повышения его стабильности к свету, теплу и окислению в состав композиции вводят стабилизатор в количестве 0,1÷0,2% масс. В качестве стабилизатора могут быть использованы, например, 4,4'-тио бис-(3-метил-6-третбутил-1-фенол), дилаурил-тиопропионат и др.
Нейтронопоглощающий материал получают путем гомогенного смешения исходных компонентов в соответствующем смесителе с последующим нагреванием смеси при температуре 180-250°С под давлением 10-15 МПа и последующим охлаждением также под давлением 3-5 МПа (пат. США 5221646, С03С 4/08, приор. 22.06.93).
В связи с тем, что такая композиция способна приобретать текучесть, она может быть технологически приемлемыми способами помещена в полости ТУК в качестве нейтронозащитного слоя.
Недостатком композиции является невысокая термостойкость и относительно низкая термоокислительная стабильность, не позволяющая длительно использовать ее при температурах 150-200°С даже в присутствии предлагаемых в патенте стабилизаторов. По известным данным изделия на основе полиэтилена при контакте с металлом не работоспособны при температуре выше 70°С (Справочник "Электрические кабели, провода и шнуры" Белоруссов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.М., Энергоатомиздат, 1988 г.), в то время как стенки ТУК, всегда изготавливают из металла.
Наиболее близким аналогом является нейтронопоглощающая композиция, состоящая из полимерной основы - полидиметилсилоксана с концевыми гидроксильными группами, обладающая удовлетворительной термостабильностью и способная использоваться в качестве защитного слоя в ТУК.
В состав композиции входит кроме полимерной основы, борсодержащее соединение, низкомолекулярный полидиэтилсилоксан, этилсиликат и оловоорганический катализатор отвердения при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч:
Полимер
100
Полидиэтилсилоксан
8-12
Соединение бора
4-30
Этилсиликат
0,1-0,2
Катализатор
0,5-1,0
В качестве основы композиции используют диметилсилоксановые каучуки типа СКТН (ГОСТ 13635-73). В качестве соединения бора могут быть использованы, например, борная кислота, нитрид бора (ТУ 2036-1045-88).
В качестве оловоорганических катализаторов отверждения могут быть использованы, например, дибутилолово каприлат, дибутилолово лауринат, октоат олова и др. Наиболее предпочтителен октоат олова; из-за наиболее низкой токсичности.
В качестве низкомолекулярного полидиэтилсилоксана используют, например, полидиэтилсилоксановую жидкость марки ПЭС-5 (пат.РФ 2373587 С1 от 18.06.2008 г.).
2
Однако данная композиция обладает недостаточно высокой термостойкостью. Срок ее использования при 200°С ограничен 25 сутками. Следует также отметить, что процесс получения используемого в композиции олигомера полидиэтилсилоксана (ПЭС-5) носит многостадийный характер, что определяет высокую его стоимость, влияющую на стоимость композиции в целом. Кроме того такая композиция вследствие относительно высокой вязкости ПЭС-5 (200-500 мм/с) может быть загружена в емкость ТУК только с помощью насоса, что усложняет процесс ее использования по вышеуказанному назначению.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка заливочной композиции на основе полидиметилсилоксана для нейтронной защиты, способной использоваться в качестве защитного слоя ТУК и обладающей повышенной термостабильностью и повышенной текучестью при нормальных условиях.
Поставленная задача достигается тем, что композиция для нейтронной защиты на основе полидиметилсилоксана с концевым гидроксильными группами, включающая соединение бора, этилсиликат, оловоорганический катализатор отверждения и низкомолекулярный полидиалкилсилоксан, в качестве низкомолекулярного полидиалкилсилоксана содержит полидиметилсилоксан с концевыми триметилсилильными группами при следующем соотношении компонентов, мас.ч:
полидиметилсилоксан с концевым
гидроксильными группами
100
полидиметилсилоксан с концевыми
триметилсилильными группами
6-14
соединение бора
3-30
этилсиликат
0,1-0,2
катализатор
0,5-1,0
В качестве соединения бора могут быть использованы, например, борная кислота, нитрид бора (ТУ 2036-1045-88).
В качестве основы композиции используют полидиметилсилоксан, типа СКТН (ГОСТ 13835-73).
В качестве оловоорганических катализаторов отверждения могут быть использованы, например, дибутилолово каприлат, дибутилолово лауринат, октоат олова и др. Наиболее предпочтителен октоат олова, как наименее токсичный.
В качестве низкомолекулярного полидиметилсилоксана с концевыми триметилсилильными группами используют, например, полидиметилсилоксановую жидкость марки ПМС-5, ПМС-10.
Предполагаемую композицию готовят следующим образом: В аппарате, снабженном мешалкой, сначала смешивают диметилсилоксановый полимер и низкомолекулярный полидиметилсилоксан в течение 0,5-2,0 часа, затем вводят борсодержащее соединение, этилсиликат и оловоорганический катализатор. Далее, смесь гомогенизируется в роторно-пульсационном аппарате (РПА) и после двукратного пропуска через РПА самотеком подается в защитную полость ТУКа.
Примеры, иллюстрирующие предлагаемое техническое решение с описанием состава и свойств композиции для удобства рассмотрения сведены в таблицу.
Состав и свойства предлагаемых композиций по примерам 1-7
Композиция
№ примеров
1
2
3
4
5
6
7
Состав, %
СКТН, ММ=100000
100
100
СКТН, ММ=90000
100
100
100
100
СКТН, ММ=70000
100
ПМС-5
6
14
8
10
6
6
ПМС-10
8
нитрид бора
3
30
6
3
5
3
борная кислота
5
этилсиликат
0,2
0,2
0,2
0,2
0,1
0,2
0,2
октоат олова
1,0
1,0
1,0
0,8
0,5
1,0
дибутилолово каприлат
1,0
Свойство
Жизнеспособность, час
16
11
8
16
18
12
16
Вязкость динамическая, м·Па·10<sup>4</sup>
1,8
1,4
1,2
1,8
1,5
1,6
2,0
Возможность длительного использования композиции при воздействии температур до 220°C определена по методу прогнозирования изменения свойств при термическом старении в соответствии с ГОСТ 9.713-86. Так как в процессе эксплуатации композиция в отвержденном состоянии находится внутри герметичной оболочки ТУКа, что может сопровождаться деструктивными изменениями полимера, то в качестве характерного показателя старения выбрано изменение во времени показателя условной твердости при температурах 180, 200 и 220°C.
Полученные результаты испытаний в течение длительной выдержки (40 суток) образцов вулканизатов показали, что твердость образцов практически не претерпела изменений, что в свою очередь позволило экстраполировать работоспособность композиции до 50 лет при температуре 200-220°C.
14
2
При облучении вышеуказанных композиций потоком нейтронов до флюэнса 4·10 нейтронов/см и гамма-излучением до поглощенной дозы 1 МГр материал сохраняет свои свойства неизменными.
Таким образом, предлагаемая композиция обладает хорошей текучестью при нормальных условиях и легко может быть залита в полости ТУКа. Композиция обладает хорошей термостабильностыо, работоспособна длительно при температуре до 220°C и способна использоваться в качестве защитного слоя в ТУК от нейтронного излучения.