高填料、超厚防輻射屏蔽材料的研制

賀 鵬,郭振濤,張 龍＊,李鐵軍,康興川,鄭金美,李淑鳳

(1.中國人民解放軍駐北京地區艦船設備軍事代表室,北京100176;2.北京富迪創業科技有限公司,北京100012)

高填料、超厚防輻射屏蔽材料的研制

賀 鵬1,郭振濤2,張 龍2＊,李鐵軍2,康興川2,鄭金美2,李淑鳳2

(1.中國人民解放軍駐北京地區艦船設備軍事代表室,北京100176;2.北京富迪創業科技有限公司,北京100012)

以富氫聚乙烯為基材,通過加入高填充量的中子吸收劑——硼化合物來制備高填料、超厚防輻射屏蔽材料。研究了聚乙烯熔體流動速率、碳化硼及氧化釓含量對防輻射屏蔽材料力學性能和屏蔽性能的影響,并探討了不同成型工藝對材料表觀性能的影響。結果表明,選用高熔體流動速率的高壓低密度聚乙烯粉料及同等粒徑的硼化合物作為填料,通過工藝條件設置和模具改進,能夠制備出力學性能優異、內外觀質量俱佳的高填料、超厚防輻射屏蔽材料,其中子屏蔽(削弱)系數大于6,伽瑪屏蔽(削弱)系數大于8。

填料;厚度;防輻射;屏蔽材料;富氫聚乙烯

0 前言

我國制定了核電中長期發展規劃,核電事業將在短時間內實現快速發展。針對核反應堆、核電站、同位素輻射源、石油探井裝備、加速器等各種中子輻射源的防護要求,需要研制性能優良的高填充、高效屏蔽材料,在有限的空間范圍內,有效提高對人體安全的防護效果。

含硼聚乙烯作為一種優良的高效屏蔽材料逐漸得到廣泛的應用,特別是大厚度整體材料的屏蔽效果要優于多層疊加材料,如厚度超過250 mm的含硼聚乙烯制品的屏蔽性能優于多層疊加至250 mm厚的含硼聚乙烯制品。富氫聚乙烯中氫元素對中子具有良好的慢化作用,但對慢化后形成的熱中子,氫元素的吸收能力較差,熱中子擴散相當距離后才被吸收,降低了屏蔽效果。這樣就需要在聚乙烯體系中添加高比例的熱中子吸收劑和防γ輻射添加劑,中子吸收劑一般要求具有較高的中子俘獲截面,如硼元素具有很高的中子系數截面。而高密度的重金屬元素對γ射線具有良好的屏蔽效果。為保證屏蔽效果,輻射吸收助劑添加比例可超過60%。

超厚度、高填料聚乙烯屏蔽材料的加工難度很大,如超厚制品需要解決材料相容性、密實度問題,以保證材料內部不能有氣孔,而且密度要達標,才能保證屏蔽效果。高填料屏蔽材料還須保證材料的均勻性和成材性能,需要材料具有一定的力學強度,這些特殊要求對超厚度、高填料聚乙烯屏蔽材料的配方設計和加工工藝提出了更高的要求。

本文在實際產品開發應用的基礎上,重點研究了高填料、超厚度聚乙烯屏蔽材料的原材料選擇、組分配比和加工工藝對材料性能的影響。制成的高填料、超厚度聚乙烯屏蔽材料對于熱中子和γ射線具有優異的屏蔽性能,對于人體輻射防護具有良好的保護作用。

1 實驗部分

1.1 主要原料

超高相對分子質量聚乙烯,MⅡ,粉料,粒徑為83μm,熔體流動速率幾乎為0,北京東方石油化工有限公司助劑二廠;

富氫高壓低密度聚乙烯,5000s,粒料,熔體流動速率為0.9 g/10 min,北京燕山石化有限公司;

高熔體流動速率高壓低密度聚乙烯,粉料,粒徑為74μm,熔體流動速率為5 g/10 min,江陰糧豐助劑廠;

鐵粉,粒徑為74μm,北京金科復合材料有限公司;

氧化釓,粒徑為83μm,包頭華亞稀土材料有限公司;

碳化硼,粒徑為83μm,牡丹江市晨曦碳化硼有限公司。

1.2 主要設備及儀器

橡膠(塑料)加壓式捏煉機1,X(S)N-10/32,大連華韓橡塑機械有限公司;

橡膠(塑料)加壓式捏煉機2,X(S)N-55/30,大連華韓橡塑機械有限公司;

高速混合機,SHR-200A,張家港市恒中機械有限公司;

四柱液壓壓力成型機,YA32-315A,天津鍛壓機廠;

5MN壓力成型機,FYH-500DM,上海西瑪偉力橡塑機械有限公司;

雙螺桿擠出機,ZSK25,德國Coperion公司;

塑料擠出機,SJ-150,北京英特塑料機械總廠;

電子式拉力機,T2000E,北京友深電子儀器廠;

鈷Co-60γ源,俄羅斯科學院遠東科學中心化學研究所;

锎-252中子源,俄羅斯科學院遠東科學中心化學研究所;

中子劑量當量儀,BH3105,北京核儀器廠;

微型多道譜儀,XT/PC,北京核儀器廠;

γ計量儀,RAM GAM1,北京核儀器廠;

中子發生器及控制裝置,直流,北京核儀器廠;

中子多球譜儀,定制。

1.3 試樣制備

準確稱取聚乙烯、防輻射添加劑及其他助劑并在高速混合機中充分混合,于塑料加壓式捏煉機中熔融混合后,經雙螺桿擠出機擠出、造粒、干燥。將粒料用擠出機塑化,然后注入模腔,加壓成型。

1.4 性能測試與結構表征

檢查樣品的外觀缺陷:如縮坑、裂痕等;對樣品進行剖割后,檢查其內部缺陷:如孔洞、材料塑化是否完全等;

按 GB/T 1040—1992進行拉伸性能的測試,試樣為啞鈴形,厚度為2 mm;

采用掃描電鏡觀察材料斷面的微觀形貌;

2 結果與討論

2.1 基體種類對屏蔽材料力學性能的影響

測試屏蔽材料的力學性能,并將其與基材相比,結果如表1所示。從表1可以看出,基體的熔體流動速率較高,利于流動分散,并且能構成連續相,因而能更好地保持材料的力學性能。當基體熔體流動速率相當時,其粒徑與高填充物粒徑越接近,越有利于它們之間的分散,從而也有效地保證了屏蔽材料的力學性能。

表1 基體種類對屏蔽材料力學性能的影響Tab.1 Effect of different kinds of polymers on mechanical properties of radiation protection materials

2.2 基體種類對屏蔽材料屏蔽性能的影響

從表2可以看出,基體與高填充量熱中子吸收劑碳化硼、氧化釓和防γ輻射添加劑鐵粉相容性越好,越有利于填充物分散均勻,在保證富氫聚乙烯材料對中子發揮良好慢化作用的同時,又能使中子吸收劑及時俘獲熱中子,使高密度的金屬元素屏蔽γ射線,有效地提高了材料的屏蔽性能。

表2 基體種類對屏蔽材料屏蔽性能的影響Tab.2 Effect of different kinds of polymers on shielding properties of radiation protection materials

2.3 材料配比對屏蔽材料力學性能的影響

以高熔體流動速率高壓低密度聚乙烯為基體,在保持其他添加劑含量不變的情況下,碳化硼含量和氧化釓含量對屏蔽材料力學性能的影響分別如圖1和圖2所示。從圖1和圖2可以看出,在有機高分子材料中添加無機化工材料,盡管對其進行了表面處理,鑒于極性的差別,相容性不好,無機化工材料的加入會大大降低了基體的力學性能和成材性能,特別對高填充、超厚屏蔽材料,解決材料之間的相容性問題是關鍵。

圖1 碳化硼含量對屏蔽材料力學性能的影響Fig.1 Effect of B4C content on mechanical properties of radiation protection materials

圖2 氧化釓含量對屏蔽材料力學性能的影響Fig.2 Effect of GdO content on mechanical properties of radiation protection materials

2.4 材料配比對屏蔽材料屏蔽性能的影響

從圖3和圖4可以看出,隨著碳化硼和氧化釓含量的增加,材料的屏蔽性能明顯提高,當碳化硼含量大于60%、氧化釓含量大于3%時,Kn接近7,Kγ大于9。

圖3 碳化硼含量對屏蔽材料屏蔽性能的影響Fig.3 Effect of B4C content on shielding properties of radiation protection materials

圖4 氧化釓含量對屏蔽材料屏蔽性能的影響Fig.4 Effect of GdO content on shielding properties of radiation protection materials

綜上所述,對于高填料、超厚防輻射屏蔽材料,為保證產品的成材性能、力學性能和屏蔽性能,控制碳化硼含量為60%～70%、氧化釓含量為2%～3%為宜。

2.5 加工工藝對屏蔽材料表觀性能的影響

通常模壓成型的塑料制品基本上都是一次成型的。對于高填料、超厚防輻射屏蔽材料,采用模壓成型工藝嚴重影響了產品的均勻性、成材性和密實度。本文在實際產品開發應用中,不斷進行工藝探索,通過改進制備方法,以滿足實際產品的需求。在成型工藝中,引進兩步連續成型步驟,以解決材料流動性問題、氣孔問題、均勻性問題,實驗結果見表3。從表3可以看出,通過改進產品制備工藝,引入兩步連續成型法,很好地改善了高填料、超厚防輻射屏蔽材料的表觀性能,保證了材料的成型性、均勻性和密實度。

表3 加工工藝對屏蔽材料表觀性能的影響Tab.3 Effect of processing conditions on quality of apperance of radiation protection materials

3 結論

(1)制備高填料、超厚防輻射屏蔽材料,其基體需選用高熔體流動速率的聚乙烯,并且基體與添加劑的粒徑應相當,極性相近,以增加其相容性和均勻性;

(2)對于高填料、超厚防輻射屏蔽材料,為保證產品的成材性能、力學性能和屏蔽性能,控制碳化硼含量在60%～70%、氧化釓含量在2%～3%為宜;

(3)兩步連續成型法對于高填料、超厚防輻射屏蔽材料制備而言,更有利于解決材料的成型性、均勻性和密實度問題。

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Study on Highly-filled and Over-thickness Radiation Protection Materials

HE Peng1,GUO Zhentao2,ZHAN G Long2＊,LI Tiejun2,KAN G Xingchuan2,ZHEN GJinmei2,LI Shufeng2
(1.PLA Military Representative Office of Naval Equipment in Beijing,Beijing 100176,China;2.Beijing FUDI Science&Technology Co,Ltd,Beijing 100012,China)

Based on rich hydrogen polyethylene with highly-filled neutron absorberboron compound,highly-filled and over-thickness radiation protection materials were prepared.The effects of melt flow rate of polyethylene and content of B4C and GdO on mechanical properties and shielding properties were studied.The effects of different molding process on the material characteristics were discussed.It showed that using powder of low density polyethylene with high melt flow rate and boron compound with a proper particle size,through proper processing condition and improved moulds,highly-filled and over-thickness radiation protection materials were produced with excellent mechanical properties and good quality of appearance.The neutron shielding factor was more than 6,and gamma shielding factor was more than 8.

filler;thickness;radiation protection;shielding material;hydrogen rich polyethylene

TQ324.8

B

1001-9278(2011)04-0065-04

2010-11-22

＊聯系人,zhanglong_fang@hotmail.com