一种高透光的中子屏蔽复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于核辐射防护材料技术领域，涉及一种高透光的中子屏蔽复合材料及其制备方法。

背景技术

随着核技术利用的越来越广泛，以及人们对辐射安全要求越来越高，核辐射防护受到更加广泛的重视。特别是中子具有非常强的穿透性，比伽玛射线更加难以屏蔽。而具有中子辐射场的应用较多，如核电厂、核潜艇、各类实验研究堆、中子加速器、同位素中子源等。

目前已研发了各种中子屏蔽材料，如水泥基或不锈钢含中子吸收剂材料、聚乙烯基的复合材料等，这些防核辐射材料均存在一些缺点，如聚乙烯基的屏蔽材料不耐温；不锈钢、混泥土基的屏蔽材料密度太大，不便于推广利用；还有些复合材料其制备工艺复杂，造价昂贵，Teva、别是绝大多数屏蔽材料透光性差，这就限制了材料在某些需要透光要求的环境下使用，如核反应堆观察窗、热室窗、护目镜等。

聚碳酸酯为五大工程塑料之一，具有优越的综合性能。由于其结构上的特殊性，已成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料。聚碳酸酯的分子链上含有苯环和碳酸脂结构,因此,其分子链的刚性非常大，它具有优良的光学性能、抗冲击性能、耐热性、耐寒性能及耐磨性能。目前广泛应用于汽车、电子电气、建筑、办公设备、包装、运动器材、医疗保健等领域,随着改性研究的不断深入,正迅速拓展到航空航天、计算机、光盘等高科技领域。

稀土元素中钆的中子吸收截面比常用硼高很多，钆的热中子吸收截面约为48000b，硼的热中子吸收截面约为3800b，钆的中子吸收截面约是硼的12倍。将氧化钆填充到PC中制备复合材料，可以兼得PC材料优异的光学性能、力学性能和中子屏蔽性能。

发明内容

本发明的第一个目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种高透光的中子屏蔽复合材料，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高透光性的、能够屏蔽中子的复合材料。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种高透光的中子屏蔽复合材料，其特征在于，以高分子材料PC为基体材料，以纳米氧化钆作为中子吸收剂，通过熔融共混方式制备得到所述复合材料；所述复合材料由以下质量份数配比的原料组合而成：90-100份的聚碳酸酯、中子吸收剂1-10份、抗氧剂0.5-2份、偶联剂0.1-1份。

进一步的，所述聚碳酸酯为双酚A型聚碳酸酯。

进一步的，所述中子吸收剂为纳米氧化钆。

进一步的，所述纳米稀土氧化物的粒径小于100nm，在复合材料中的配比为1-10份。

进一步的，所述抗氧剂为1010、1076或亚磷酸三苯酯中的一种。

进一步的，所述偶联剂为硅烷偶联剂KH560或KH570中的一种。

本发明的第二个目的是针对现有技术存在的问题，提出制备上述复合材料的方法。

一种高透光的中子屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将偶联剂溶于适量丙酮，加入纳米氧化钆后，超声处理30-50分钟，得到表面改性的纳米氧化钆；

2)将PC基料在120-130℃条件下干燥至含水量低于0.02％；

3)按照重量比将改性过的纳米氧化钆与干燥的PC及抗氧剂混合均匀；

4)将混合料加入到双螺杆挤出机中，在240-270℃下熔融挤出，螺杆机转速为200-600rpm，经过熔融挤出，冷却造粒即得复合材料。

与现有技术相比，本方案至少具有如下优点：1)、获得单一材料即可同时对中子辐射进行有效屏蔽；2)、所提供复合材料兼具优异的透光性、优异的综合性能及中子屏蔽性能；3)、取材廉价。

本发明方案中选用PC作为基材主要考虑其以下几个优点：1)PC是应用非常广泛的一种工程塑料，已经具备了成熟的理论与实验基础以及大规模生产工艺。2)PC与聚乙烯、环氧树脂相比较具有更好的耐热、耐腐蚀、耐辐照及抗冲击性能，同时具有它们所不具备的高透光性。3)PC可以制作轻质的辐射防护材料，符合人们对新型辐射防护材料的要求。

稀土元素中钆的中子吸收截面比常用硼高很多，钆的热中子吸收截面约为48000b，硼的热中子吸收截面约为3800b，钆的中子吸收截面约是硼的12倍。将氧化钆填充到PC中制备复合材料，可以兼得PC材料优异的光学性能、力学性能和中子屏蔽性能。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

(1)将偶联剂溶于适量丙酮，加入纳米氧化钆后，40-50℃条件下超声波处理30-50分钟，然后在60-90℃条件下干燥至恒重，得到表面改性的氧化钆；

(2)将PC在120-130℃条件下干燥至含水量低于0.02％；

(3)按照重量比将改性过的稀土氧化物与干燥的PC及抗氧剂混合均匀；

(4)将混料加入到双螺杆挤出机中，在240-270℃下熔融挤出，螺杆机转速为200-600rpm，经过熔融挤出，冷却造粒即得防中子辐射的PC复合材料。

实施例1

按重量份计，取2重量份纳米氧化钆、5重量份丙酮、0.1重量份KH560偶联剂、0.5重量份1010抗氧剂、98重量份聚碳酸酯。先将偶联剂加入丙酮中，再将纳米氧化钆加入到溶解的偶联剂中，将其置于超声分散器中于40℃超声分散30分钟；将混合物在60℃条件下干燥至恒重，得到经过表面处理的纳米氧化钆；将PC在120℃条件下干燥至含水量低于0.02％；将改性过的氧化钆与干燥的PC及抗氧剂混合均匀；再将混料加入到双螺杆挤出机中，在260℃下熔融挤出，螺杆机转速为300rpm，经过熔融挤出，冷却造粒即得PC复合材料。

实施例2

按重量份计，取3重量份纳米氧化钆、6重量份丙酮、0.3重量份KH560偶联剂、1重量份1010抗氧剂、96重量份聚碳酸酯。先将偶联剂加入丙酮中，再将纳米氧化钆加入到溶解的偶联剂中，将其置于超声分散器中于40℃超声分散30分钟；将混合物在60℃条件下干燥至恒重，得到经过表面处理的纳米氧化钆；将PC在120℃条件下干燥至含水量低于0.02％；将改性过的氧化钆与干燥的PC及抗氧剂混合均匀；再将混料加入到双螺杆挤出机中，在260℃下熔融挤出，螺杆机转速为300rpm，经过熔融挤出，冷却造粒即得PC复合材料。

实施例3

取3重量份纳米氧化钆、6重量份丙酮、0.3重量份KH560偶联剂、1重量份1076抗氧剂、96重量份聚碳酸酯。先将偶联剂加入丙酮中，再将纳米氧化钆加入到溶解的偶联剂中，将其置于超声分散器中于40℃超声分散30分钟；将混合物在60℃条件下干燥至恒重，得到经过表面处理的纳米氧化钆；将PC在120℃条件下干燥至含水量低于0.02％；将改性过的氧化钆与干燥的PC及抗氧剂混合均匀；再将混料加入到双螺杆挤出机中，在260℃下熔融挤出，螺杆机转速为300rpm，经过熔融挤出，冷却造粒即得PC复合材料。

实施例4

取5重量份纳米氧化钆、10重量份丙酮、0.5重量份KH570偶联剂、2重量份1076抗氧剂、93重量份聚碳酸酯。先将偶联剂加入丙酮中，再将纳米氧化钆加入到溶解的偶联剂中，将其置于超声分散器中于40℃超声分散30分钟；将混合物在60℃条件下干燥至恒重，得到经过表面处理的纳米氧化钆；将PC在120℃条件下干燥至含水量低于0.02％；将改性过的氧化钆与干燥的PC及抗氧剂混合均匀；再将混料加入到双螺杆挤出机中，在260℃下熔融挤出，螺杆机转速为300rpm，经过熔融挤出，冷却造粒即得PC复合材料。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。