МАТЕРИАЛ, ЗАЩИЩАЮЩИЙ ОТ ПРОНИКАЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G21F1/10 

Изобретение относится к области радиационной техники и касается материалов, защищающих от проникающей радиации.

В качестве материала, защищающего персонал от радиоактивного излучения, наиболее употребителен материал на основе резиновой смеси с наполнителем, представляющим собою порошок тяжелых и редкоземельных элементов или их оксидов (Международный стандарт CEI/IEC 1331-3: 1994).

Из такого материала изготавливают защитные перчатки, фартуки, сапоги, коврики и другие изделия, защищающие от радиоактивного и рентгеновского излучения.

В научно-технической и патентной литературе имеются сведения о сравнительной противорадиационной эффективности отдельных окислов и их комбинаций, об особенностях технологии тех или иных изделий (патент РФ N 2030803, кл. G 21 F 1/10 публ. 1995).

Однако, не было обнаружено каких-либо работ, обсуждающих влияние гранулометрического состава порошкообразного наполнителя на качество радиозащитного материала.

Исследованиями же было установлено, что от гранулометрического состава наполнителя существенно зависит защитная эффективность материала, в состав которого он входит. В частности, было показано, что удельная защитная эффективность радиозащитного материала, рассчитанная на единицу его объема, может различаться на несколько порядков в зависимости от степени однородности порошка наполнителя.

Цель изобретения - повысить удельную радиационную эффективность защитного материала за счет оптимизации гранулометрического состава наполнителя.

По существующим на сегодняшний день представлениям, порошкообразный наполнитель должен быть достаточно мелкодисперсным и одновременно однородным по размерам частиц, поскольку при именно этих условиях достигается наилучшее качество радиозащитного материала.

Используемые в настоящее время в качестве наполнителя товарные порошки, в частности, порошки оксидов редкоземельных элементов (такие, например, как цериевые и лантановые концентраты ВКР-5М, ТРЗЭ, полирит и пр.) дают остаток на сите с размером ячеек 4 мкм равный 0,5% и имеют весьма однородный по размерам частиц состав, средний размер которых составляет около 1 мкм.

Однако, исследованиями было установлено, что указанные условия не являются оптимальными для получения высокоэффективного материала. В частности, было показано, что при использовании неоднородного по размерам частиц порошкообразного наполнителя можно добиться получения радиозащитного материала с повышенной удельной эффективностью.

Для подтверждения вышесказанного на основе стандартной резиновой смеси был приготовлен ряд образцов радиозащитного материала с использованием оксида гадолиния как наполнителя с разной степенью неоднородности частиц по размерам. С этой целью были подготовлены порошки наполнителя разного гранулометрического состава. С использованием минимально необходимого для сохранения эластичных свойств количества резиновой основы была получена вязкая масса, которую раскатывали до толщины 2 мм и подвергали отвердению, получая образцы определенных размеров.

Аналогичным образом готовились образцы радиозащитного материала и в далее описанных экспериментах.

Поскольку равное количество наполнителя разного гранулометрического состава занимает неодинаковый объем, то для сохранения эластичности получаемого материала требовались разные минимальные количества резиновой основы.

В результате полученные образцы отличались по размерам и по удельной плотности наполнителя, т. е. по весовому содержанию наполнителя в единице объема полученного материала.

Радиозащитная эффективность образцов материалов оценивалась степенью ослабления излучения изотопа Am-241 (линия 59,4 Кэв).

Коэффициент ослабления излучения указывает на то, во сколько раз снизилась регистрируемая величина проникающего радиоактивного излучения.

Полученные результаты представлены в табл. 1.

Как видно из полученных результатов, при прочих равных условиях заметное повышение радиозащитного эффекта материала достигается при отношении максимального размера частиц наиболее крупной фракции к минимальному размеру частиц наиболее мелкой фракции, начиная с 2:1. Величина же максимального в данных условиях коэффициента ослабления излучения зависит как от соотношений размеров частиц, так и от минимального размера частиц.

Так, при минимальном размере частиц наполнителя, равном 1 мкм, наиболее высокая радиозащитная эффективность материала достигается при отношении максимального размера частиц наиболее крупной фракции к минимальному размеру частиц наиболее мелкой фракции, составляющем 500:1 - 1000:1.

Однако, при минимальном размере частиц наполнителя, равном 50 мкм, максимальный радиозащитный эффект проявляется при величине указанного соотношения, составляющей 10:1 - 30:1.

Из этого, в частности, следует, что при использовании как компонентов наполнителя товарных порошков, используемых в настоящее время для изготовления радиозащитных материалов, частицы которых имеют минимальные размеры до 1,0 мкм, размеры наиболее крупных частиц других компонентов наполнителя желательно должны составлять 500- 1000 мкм.

Очевидно, что определенная величина соотношения размеров наиболее крупных и наиболее мелких частиц наполнителя может быть обеспечена при разных абсолютных размерах наиболее мелких (или, наоборот, наиболее крупных) частиц наполнителя.

В вышеприведенной табл. 1 и далее при указании на минимальный размер частиц подразумевается, что этот размер является минимальным в данной фракции порошка. Так, если указано, что размер частиц составляет 1 мкм, то это означает минимальный размер частиц фракции порошка, просеивающейся через стандартное сито с диаметром отверстий 50 мкм, а сама эта фракция содержит частицы менее 50 мкм, т.е. от 1 до 50 мкм. Аналогичным образом, при указании, что размер частиц составляет 50 мкм, подразумевается минимальный размер частиц, просеивающихся через стандартное сито с диаметром отверстий 100 мкм, но не проходящих через сито с диаметром отверстий 50 мкм, т.е. сама эта фракция содержит частицы размером 51-100 мкм.

По этому же принципу определяется и понятие "максимальный размер частиц" - подразумевается, что конкретный размер частиц порошка характеризует размер наиболее крупных частиц соответствующей фракции порошка, получаемой его фракционированием через стандартные сита.

Предпочтительно, чтобы размер частиц наиболее крупной фракции наполнителя не превышал величину 1000 мкм.

В этой связи увеличение минимального размера частиц наиболее мелкой фракции порошка до величины 100 мкм резко ограничивает возможную степень неоднородности порошка и является нежелательным.

В более общем плане из полученных результатов могут быть сделаны следующие выводы.

Оптимизация гранулометрического состава наполнителя может позволить повысить его удельную плотность в радиозащитном материале, которая, в свою очередь, определяет его радиозащитную эффективность. Из этого следует, что, во-первых, при одинаковом расходе наполнителя может быть получен радиозащитный материал разной толщины, но обладающий равной радиозащитной эффективностью; во-вторых, при разном расходе наполнителя может быть получен радиозащитный материал одинаковой толщины, но обладающий разной радиозащитной эффективностью.

Оптимизация гранулометрического состава наполнителя кроме того может позволить понизить содержание резиновой основы в радиозащитном материале при сохранении его эластичных свойств.

В результате длительных экспериментальных исследований заявитель пришел к выводу о том, что порошкообразный наполнитель, используемый для получения радиозащитного материала, должен иметь такой гранулометрический состав, при котором достигается максимальная степень упаковки частиц наполнителя в единице объема. В качестве наиболее простого показателя, отражающего степень упаковки частиц наполнителя, может быть принята удельная плотность наполнителя, выражаемая максимальной величиной массы наполнителя, занимающей минимальный стандартный объем.

Эти теоретически выведенные заявителем закономерности, подтвержденные экспериментальным путем, и были положены в основу настоящего изобретения.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Для приготовления материала, защищающего от проникающего излучения, известным образом готовят резиновую основу. Компоненты резиновой смеси подбирают таким образом, чтобы эластичность готового материала лежала в требуемых пределах, в зависимости от практического назначения готового изделия.

В подготовленной должным образом резиновой основе равномерно распределяют порошкообразный наполнитель с использованием традиционных технологических приемов. Как наполнитель могут использоваться порошки редкоземельных и тяжелых металлов или их оксидов, обычно используемые для этих целей.

Могут быть использованы порошки отдельных металлов, или их оксидов, или их смеси, что зависит от конкретного назначения получаемого материала.

В качестве наполнителя используют порошки с наиболее высокой достигнутой плотностью упаковки частиц, показателем которой служит, например, величина удельной плотности порошка.

Порошки с наиболее плотной упаковкой частиц могут быть получены на основе теоретических расчетов или эмпирическим путем.

В частности, приемлем следующий подход.

Предварительно, предназначенные для использования в качестве наполнителя, порошки анализируют с точки зрения их гранулометрического состава.

Фракцию частиц, имеющих размеры более 1000 мм, удаляют из подготавливаемого к использованию продукта. Однако, верхний предел размеров наиболее крупных частиц при необходимости может быть еще более снижен.

Определяют максимальные размеры частиц наиболее крупной и минимальные размеры частиц наиболее мелкой фракций порошка.

Для дальнейшего использования порошок наполнителя составляют таким образом, чтобы отношение максимального размера частиц наиболее крупной фракции к минимальному размеру частиц наиболее мелкой фракции составляло от 5:1 до 1000:1.

Наиболее оптимальным соотношением является такое, при котором достигается наиболее высокая удельная плотность порошка, что свидетельствует о большей плотности упаковки частиц.

Понятно, что при расширении величины этого соотношения возрастает и число фракций частиц, размеры которых находятся в диапазоне значений между максимальными и минимальными.

Абсолютные размеры частиц промежуточных фракций и общее содержание таких фракций в радиозащитном материале не имеют первостепенного значения, но предпочтительно, чтобы границы между размерами частиц наиболее крупной и наиболее мелкой фракций были бы по возможности более широкими.

Относительное содержание в подготовленном к использованию порошке наполнителя наиболее мелкой фракции должно быть не более 10 мас.%, ибо при большем содержании защитная эффективность материала снижается, что подтверждают данные табл. 2.

Состав остальных фракций наполнителя был одинаков. Общий расход наполнителя в каждом случае составлял 40,0 г.

Влияние количественного содержания наиболее мелкой и наиболее крупной фракций частиц наполнителя на радиозащитную эффективность материала показано в табл. 3.

Обращает на себя внимание, что при увеличении содержания наиболее мелкой фракции более 10% радиозащитная эффективность материала снижается, что коррелирует с данными табл. 2. Видимо, содержание наиболее крупной фракции не является определяющим в наблюдающемся изменении эффективности радиационной защиты.

Общее содержание наполнителя в предложенном защитном материале на основе резиновой смеси может составлять от 20 до 90 мас.% и более.

Повышенная удельная радиозащитная эффективность материала, полученного в соответствии с изобретением, наглядно показывает его преимущества перед материалом, приготовленным известным образом, и это видно из результатов, показанных в табл.4.

Таким образом, использование предложения позволяет при одинаковом расходе наполнителя или уменьшить толщину материала при сохранении его эффективности, или увеличить радиозащитную эффективность при сохранении толщины материала.

Из полученного материала известным образом изготавливают требуемые изделия, качество которых выше, чем из материала, изготовленного известным путем.

Преимущества предложенного радиозащитного материала состоят в том, что
предложенный материал позволяет обеспечить более высокую степень защиты, чем известный материал, при равной толщине материала;
предложенный материал позволяет обеспечить равную степень радиационной защиты при меньшей, чем у известного материала, толщине;
предложенный материал позволяет получать более эластичные изделия, чем это возможно получить из известного материала, при обеспечении того же уровня радиационной защиты, так как для достижения одинакового уровня радиационной защиты требуется меньший объем наполнителя с более высокой удельной плотностью, что позволяет увеличить содержание в радиозащитном материале резиновой основы.

Предложенный материал особенно пригоден для изготовления защитных перчаток, так как удается ощутимо увеличить их эластичность и тем самым повысить удобство работы в таких перчатках.

Более подробно сущность предложения поясняется следующими примерами.

Пример 1. Для получения радиозащитного материала предварительно приготовили порошкообразный наполнитель. С этой целью 1 кг металлических отходов вольфрама в виде крупки с размером частиц 3-8 мм измельчили на шаровой мельнице в течение 8 мин.

Полученный порошок последовательно просеивали через сита с размером ячеек 50-100-200-315-600 мкм. Фракцию частиц с размерами более 600 мкм (в количестве 240 г) отбросили.

Для приготовления наполнителя использовали порошок, имеющий следующий гранулометрический состав:
Размер частиц, мкм - Содержание, г
менее 50 - 10,0
50-100 - 20,0
100-200 - 25,0
200-315 - 25,0
315-600 - 20,0
Удельная плотность порошка была равна 8,4 г/см³, а отношение максимального размера частиц к минимальному размеру составляло 600:1.

60,0 г порошка наполнителя внесли в 11,0 г резиновой смеси на основе СКИ-3 и тщательно перемешали продукт, после чего его провальцевали и откаландровали до толщины 2,5 мм.

Откаландрованный материал подвергли вулканизации прессованием при температуре 150^oC в течение 20 мин.

После вулканизации толщина готового радиозащитного материала составила 2,0 мм.

Удельная плотность полученного радиозащитного материала равнялась 6,5 г/см³, а коэффициент ослабления излучения - 48.

Пример 2. Радиозащитный материал готовили, как описано в примере 1, но в качестве наполнителя использовали порошок оксида диспрозия следующего гранулометрического состава:
Размер частиц, мкм - Содержание, г
менее 50 - 10,0
50-100 - 20,0
100-200 - 30,0
200-315 - 20,0
315-600 - 20,0
Удельная плотность порошка была равна 4,3 г/см³, а отношение максимального размера частиц к минимальному размеру составляло 600:1.

90,0 г порошка наполнителя смешивали с 10,0 г резиновой смеси на основе СКИ-3. После вальцовки и каландрования толщина материала составила 1,3 мм, а после вулканизации - 1,0 мм.

Удельная плотность полученного радиозащитного материала равнялась 4,9 г/см³, а коэффициент ослабления излучения - 64.

Пример 3. Радиозащитный материал готовили, как описано в примере 1, но в качестве наполнителя использовали смесь порошка вольфрама и порошка оксида гадолиния (1:1).

Порошок вольфрама имел указанный выше гранулометрический состав, а гранулометрический состав порошка оксида гадолиния был следующим:
Размер частиц, мкм - Содержание, г
менее 50 - 10,0
50-100 - 30,0
100-200 - 30,0
200-315 - 30,0
Удельная плотность порошка была равна 5,2 г/см³, а отношение максимального размера частиц к минимальному размеру составляло 315:1.

200,0 г порошка наполнителя смешивали с 35,0 г силиконовой резины RTV-410 производства фирмы General Electric (США) и с 1,75 г катализатора отвердения бета-6, а затем провели холодное формование смеси в течение 2 ч. После формования толщина готового радиозащитного материала составила 1,0 мм. Удельная плотность полученного радиозащитного материала равнялась 4,2 г/см³, а коэффициент ослабления излучения - 26.

Пример 4. Радиозащитный материал готовили, как описано в примере 1, но в качестве наполнителя использовали смесь порошка вольфрама и порошков оксида гадолиния и оксида церия (1:1:1).

Каждый из порошков имел следующий гранулометрический состав:
Размер частиц, мкм - Содержание, г
Менее 50 - 5,0
50-100 - 15,0
100-200 - 15,0
200-315 - 15,0
315-600 - 50,0
Удельная плотность порошка была равна 4,6 г/см³, а отношение максимального размера частиц к минимальному размеру составляло 600:1.

150,0 г порошка наполнителя смешивали с 26,5 г силиконовой резины RTV-420 производства фирмы General Electric (США) и с 1,35 г катализатора отвердения бета-7.

Подлежащую формованию массу разделили пополам и провели холодное формование таким образом, чтобы одна часть готового радиозащитного материала имела толщину 1,0 мм, а вторая часть - 2,0 мм.

Удельная плотность полученного радиозащитного материала равнялась 5,5 г/см³, а коэффициент ослабления излучения - 18 при толщине материала 1,0 мм и 320 при толщине материала 2,0 мм.

Поскольку ранее для приготовления радиозащитного материала использовался иной подход - стремление использовать наиболее однородный по размерам частиц порошок наполнителя, предложенный материал принципиально отличается от известного, а способ его получения очевидным образом не вытекает из известного уровня знаний.

Материал, защищающий от проникающего излучения, содержит резиновую основу и порошкообразный наполнитель. Наполнитель содержит частицы неоднородного размеры и такого гранулометрического состава, который обеспечивает максимальную упаковку частиц наполнителя в единице объема. Технический результат заключается в повышении удельной радиационной эффективности защитного материала. 3 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Материал, защищающий от проникающего излучения, содержащий резиновую основу и порошкообразный наполнитель, отличающийся тем, что в качестве наполнителя содержит наполнитель с неоднородным размером частиц и такого гранулометрического состава, который обеспечивает максимальную упаковку частиц наполнителя в единице объема. 2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что максимальный размер частиц наиболее крупной фракции наполнителя относится к минимальному размеру частиц наиболее мелкой фракции наполнителя как 5 : 1 - 1000 : 1. 3. Материал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержание частиц наиболее мелкой фракции наполнителя составляет не более 10 мас.%. 4. Материал по пп.1 - 3, отличающийся тем, что минимальный размер частиц наиболее мелкой фракции наполнителя составляет не более 50 мкм.